0超聲相控陣技術(shù)在焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用

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1、超聲相控陣技術(shù)在焊縫檢測中的應(yīng)用摘要：簡述了超聲相控檢測方法誕生的背景以及相對傳統(tǒng)超聲檢測方法的技術(shù)的優(yōu)勢，著重介紹了超聲相控陣技術(shù)在對接焊縫以及T型角焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用，并對超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：超聲相控陣技術(shù)對接焊縫T型角焊縫缺陷檢測Abstract:Outlinedtheadvantagesofultrasonicphaseddetectionmethodscomparedwithconventionalultrasonicdetectionmethodsanditstechnicalbackground.Highlightedtheapplica

2、tionofultrasonicphasedarraytechnologyinthebuttweldsandT-typefilletwelddefectdetection,andprospectedthephasedarraytechnology.Keywords:UltrasonicphasedarraytechnologybuttweldT-typefilletwelddefectdetection1超聲相控陣檢測方法1.1傳統(tǒng)超聲檢測方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測發(fā)展為兩種檢測方法：傳統(tǒng)超聲檢測（UA）和超聲相控陣檢測(UPA)。傳統(tǒng)超聲檢測的探頭中只有一個晶片，通

3、過加不同角度的楔塊，使得聲束偏轉(zhuǎn)角度改變。這種方法起源于二十世紀(jì)四十年代，在五十年代時廣泛應(yīng)用于一些先進(jìn)國家的機(jī)械制造和造船工業(yè)等領(lǐng)域中[1]。五十年代初期的研究側(cè)重于超聲探頭制作和材料的改良方面，提高了成像的分辨率[2]。五十年代后期側(cè)重于超聲檢測儀的研制及超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定。六十年代，德國KrautKramer公司成功研制了小型超聲波檢測儀，是超聲波檢測技術(shù)的一次飛躍[3][4][5]。八十年代，微處理器在檢測系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著數(shù)字超聲檢測時代的到來。隨著計算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路以及信號處理技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測由手動檢測向全自動檢測方向發(fā)展，進(jìn)一步提高了檢測效率[6]

4、。隨著檢測要求的提高，傳統(tǒng)超聲檢測的靈敏度也需要提高。11提高超聲波檢測的靈敏度，增大檢測聲束能量是關(guān)鍵。容易想到兩種方法，第一種方法就是提高探頭的中心頻率。但是探頭的中心頻率越高，聲波在介質(zhì)中的衰減越嚴(yán)重，檢測效果更不佳。所以，探頭的中心頻率不能太高。另一種方法是使用幾何透鏡、物理透鏡，或者直接將探頭表面做成具有一定曲率的凹面，以實現(xiàn)發(fā)射聲束在檢測區(qū)域內(nèi)聚焦，從而減小了聲束的擴(kuò)散角[7]。但是，上述方法只能夠?qū)崿F(xiàn)定點聚焦。而在超聲檢測中不是檢測固定區(qū)域，而是要經(jīng)常調(diào)整檢測區(qū)域，則需相應(yīng)地調(diào)整聚焦方向和焦點位置。若應(yīng)用上述方法調(diào)焦，則需要根據(jù)檢測區(qū)域的位置更換透鏡或更換不同曲

5、率的超聲探頭。這樣使檢測變得復(fù)雜，同時也降低了檢測速度。于是，提出了超聲相控陣無損檢測方法[8][9][10]。如圖1所示，為超聲相控陣檢測幾何缺陷原理示意圖。圖1超聲相控陣檢測原理示意圖1.2超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢超聲相控陣技術(shù)是基于惠更斯原理。相控陣探頭是由多個晶片組成的陣列，陣列的陣元在電信號的激勵下以可控的相位發(fā)射出超聲波，并使超聲波束在確定的聲域處聚焦或偏轉(zhuǎn)，超聲回波轉(zhuǎn)化成電信號再以可控的相位疊加合成，以實現(xiàn)缺陷的檢測[11][12]。超聲相控陣探頭最顯著的特點是可以靈活而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點位置通過電控而能在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)連

6、續(xù)可調(diào)，而且在探頭不動的情況下，可快速平移聲束。與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢是[13][14]：1、快速。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查要快很多，提高了檢測效率，同時也節(jié)省了費用。211、靈活。單個相控陣探頭根據(jù)檢測要求采用不同的掃查方式就可以檢測不同的部件。3、可進(jìn)行復(fù)雜檢測。通過檢測方案設(shè)計，相控陣可以檢測幾何形面復(fù)雜的試塊，例如檢測焊縫和槽等。4、陣列尺寸小。小晶片陣列的探頭在檢測中易于應(yīng)用，例如，用在檢測空間受到限制的管道，葉輪等工件中。5、機(jī)械可靠性強(qiáng)。檢測時，若在工件上移動量越少，則檢測系統(tǒng)將越可靠。相控陣檢測用電子掃查代替機(jī)械掃查，既減少了磨

7、損，同時也增加了系統(tǒng)的可靠性。6、可檢測性增強(qiáng)。波束的聚焦增加了信噪比，對于方向難以辨別的缺陷，可檢測性明顯增強(qiáng)。例如，在扇形掃查中，大量的A掃數(shù)據(jù)增加了每個角度的分辨率，進(jìn)而增強(qiáng)了檢出率。圖2為常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測對比。圖2常規(guī)單晶探頭與陣列多晶探頭裂紋檢測對比1.3超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展超聲相控陣檢測技術(shù)最初源于雷達(dá)天線電磁波相控陣技術(shù)，被用于醫(yī)療領(lǐng)域，在上世紀(jì)六十年代初期才被引入超聲自動檢測領(lǐng)域中[15][16]。隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)無損檢測，特