超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用
超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用
摘要：分析了超声相控阵技术的特点，介绍了超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用。从应用结果可以看出，超声相控阵技术能极大地提高检测效率，降低劳动强度，节省检测成本。关键词：超声波检测;相控阵技术;焊接接头
0 引言传统的超声检测采用单晶片探头发散声束，在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分标准都要求采用多个角度的声束扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现，为此就需要采用相控阵探头和聚焦声束来满足上述情况的检测要求，
本文重点介绍超声相控阵技术在焊接接头检测方面的应用及其优势。此法是当今无损检测技术中极富有创造性的超声检测新技术，可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷。检测结果以图像形式显示，为缺陷定位、定量、定级及估判定性提供了丰富的信息。
1 超声相控阵
1.1 动作原理超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。通常使用的是一维线形阵列探头，压电晶片呈直线状排列，聚焦声场为片状，能够得到缺陷的二维图像，在工业中得到广泛的应用。
1.2 阵列类型阵列顾名思义就是晶片在探头中排列的几何形状。相控阵探头有3 种主要阵列类型：线形(线阵列)、面形(二维矩形阵列)和环形(圆形阵列)，如图3 所示。目前相控阵探头大多数采用线形阵列，因为线形阵列编程容易，费用明显低于其他阵列。
1.3 阵列系统相控阵换能器系统能控制超声束的转向，这是实时超声成像中的关键特性。而实时成像中，能够对快速移动的组织结构成像和评价，并且该工艺易于实现自动化，从而消除因操作技术水平的差 别引起的判断变化。实现实时成像的3 种扫描方法：线形扫描、扇形扫描和在线形扫描的界面上带有扇形扫描的线形扫描。相控阵列除有效地控制发射超声束的形状和方向外，还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的2 个条件：动态聚焦和实时扫描。
1.4 电子扫描(E-扫描)电子扫描又称线形扫描：就是在一组激活晶片上同时发送同样的聚焦法则和延迟时间，扫查时角度固定，以成组的晶片沿着相控阵探头长度方向进行扫描，如图4 所示。
1.5 扇形扫描(S-扫描)扇形扫描也称作方位角扫描或者斜角扫描：就是采用相同的晶片和特定聚焦深度的声束，在一定角度范围内的扫描。可以同时进行聚焦深度不同的扫描，这类倾斜的扇面可以具有不同的扫描值，如图5 所示。扫描范围的起点和终点角度取决于探头的设计、楔块和波的类型，扫描范围依然受制于物理学规律。
2 扫查方式用相控阵探头对焊缝进行检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高，如图6 所示。
3 应用实例不同厂家超声相控阵设备的功能、操作及显示方式等各不相同，但是检测应用基本相同。本文现以以色列Sonotron NDT 公司生产的相控阵设备(即ISONIC-UPA) 应用为例来分析介绍。ISONIC-UPA 设备有其独特的技术特点和优势，不同于其他厂家的相控阵设备，体现了超前的理念。3.1 角度补偿传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术，多晶片探头通过楔块入射到工件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化。采用单一入射点校准方式与常规距离-波幅曲线修正，造成的扇形扫查区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决，如图7 所示。而ISONIC-UPA 相控阵设备具有角度补偿功能，能有效地解决此类问题。
所谓角度补偿就是针对不同的聚焦法则，输入扇形扫查所需的角度范围及入射角度的增量后，晶片可以分别进行角度增益调整，也就是晶片角度增益修正。有了角度增益补偿设置功能，可以取代传统的通过设置DAC曲线的方法来补偿增益变化。在ASME Case2557 标准中明确指出进行扇形扫描时要进行角度增益补偿。角度增益补偿曲线如图8所示，经过角度补偿后得到的等量化数据如图9 所示。
3.2 二次波显示传统相控阵扇形扫查采用单纯的声程显示，不能显示缺陷的真实位置，如图10 所示。这种成像模式将处在二次波位置上的缺陷转换成一次波位置进行成像显示，给分辨缺陷的具体位置增加难度，不能直观给出缺陷真实位置。对于检测角焊缝、T 形焊缝、K形焊缝及Y 形焊缝无法显示真实成像结果，使该成像模式的应用受到限制，仅能用于检测对接接头。
而ISONIC-UPA 采用二次波检测成像显示模式，成像结果与真实几何结构一致。这种成像模式能直观显示缺陷的位置及被检工件焊缝的真实结构，这是声程显示成像模式无法比拟的。
3.3 检测应用3.3.1 动车横梁管对接焊缝检测3.3.1.1 检测部位及坡口示意图
(1)检测部位说明。横梁管一端内壁被机加工，加工的形状及规格如图12 所示，目的是为了套入侧梁的横梁座中。从图12 和图13 看，受工件结构限制，检测空间有限，仅能从横梁管侧单面(即图14 中A 面)进行检测。相控阵探头放在图14中A 面上，且探头前端距焊缝边缘的距离为12 mm。
(2)坡口示意图。图14 是对接后的坡口示意图。该接头既有对接，又有搭接的型式。焊接方法采用自动焊。 3.3.1.2 检测结果采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要采用不同角度的探头进行多次检测。检测结果发现有超标缺陷。采集的三维视图，如图15所示。
采用的设备是ISONIC-UPA 相控阵设备。探头参数为1 个线形相控阵探头，晶片数为32 个，频率为5 MHz。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714—1998 和EN1712—1997。试块为EN1714—1998 中DAC 曲线试块(准3 mm 的横通孔)。
3.3.1.3 裂纹解剖图对该焊缝返修，发现是裂纹缺陷
3.3.2 动车连接座对接焊缝检测3.3.2.1 检测部位及坡口示意图(1)检测部位说明。检测动车的连接座，其形状如图17 所示。从图17 看，检测空间有限，仅能从横梁管侧进行单面单侧检测。相控阵探头放在横梁管侧A 面上，如图18 所示，且探头前端距焊缝边缘的距离为12 mm。(2)坡口示意图。图18 是对接后的坡口示意图。该焊缝是双面焊，采用自动焊方法焊接。
3.3.2.2 检测结果采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波至少采用2 种角度的探头进行多次检测。检测结果为未熔合缺陷，如图19 所示。采用的设备是以色列ISONIC-UPA 相控阵设备。探头参数为1 个线形相控阵探头，晶片数为32 个，频率为5 MHz。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714—1998 和EN1712—1997。试
块为EN1714—1998 中DAC 曲线试块。3.3.2.3 未熔合的返修图对该焊缝返修，发现是未熔合缺陷，如图20 所示。
3.3.3 动车横梁座角焊缝检测3.3.3.1 检测部位图21 为横梁座角焊缝的实物图。从该结构看，检测空间有限，仅能从单面单侧进行检测。
3.3.3.2 坡口示意图图22 为横梁座角焊缝的坡口示意图
3.3.3.3 检测结果采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要进行多次扫查，才能完成整个接头的检测。检测结果为根部未焊透，如图23 所示。
采用的设备是ISONIC-UPA 相控阵设备。探头参数为1 个线形相控阵探头，晶片数为32 个，频率为5 MHz。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714—1998 和EN1712—1997。试块为EN1714—1998 中DAC 曲线试块。检测要求根部允许有小于等于1 mm 深的未焊透。
4 结语
(1)超声相控阵技术可任意设定偏向角和聚焦深度的声束，能使检测条件最佳化。
(2)检测结果以图像形式显示，即采用A 扫描、B 扫描及C 扫描等显示方式，具有能实时评定分析缺陷的优点。
(3)相控阵技术检测优势显著，诸如检测速度快、效率高、定量精度高、容易分析缺陷及合理评定缺陷等，它是一项既有挑战性又极具发展前途和推广价值的新技术。
(4)对检测人员素质要求比较高，既要有丰富的实际经验，又要有熟练的电脑操作能力。对图形的识别要积累经验，才能准确地评定检测结果。总之，相控阵技术的优点主要体现在：探头尺寸小、探头数量少，电子扫描对缺陷实时显示记录且检测速度快，检测灵活性更强，更适用于检测结构复杂的工件。
