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超声相控阵技术在焊缝检测中的应用

摘要：简述了超声相控检测方法诞生的背景以及相对传统超声检测方法的技术的优势，着重介绍了超声相控阵技术在对接焊缝以及T型角焊缝缺陷检测中的应用，并对超声相控阵技术应用前景进行了展望。
关键字：超声相控阵技术 对接焊缝 T型角焊缝 缺陷检测

Abstract: Outlined the advantages of ultrasonic phased detection methods compared with conventional ultrasonic detection methods and its technical background. Highlighted the application of ultrasonic phased array technology in the butt welds and T-type fillet weld defect detection, and prospected the phased array technology.
Keywords: Ultrasonic phased array technology butt weld T-type fillet weld
defect detection

1 超声相控阵检测方法
1.1传统超声检测方法
随着科学技术的发展，超声波检测发展为两种检测方法：传统超声检测（UA）
和超声相控阵检测(UPA)。 传统超声检测的探头中只有一个晶片，通过加不同角度的楔块，使得声束偏转角度改变。这种方法起源于二十世纪四十年代，在五十年代时广泛应用于一些先进国家的机械制造和造船工业等领域中[1]。五十年代初期的研究侧重于超声探头制作和材料的改良方面，提高了成像的分辨率[2]。五十年代后期侧重于超声检测仪的研制及超声检测标准的制定。六十年代，德国KrautKramer 公司成功研制了小型超声波检测仪，是超声波检测技术的一次飞跃[3][4][5]。八十年代，微处理器在检测系统的成功应用标志着数字超声检测时代的到来。随着计算机技术和大规模集成电路以及信号处理技术的发展，超声检测由手动检测向全自动检测方向发展，进一步提高了检测效率[6]。随着检测要求的提高，传统超声检测的灵敏度也需要提高。
提高超声波检测的灵敏度，增大检测声束能量是关键。容易想到两种方法，
第一种方法就是提高探头的中心频率。但是探头的中心频率越高，声波在介质中
的衰减越严重，检测效果更不佳。所以，探头的中心频率不能太高。另一种方法
是使用几何透镜、物理透镜，或者直接将探头表面做成具有一定曲率的凹面，以
实现发射声束在检测区域内聚焦，从而减小了声束的扩散角[7]。但是，上述方法只能够实现定点聚焦。而在超声检测中不是检测固定区域，而是要经常调整检测区域，则需相应地调整聚焦方向和焦点位置。若应用上述方法调焦，则需要根据检测区域的位置更换透镜或更换不同曲率的超声探头。这样使检测变得复杂，同时也降低了检测速度。于是，提出了超声相控阵无损检测方法[8][9][10]。如图1所示，为超声相控阵检测几何缺陷原理示意图。

图1 超声相控阵检测原理示意图
1.2超声相控阵技术的优势
超声相控阵技术是基于惠更斯原理。相控阵探头是由多个晶片组成的阵列，
阵列的阵元在电信号的激励下以可控的相位发射出超声波，并使超声波束在确定
的声域处聚焦或偏转，超声回波转化成电信号再以可控的相位叠加合成，以实现
缺陷的检测[11][12]。超声相控阵探头最显著的特点是可以灵活而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点位置通过电控而能在一定的范围内实现动态连续可调，而且在探头不动的情况下，可快速平移声束。与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术的优势是[13][14]：
1、快速。相控阵线性扫查比常规探头的光栅扫查要快很多，提高了检测效率，同时也节省了费用。
2、灵活。单个相控阵探头根据检测要求采用不同的扫查方式就可以检测不同的部件。
3、可进行复杂检测。通过检测方案设计，相控阵可以检测几何形面复杂的试块，例如检测焊缝和槽等。
4、阵列尺寸小。小晶片阵列的探头在检测中易于应用，例如，用在检测空间受到限制的管道，叶轮等工件中。
5、机械可靠性强。检测时，若在工件上移动量越少，则检测系统将越可靠。相控阵检测用电子扫查代替机械扫查，既减少了磨损，同时也增加了系统的可靠性。
6、可检测性增强。波束的聚焦增加了信噪比，对于方向难以辨别的缺陷，可检测性明显增强。例如，在扇形扫查中，大量的 A 扫数据增加了每个角度的
分辨率，进而增强了检出率。图2为常规单晶探头与阵列多晶探头裂纹检测对比。

图2常规单晶探头与阵列多晶探头裂纹检测对比
1.3超声相控阵技术的发展
超声相控阵检测技术最初源于雷达天线电磁波相控阵技术，被用于医疗领
域，在上世纪六十年代初期才被引入超声自动检测领域中[15][16]。随着计算机技术和电子技术的发展，超声相控阵检测技术应用于工业无损检测，特别是在核工业和航空领域。近些年，超声相控阵检测技术发展尤为迅速，在超声相控阵系统的设计、系统的仿真、生产、测试和应用等方面已取得一系列的进展，R/D TECH，
IMASONIC 及 SIEMENS 等公司已研制并生产了超声相控阵检测系统和相控阵探头。同时，动态聚焦相控阵系统、二维阵列、自适应聚焦相控阵系统，表面波及板波相控阵探头的研制、生产、应用及完善已经成为了研究的重点。
目前，国内在超声相控阵检测技术上的研究与应用还主要集中在医学领域，
工业上的应用还有待于研究与提高。大规模集成电路的发展，为我国数字化超声
相控阵检测的研究创造了良好的条件。在工业的检测中，根据检测对象和检测条
件，合理的选择探头及楔块，合理的制定检测方案，是具有一定的重要意义。以下主要介绍国内超声相控阵检测技术在不同类型焊缝检测方面的应用及成效。
2 不同类型焊缝中的应用
2.1对接焊缝
超声相控阵检测技术被广泛应用于的对接焊缝缺陷承压设备检测，扇形扫描
检测的对接焊缝不同缺陷图像有其独特的特点。根据对同一性质缺陷的相控阵检
测图谱归纳总结，得出这类缺陷的图谱，使得在其他操作员在实际检测过程中有
一个参考标准来快速提高缺陷定性的准确度。
2.1.1 气孔
如图3所示，以CIVA数值模拟检测及ESBeamTool声场覆盖区域确定探头位置为指导，用相控阵扇扫检测钢板对接接头焊缝内多个不同大小的自然气孔类缺陷的扇扫检测图。

（a） （b）
图3气孔缺陷扇扫检测图
超声相控阵的定性检测单个气孔非常准确。缺陷的显示图像非常直观，可以非常容易判断其是气孔缺陷。气孔的显示图像近似为圆形状或是椭圆状，缺陷图像相对较小，图像边界比较清晰，其过渡范围较小。气孔缺陷中部红色区域非常明显，具有比较高的亮度。在缺陷的后端会跟着一个衍射波缺陷，将相控阵探头左右移动时，气孔和其身后的衍射波会同时移动。
2.1.2裂纹

裂纹检测结果图像的好坏取决于声束与裂纹的角度。当取向不佳时，声束遇到缺陷信号不会反射回来而是折射出去，非常容易漏检。所以相控阵检测裂纹时要不断改变探头与裂纹直接的角度，找到最佳角度得到较好的检测图像。

（a） （b）
图4裂纹缺陷扇扫检测图
如图4所示声束与横向裂纹缺陷呈 90°角垂直扫查图，可以看到超声相控
阵法对埋藏性裂纹的定性也非常准确。当声束角度与裂纹角度为直角的时候，检
测缺陷图像大致呈窄而细的线条状，其左右两端比较尖。左右移动探头缺陷会一
直存在且裂纹图像从左至右中间红色部分逐渐明显，又慢慢减小直到消失。
2.1.3未焊透

（a） （b）
图5未焊透缺陷扇扫检测图
如图5所示未焊透扇扫检测结果中，其图像一般为窄而扁的椭圆状，边缘
没有那么圆润，将探头左右移动，有时会出现断断续续的粗线条状。在缺陷前后
有时候会出现一点点衍射波图像，在检测时很容易于底面反射回波重合。超声相
控阵检测未焊透缺陷图像一般在一次波扫查范围内，其缺陷位置在焊缝底端，深
度与板厚相差不大。

2.1.4 夹渣

（a） （b）
图6未焊透缺陷扇扫检测图
如图6所示，夹渣缺陷图像形状多不规则，边缘不大清晰且总体亮度不高，
与底色反差不大，检测图像一般呈有一个或是多个衍射波在其附近。且缺陷一般
扁而长，两端较尖。前后左右移动相控阵探头，信号明显滚动，相控阵图像上的
主要细长缺陷回波始终存在，边缘不清晰，而且亮度与底色反差不大。从检测结
果同样发现，相控阵方法对夹渣缺陷的检测图像与裂纹有一定的相似，但仔细比
对缺陷显示的图像非常直观，其附近的衍射波多不规则。由于夹渣的形状、大小
和位置的不固定，将夹渣显示图和左侧的A扫波形中结合起来很容易将其定性。
2.1.5 未熔合

（a） （b）
图7未焊透缺陷扇扫检测图
从检测结果图7发现，超声相控阵检测未熔合非常容易判定。其图像一般是扁平的椭圆状居多，有时候也会呈现条状。其图像边缘轮廓不是很圆滑，缺陷中心部分亮度特别高，体现在红色区域占整个缺陷部位区域较大。
2.2 T型角焊缝
2.2.1 检测原理及方法
T 型填角焊缝试板结构及其缺陷分布见图8 ，缺陷情况见图9 。图8中1#~5#缺陷分别代表裂纹、未焊透、翼板未熔合、坡口未熔合及气孔。

图8 T型填角焊缝试板结构及其缺陷分布

图9 T型填角焊缝试板缺陷情况
T型填角焊缝内部缺陷的回波需经底平面二次反射得到。因此， 所得的回波信号判别比较困难。为精确判别缺陷信号， 得到清晰的缺陷图像和准确的缺陷定位， 需进行探头的定位以及探测角度的设定。
焊缝检测参数计算如下：
tan α= L/2H
tan β1 =(L +3L1/2)/2H
式中， H 为板厚， L 为探头标定原点到焊缝边缘的距离， L1 为腹板厚度或焊缝两边到腹板的宽度/mm ;α为开始角度， β1 为结束角度1 ， β2 为结束角度。
2.2.2检测结果分析
当探头沿焊缝边平行移动， 结束角度为70°时， 扫描范围包含了整个T 型填角焊缝， 探头移动至1#裂纹缺陷处发现一处回波信号， 具体的检测图像见
图10。

图10 1#裂纹缺陷图像
保持实验参数不变， 相控阵试板上 2 mm 通孔在相同声程内的检测图像见图8 ， 由裂纹缺陷中心处的最强回波高度小于 2 mm 模拟缺陷可以知道裂纹开口小于2 mm ， 在探头移动的25 mm 范围内均有连续缺陷图像， 这与实际缺陷长度情况基本吻合。由图7 或者图8 中裂纹缺陷中心位置的角度为64°可以计算出裂纹缺陷中心离标定原点的距离大约为46 mm ， 在实际焊缝试块中的位置见图11 。图11 中L1 +L2 =46 mm ， 裂纹缺陷在焊缝中的位置得到了精确定位。

图11试板 2 mm 通孔图像
　 对T 型焊缝其余位置处的缺陷， 均可以采用相同方式进行缺陷位置的确定。将探头移动至2# 、3#和4#缺陷位置处， 取回波最强扫描得到的检测截面见图12 。在5#气孔缺陷位置处扫描无缺陷回波信号出现。

(a)未焊透缺陷处 (b)翼板未熔合缺陷处

(c)坡口未熔合缺陷处
图12　2 # ~4#缺陷位置处检测图像
3 结语
超声相控阵检测技术作为一种高速、精确的探伤方法不仅可用于医学领域与焊缝缺陷检测， 还可用于锻件和新型材料等的检测， 该技术在压力容器、航空航天和海洋平台结构等工业无损检测领域具有良好的应用前景。

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