论文部分内容阅读
摘 要:超声相控阵检测技术因其自身的优势性特点在现代制造行业中发挥着越来越重要的作用。文章简要介绍了该技术的基本原理、与常规超声检测的对比及检测的一般要求,列举了超声相控阵技术在焊缝检测及钢锻件检测中的典型应用,并指明其优势性。
关键词:相控阵检测 扇形扫查 三维数据
中图分类号:TG4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0072-01
超声相控阵是一种成像检测新技术,其产生始于20世纪60年代,初期主要应用于医学领域,为人体器官成像。随着电子技术与计算机技术的发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,尤其在核工业与航空技术领域取得了很多技术上的突破,解决了很多传统无损检测方法无法解决的难题。最近几年,超声相控阵技术发展迅速,在系统设计、过程仿真、算法研究等方面均取得一系列成就。可以说,超声相控阵技术已经成为一门独立的无损检测新技术学科,越来越广泛地应用于科学研究与生产实践。
1 超声相控阵技术基本原理
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理,换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序排列。用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束。因此与传统超声检测技术相比,相控阵技术具有以下优势:a.通过软件电子控制波束可提高检测能力,用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度;b.不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决尺寸和空间限制问题的有效手段;c.优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性;d.原生数据丰富,便于多次分析,还原检测过程及被测体空间特征。
2 超声相控阵设备与探头
近年来随着技术的不断发展,相控阵检测设备的体积和重量在不断减小,从本世纪初期的几十公斤到目前的几公斤。设备的功能也在不断完善,目前多采用扇形扫查(S型扫查)界面,并辅以A、B、C、D型扫查方式,检测人员可以根据需要自由选择多种组合,使缺陷在工件中的空间特征一目了然,为缺陷准确定位、定性、定量创造了有利条件。
探头是相控阵设备的核心部件,晶片的数量从16个发展到今天的256个以上,按其晶片形式可分为线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟,具有加工容易、控制电路简单、容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。目前已有含256个单元的线阵(N×1),可满足多数情况下的应用要求;面阵又叫二维阵列(N×M),可对声束实现三维控制,对超声成像及提高图像质量大有益处。
3 超声相控阵检测技术应用实例
3.1 钢板对接焊缝的超声相控阵检测
检测对接焊缝是相控阵技术最典型的应用。检测时探头无需像常规超声那样在焊缝两侧频繁地作锯齿形扫查,只需在平行于焊缝的方向作水平移动。检测前同样需要对系统进行校准。根据检测对象的尺寸及材质,确定好探头与楔块,在标准试块(如ⅡW试块等)上对声速、楔块的延迟、检测灵敏度及系统的综合线性进行校准。在校验试块中应设有适当数量的多种人工缺陷,以确保整个焊缝体积以及热影响区都能被检测到。此外,还应对编码器进行位置校准,当扫查装置移动300mm时,一般认为误差不应超过3mm。
常见焊缝坡口形式有X型、K型、V型等,这里以V型坡口为例,说明声束传输的空间形态。图1表示超声相控阵探头声束扫查焊缝的截面图。当使用直射法(即一次波或半跨距)检测时,焊缝仅下半部被声束扫查到;用底波一次法(即二次波或全跨距)检测时,声束就能覆盖整个焊缝截面。比如图1中A点,只能被二次波检测到。焊缝检测中相控阵探头的扫查角度为30°~70°,在仪器检测界面,使用2.5倍厚度左右的检测范围,整个焊缝体积就能显示在一个单一图像中。
3.2 管道环焊缝的超声相控阵检测
管道环焊缝的检测需求极大地推动了超声相控阵技术的蓬勃发展,相控阵技术发展初期也是期望于在管道环焊缝的检测中实现自动化,目前管道环焊缝自动化检测技术已经成熟,充分体现了相控阵检测不可替代的优越性。相比于常规超声检测,在管道环焊缝的检测中相控阵技术的优越性除了体现在探头角度方面外,更体现在自动化检测方面。管道焊缝一般较薄,对探头尺寸和角度的要求非常挑剔,使用常规手动超声波检测效率很低。引入超声相控阵自动检测装置后,只要将轨道安装在合适的位置,在爬行装置、编码装置及探头分工协作下,瞬间即可完成整个圆周的检测,并完成检测图谱的实时存储,检测效率可提高數倍。检测时对管道表面的光洁度、管道的圆度、焊缝表面成形有很高要求。
3.3 钢锻件的的超声相控阵检测
常规超声波检测钢锻件时,不宜出现螺纹、键槽、销孔等不利于检测的结构形式,然而在在役检测中,这些不利因素的存在却在所难免。使用相控阵技术很多时候可以解决这些问题。以螺栓为例,在加工出螺纹后,常规超声检测很难区分螺纹回波与螺纹底部裂纹产生的回波;同时直探头对裂纹反射的灵敏度不高,且移动空间较小。采用超声相控阵技术可以很好地克服这些困难,缺陷的类型及分布能够直观地显示,有助于检测人员作出准确的判断。下图是螺栓实际检测的示意图,其中椭圆区域为缺陷显示。
4 结语
超声相控阵检测界面S型扫描与A、B、C、D型扫描相结合,可以灵活而有效地控制声束,完善缺陷表征信息,实时获得并存储缺陷三维数据,实现检测结果的永久性保存。超声相控阵技术的优势性特点在众多富有挑战性检测中的成功应用,使之成为无损检测的重要方法之一,具有广阔的应用与发展前景。
关键词:相控阵检测 扇形扫查 三维数据
中图分类号:TG4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0072-01
超声相控阵是一种成像检测新技术,其产生始于20世纪60年代,初期主要应用于医学领域,为人体器官成像。随着电子技术与计算机技术的发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,尤其在核工业与航空技术领域取得了很多技术上的突破,解决了很多传统无损检测方法无法解决的难题。最近几年,超声相控阵技术发展迅速,在系统设计、过程仿真、算法研究等方面均取得一系列成就。可以说,超声相控阵技术已经成为一门独立的无损检测新技术学科,越来越广泛地应用于科学研究与生产实践。
1 超声相控阵技术基本原理
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理,换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序排列。用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束。因此与传统超声检测技术相比,相控阵技术具有以下优势:a.通过软件电子控制波束可提高检测能力,用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度;b.不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决尺寸和空间限制问题的有效手段;c.优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性;d.原生数据丰富,便于多次分析,还原检测过程及被测体空间特征。
2 超声相控阵设备与探头
近年来随着技术的不断发展,相控阵检测设备的体积和重量在不断减小,从本世纪初期的几十公斤到目前的几公斤。设备的功能也在不断完善,目前多采用扇形扫查(S型扫查)界面,并辅以A、B、C、D型扫查方式,检测人员可以根据需要自由选择多种组合,使缺陷在工件中的空间特征一目了然,为缺陷准确定位、定性、定量创造了有利条件。
探头是相控阵设备的核心部件,晶片的数量从16个发展到今天的256个以上,按其晶片形式可分为线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟,具有加工容易、控制电路简单、容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。目前已有含256个单元的线阵(N×1),可满足多数情况下的应用要求;面阵又叫二维阵列(N×M),可对声束实现三维控制,对超声成像及提高图像质量大有益处。
3 超声相控阵检测技术应用实例
3.1 钢板对接焊缝的超声相控阵检测
检测对接焊缝是相控阵技术最典型的应用。检测时探头无需像常规超声那样在焊缝两侧频繁地作锯齿形扫查,只需在平行于焊缝的方向作水平移动。检测前同样需要对系统进行校准。根据检测对象的尺寸及材质,确定好探头与楔块,在标准试块(如ⅡW试块等)上对声速、楔块的延迟、检测灵敏度及系统的综合线性进行校准。在校验试块中应设有适当数量的多种人工缺陷,以确保整个焊缝体积以及热影响区都能被检测到。此外,还应对编码器进行位置校准,当扫查装置移动300mm时,一般认为误差不应超过3mm。
常见焊缝坡口形式有X型、K型、V型等,这里以V型坡口为例,说明声束传输的空间形态。图1表示超声相控阵探头声束扫查焊缝的截面图。当使用直射法(即一次波或半跨距)检测时,焊缝仅下半部被声束扫查到;用底波一次法(即二次波或全跨距)检测时,声束就能覆盖整个焊缝截面。比如图1中A点,只能被二次波检测到。焊缝检测中相控阵探头的扫查角度为30°~70°,在仪器检测界面,使用2.5倍厚度左右的检测范围,整个焊缝体积就能显示在一个单一图像中。
3.2 管道环焊缝的超声相控阵检测
管道环焊缝的检测需求极大地推动了超声相控阵技术的蓬勃发展,相控阵技术发展初期也是期望于在管道环焊缝的检测中实现自动化,目前管道环焊缝自动化检测技术已经成熟,充分体现了相控阵检测不可替代的优越性。相比于常规超声检测,在管道环焊缝的检测中相控阵技术的优越性除了体现在探头角度方面外,更体现在自动化检测方面。管道焊缝一般较薄,对探头尺寸和角度的要求非常挑剔,使用常规手动超声波检测效率很低。引入超声相控阵自动检测装置后,只要将轨道安装在合适的位置,在爬行装置、编码装置及探头分工协作下,瞬间即可完成整个圆周的检测,并完成检测图谱的实时存储,检测效率可提高數倍。检测时对管道表面的光洁度、管道的圆度、焊缝表面成形有很高要求。
3.3 钢锻件的的超声相控阵检测
常规超声波检测钢锻件时,不宜出现螺纹、键槽、销孔等不利于检测的结构形式,然而在在役检测中,这些不利因素的存在却在所难免。使用相控阵技术很多时候可以解决这些问题。以螺栓为例,在加工出螺纹后,常规超声检测很难区分螺纹回波与螺纹底部裂纹产生的回波;同时直探头对裂纹反射的灵敏度不高,且移动空间较小。采用超声相控阵技术可以很好地克服这些困难,缺陷的类型及分布能够直观地显示,有助于检测人员作出准确的判断。下图是螺栓实际检测的示意图,其中椭圆区域为缺陷显示。
4 结语
超声相控阵检测界面S型扫描与A、B、C、D型扫描相结合,可以灵活而有效地控制声束,完善缺陷表征信息,实时获得并存储缺陷三维数据,实现检测结果的永久性保存。超声相控阵技术的优势性特点在众多富有挑战性检测中的成功应用,使之成为无损检测的重要方法之一,具有广阔的应用与发展前景。