相控陣超聲檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

相控陣超聲檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1超聲無損檢測系統(tǒng)的應(yīng)用相控制超聲波檢測作為一種獨特的技術(shù)，在21世紀初進入成熟階段。上世紀80年代初,相控陣超聲波技術(shù)從醫(yī)療領(lǐng)域躍入工業(yè)領(lǐng)域。80年代中期,壓電復(fù)合材料的研制成功,為復(fù)合型相控陣探頭的制作開創(chuàng)新途徑。90年代初,歐美將相控陣技術(shù)作為一種新的無損評價(NDE)方法,編入超聲檢測手冊和無損檢測工程師培訓(xùn)教程。自1895年至1992年,該技術(shù)主要用于核反應(yīng)壓力容器(管接頭)、大鍛件軸類,及汽輪機部件的檢測。壓電復(fù)合技術(shù)、微型機制、微電子技術(shù)、及計算機功率(包括探頭設(shè)計和超聲波與試件相互作用的模擬程序包)的最新發(fā)展,對相控陣技術(shù)的完善和精細化都有卓著貢獻。功能軟件也使計算機能力大大增強。相控陣超聲波技術(shù)用于無損檢測,最先是為動力工業(yè)解決下列檢測問題:①要用單探頭在固定位置檢出不同位置和任意方向的裂紋;②要對檢測異種金屬焊縫和離心鑄造不銹鋼焊縫提高信噪比和定量能力;③要提高聲束掃查可靠性;④要對難以接近的受壓給水反應(yīng)器或沸水反應(yīng)堆部件進行檢測;⑤要縮短在用設(shè)備維修檢測時間,提高生產(chǎn)效率;⑥要檢測和定量形狀復(fù)雜的汽輪機部件中的應(yīng)力腐蝕小裂紋;⑦要減少在用檢測人員射線吸收劑量;⑧要對一些臨界缺陷(不論缺陷方向)提高檢測、定位、定量和定向精度;⑨要對“合乎使用”(或稱“工程臨界評定”或“壽命評價”)檢測提供易于判讀的定量分析報告。在其他工業(yè)領(lǐng)域,如航空航天、國防、石油化工、機械制造等,對超聲無損檢測也都有類似的改進和強化需求。一般都集中在相控陣超聲技術(shù)的一些主要優(yōu)點上,即:①速度快:相控陣技術(shù)可進行電子掃描,比通常的光柵掃描快一個數(shù)量等級;②靈活性好:用一個相控陣探頭,就能涵蓋多種應(yīng)用,不象普通超聲探頭應(yīng)用單一有限;③電子配置:通過文件裝載和校準(zhǔn)就能進行配置,通過預(yù)置文件就能完成不同參數(shù)調(diào)整;④探頭小巧:對某些檢測,可接近性是“攔路虎”,而對相控陣,只需用一小巧的陣列探頭,就能完成多個單探頭分次往復(fù)掃查才能完成的檢測任務(wù)。十年前,相控陣超聲技術(shù)在工業(yè)上已鋒芒畢露。便攜式相控陣探傷儀的推出,更是倍受青睞:儀器可單人現(xiàn)場操作,數(shù)據(jù)實時傳送、遠程分析。最近,國內(nèi)大專院校和研究所及電子儀器設(shè)備制造公司,也在投注力量,加速研制,使國產(chǎn)相控陣儀器早日問世。2超聲波相位控制矩陣的原理2.1超聲檢測原理超聲波是由電壓激勵壓電晶片探頭在彈性介質(zhì)(試件)中產(chǎn)生的機械振動。工業(yè)應(yīng)用大多要求使用0.5MHz～15MHz的超聲頻率。常規(guī)超聲檢測多用聲束擴散的單晶探頭,超聲場以單一折射角沿聲束軸線傳播,其聲束擴散可能是對檢測方向性小裂紋唯一有利的“附加”角度。假設(shè)將整個壓電晶片分割成許多相同的小晶片,令小晶片寬度e遠小于其長度W。每個小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源,這些線狀波源的波陣面就會產(chǎn)生波的干涉,形成整體波陣面。這些小波陣面可被延時并與相位和振幅同步,由此產(chǎn)生可調(diào)向的超聲聚焦波束。2.2超聲聚焦波束的檢測超聲相控陣技術(shù)的主要特點是多晶片探頭中各晶片的激勵(振幅和延時)均由計算機控制。壓電復(fù)合晶片受激勵后能產(chǎn)生超聲聚焦波束,聲束參數(shù)如角度、焦距和焦點尺寸等均可通過軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的,能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋。這些裂紋可能隨機分布在遠離聲束軸線的位置上。用普通單晶探頭,因移動范圍和聲束角度有限,對方向不利的裂紋或遠離聲束軸線位置的裂紋,很易漏檢(見圖1)。2.3脈沖寬度預(yù)處理在發(fā)射過程中,探傷儀將觸發(fā)信號傳送至相控陣控制器。后者將信號變換成特定的高壓電脈沖,脈沖寬度預(yù)先設(shè)定,而時間延遲由聚焦律界定。每個晶片只接收一個電脈沖,所產(chǎn)生的超聲波束有一定角度,并聚焦在一定深度。該聲束遇到缺陷即反射回來。接收回波信號后,相控陣控制器按接收聚焦律變換時間,并將這些信號匯合一起,形成一個脈沖信號,傳送至探傷儀。2.4換能器上的回波信號為產(chǎn)生相位上有相長干涉的聲束,用有微小時差的電脈沖分別激勵陣列探頭各單元(晶片)。來自材料中某一焦點(如缺陷等)的回波,以可計算的時差返回各換能器單元,見圖2。在信號匯合前,各換能器單元上的接收回波信號均有時差。信號匯合后形成的A-掃描圖形,顯示了材料中某一焦點的回波特性,也顯示了材料中其它各點不同衰減的回波特性。聲束垂直和傾斜入射時的聚焦原理示于圖3。每個單元上的延時值取決于相陣列探頭上激勵單元的“窗口”尺寸、波型、折射角和聚焦深度。2.5陣列位置掃描計算機控制的聲束掃描模式主要有以下三種:(1)電子掃描(又稱E掃描):高頻電脈沖多路傳輸,按相同聚焦律和延時律觸發(fā)一組晶片(圖4);聲束則以恒定角度,沿相陣列探頭長度(所謂“窗口”)方向進行掃描,這相當(dāng)于用常規(guī)超聲換能器為腐蝕檢測作光柵掃描或作橫波檢驗。用斜楔時,對楔內(nèi)不同延時值要用聚焦律作修正。(2)動態(tài)深度聚焦(簡稱DDF):超聲束沿聲束軸線,對不同聚焦深度進行掃描。實際上,發(fā)射聲波時使用單個聚焦脈沖,而接收回波時則對所有編程深度重新聚焦(圖5)。(3)扇形掃描(又稱S掃描,方位掃描或角掃描):使陣列中相同晶片發(fā)射的聲束,對某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動;而對其它不同焦點深度,可增加掃描范圍。扇形掃描區(qū)大小可變。3相控制矩陣延遲法或集中法3.1單元延遲和激勵單元的影響無斜楔探頭(即與試件直接接觸的探頭)由程控產(chǎn)生的縱波,按聚焦律延時結(jié)果,對聚焦深度呈一拋物線狀。自探頭邊緣向中心移動,延時值由小而大。焦距倍增,則延時值減半(圖5)。陣列單元芯距增大,則單元延時值線性增大(圖6)。探頭無斜楔而聲束偏轉(zhuǎn)成扇形(有方位角)時,在等同單元上的延時取決于激勵單元在陣列窗口(主動窗,Activeaperture)中的位置,也取決于產(chǎn)生的聲束角度(圖7)。延時值隨聲束折射角和激勵晶片數(shù)而增大。3.2ple與斜叉根據(jù)沿特定路徑到達時間最短的費馬原理(Fermat’sprinciple),裝在斜楔上的相控陣探頭能給出產(chǎn)生不同聲束形狀的延時律(圖8)。延時值取決于激勵單元位置和程控折射角。其他型式的相控陣探頭(如矩陣或圓錐形),可能需要對延時律數(shù)值、對聲束形貌評價設(shè)定高級模式。3.3精確控制控制在所有情況下,陣列中每個晶片上的延時值均需精確控制。最小延時增量決定了探頭最高可用頻率,后者由下式界定,即:nfcnfc式中n—陣列單元數(shù)fc—中心頻率4相控制矩陣系統(tǒng)的基本組成相控陣儀器的基本掃描系統(tǒng)主要組成見圖9。5相位控制單元的基本掃描和圖像5.1超聲檢測顯示在機械驅(qū)動的掃描過程中,數(shù)據(jù)采集按編碼器位置,而數(shù)據(jù)顯示則呈現(xiàn)不同的視圖(包括C顯示、B顯示、S顯示和CT顯示等),以供缺陷分析評定。通常,相控陣使用多重A掃描疊加顯示(也稱B掃描顯示)。這些A顯示是由相控陣探頭各壓電小晶片(單元)產(chǎn)生的,與之相應(yīng)的聲束角度、聲傳播時間和延時值各各不同。與A掃描總數(shù)相應(yīng)的實時信息,是在某一探頭位置獲得的,顯示為扇形掃描圖(即S掃描圖),或電子B掃描圖。S掃描和電子掃描均能產(chǎn)生整體檢測圖像,由此可快速獲取超聲波在所有方位檢測到的試件形貌或缺陷相關(guān)信息(見圖10)。將試件數(shù)據(jù)標(biāo)繪在二維(平面)圖即所謂“校正的S掃描圖”上,能使超聲檢則結(jié)果的分析和評定簡單明了。S掃描有以下優(yōu)點:①能在掃描過程中顯示圖像;②能顯示實際深度;③能由二維顯示再現(xiàn)體積。5.2人工缺陷檢測掃描在探頭移動過程中,將線掃描、S掃描與多角度掃描組合一起,就能改進成像結(jié)果。S掃描顯示與其他視圖相結(jié)合,可構(gòu)成缺陷成像圖或識別圖。圖11表示對四種不同形狀的人工缺陷(角槽、球孔、柱孔和橫孔),進行相控陣檢測的掃描示圖,缺陷形狀尺寸與B掃描顯示結(jié)果,兩者關(guān)系一目了然。相控陣檢測時,陣列探頭幾乎不用前后來回移動,就能用縱波和橫波對試件橫截面進行組合掃描,這對方向性缺陷的檢測和定量非常有利(見圖12)。按圖中布置,只要通過計算機軟件按延時律移動陣列“主動窗”,就能使超聲波束對方向性缺陷的檢測和定量角度達到最佳狀態(tài),獲取最佳顯示。5.3圓形聚焦聲束識別圓柱形、橢圓形或球面狀聚焦聲束有較高信噪比(即缺陷識別能力強),且傳播聲束比擴散聲束窄小。圖13表示用圓柱形聚焦聲束識別一簇小孔的C掃描和B掃描圖形。實時掃描可結(jié)合探頭移動,數(shù)據(jù)則歸并成單個視圖(見圖14)。其優(yōu)點是:①檢測重復(fù)性高;②缺陷定位方便;③圖像標(biāo)繪精確;④缺陷成像直觀。圖15表示對體積狀缺陷作多次扇形掃描所輸出的“切片”圖。每個切片展示不同位置的缺陷斷面。此類切片頗似對缺陷作定量表征分析的金相切片。6掃描三種形式(1)超聲相控陣探頭晶片(單元)的激勵(振幅和延遲)均由計算機控制,聲束角度、焦距、焦點等參數(shù)可通過預(yù)置軟件進行調(diào)整。(2)改變陣列組合單元的延時值,可改變聲束聚焦深度,改變聲束角度,也能改變波型,由此可對方向性缺陷獲得最佳檢測和定量結(jié)果。(3)計算機控制的掃描模式有電子掃描(線掃描)、動態(tài)聚焦掃描和扇形掃描三種,應(yīng)根據(jù)檢測對象特點和檢測目的適當(dāng)選用。(4)無斜楔相控陣探頭作直探傷時,聚焦深度呈拋物線型,陣列單元激勵延時值相關(guān)于焦距和陣列單元芯距:焦距倍增,延時量減半;單元芯距增大,延時量線性增大。(5)無斜楔相控陣探頭作斜探傷時,發(fā)射扇形聲束,陣列單元激勵延時值取決于所需聲束折射角,也取決于陣列單元在相控陣探頭“主動窗”中的位置:折射角大,激勵單元數(shù)多,則延時量大。(6)有斜楔相控陣探頭,具有給出不同聲束形狀的延遲律,延時值取決于陣列單元位置和程控折射角。(7)相控陣超聲檢測可通過四種形式顯示結(jié)果:B顯示(橫斷面),C