張翔龍

（海裝廣州局，云南 昆明 650000）

0 引言

近年來，隨著各型產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)改型優(yōu)化，工藝中焊縫結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，常規(guī)無損檢測方法（如：X射線）逐漸暴露出檢測角度單一、檢測數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)、檢測效率低等問題[1-2]。因此探索最佳檢測方法及工藝，有效檢測出焊縫中的危害性缺陷成為當(dāng)務(wù)之急。超聲相控陣檢測技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的超聲檢測技術(shù)，該技術(shù)通過對換能器陣列不同單元在發(fā)射或接收聲波時施加不同的時間延遲規(guī)則，實現(xiàn)超聲聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能。與傳統(tǒng)超聲檢測相比，該技術(shù)可不用柵格移動探頭情況下實現(xiàn)整個焊縫及熱影響區(qū)快速、多角度、全聚焦成像檢測，極大地提高了檢測效率及缺陷檢出率[3-6]。鑒于該技術(shù)的特點及優(yōu)勢，本文以使用該技術(shù)檢測某型產(chǎn)品焊縫質(zhì)量為例，介紹了超聲相控陣技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接焊縫檢測中的典型應(yīng)用，為該技術(shù)在類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢測中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 超聲相控陣技術(shù)簡介

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣技術(shù)是通過對換能器陣列不同單元在發(fā)射或接收聲波時施加不同時間延遲規(guī)則，實現(xiàn)超聲聲束移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測技術(shù)。相控陣超聲檢測系統(tǒng)主要由換能器陣列和控制單元組成，換能器陣元按照一定的規(guī)則進行排列，具有獨立的收/發(fā)控制模塊[7]。相控陣超聲發(fā)射及信號接收如圖1 所示。

超聲相控陣有別于常規(guī)超聲的3個主要方面為：換能器陣列、聚焦法則、超聲成像技術(shù)（如圖 2）[8]。當(dāng)換能器處于發(fā)射狀態(tài)時，控制單元按照一定的延時規(guī)律，控制發(fā)射超聲波束的聚焦和指向，主要通過控制換能器各陣元的發(fā)射延時時間，實現(xiàn)檢測聲束在一定范圍內(nèi)的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦。換能器接收過程同樣遵守上述幾何聚焦延遲規(guī)律，與換能器的發(fā)射狀態(tài)是互逆過程。檢測中，聲束按照一定的規(guī)律在介質(zhì)中進行傳播，當(dāng)介質(zhì)中缺陷處聲阻抗發(fā)生變化時，會產(chǎn)生一定聲強的反射信號。該點到達(dá)換能器陣列中各陣元的路徑不同，從而導(dǎo)致該點處產(chǎn)生的反射信號到達(dá)各陣元時間存在一定的差異。各陣元按照設(shè)定的延遲量 Δt對回波信號進行延時求和，使來自缺陷的回波信號實現(xiàn)同相，達(dá)到增強的目的，實現(xiàn)接收聚焦。

圖1 相控陣檢測原理圖Fig.1 Detection principle diagram of phased array

圖2 換能器陣列、波束偏轉(zhuǎn)、超聲成像Fig.2 Transducer array，beam deflection，and ultrasound imaging

1.2 超聲相控陣發(fā)展及目前評判標(biāo)準(zhǔn)

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，90年代后期小型便攜式超聲相控陣設(shè)備研制成功，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、電力、核工業(yè)等領(lǐng)域，如航空航天特種焊縫檢測、飛機機身腐蝕C掃描檢測、化工加氫反應(yīng)器特殊焊縫及位置檢測、大型渦輪葉片根部裂紋檢測、核容器大厚板異種鋼焊縫檢測、長距離石油天然氣輸送管線對接焊縫檢測等。目前國外已制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例發(fā)表（見表 1）。美國機械工程師協(xié)會（ASME）標(biāo)準(zhǔn)已將超聲相控陣列入計算機成像技術(shù)，對焊縫手工相控陣超聲檢測批準(zhǔn)了5個案例[9-10]，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）E2491及E2700等標(biāo)準(zhǔn)對相控陣技術(shù)的原理、工藝等進行了相應(yīng)規(guī)定，并給出了相關(guān)應(yīng)用案例[11-12]。GB/T 32563是國內(nèi)首部超聲相控陣檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對超聲相控陣檢測方法及工藝設(shè)計等進行了規(guī)范[13]。

表1 超聲相控陣技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Relevant standards of ultrasound phased array technology

2 超聲相控陣技術(shù)在鋁合金筒體焊縫檢測中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)無損檢測方法存在的不足

某型產(chǎn)品采用雙層式內(nèi)附加強筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼體分別為七系及五系鋁合金，在生產(chǎn)過程中需要對異種鋁合金進行環(huán)焊及縱焊，焊縫及位置分布見圖3，筒體中檢測難點為環(huán)焊縫，環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 焊縫位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of weld position

圖4 環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of girth weld structure

對于上述鋁合金筒體焊縫，目前采用的 X射線檢測存在下列問題：

1）縫板壁厚大，導(dǎo)致檢測對比度降低，缺陷走向影響了檢出率，X射線無論從圖4中1-3任意方向透照都很難檢測出坡口處的未熔合缺陷；

2）筒體內(nèi)壁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，背面焊縫形狀不規(guī)則，降低了焊縫中小缺陷的檢出率，根部位置缺陷判別極為困難。

若采用常規(guī)超聲進行檢測會存在以下問題：

1）常規(guī)超聲使用單晶片探頭，入射角度單一，缺陷檢出率較低，若想提高缺陷檢出率，必需增加掃查次數(shù)并使用更多角度的探頭，導(dǎo)致檢測效率降低；

2）接觸式常規(guī)超聲為非聚焦檢測，對于尺寸較小的缺陷容易漏檢；

3）常規(guī)超聲不能成像，由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，背部余高形狀不規(guī)則，檢測中各種信號干擾使缺陷判讀較為困難，極易造成缺陷漏判及誤判。

2.2 超聲相控陣技術(shù)相比于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)技術(shù)，超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢如下。

1）靈活：可實現(xiàn)波束聚焦、偏轉(zhuǎn)及線性移動，檢測角度較為多樣；

2）準(zhǔn)確：使用波束偏轉(zhuǎn)、聚焦功能提高缺陷檢出率及信噪比，檢測結(jié)果更準(zhǔn)確；

3）完整：能定制小探頭或自行設(shè)計探頭及楔塊，可檢測到常規(guī)超聲方法不能或不易檢測到的區(qū)域；

4）快速：電子掃描提高檢測效率；

5）易判：多種成像顯示方式，檢測結(jié)果更易于判讀；

6）記錄：數(shù)據(jù)保存后可進行多次檢測數(shù)據(jù)重復(fù)對比，追溯性強。

針對該鋁合金筒體焊縫常規(guī)無損檢測方法存在的問題，采用超聲相控陣方法進行檢測可以得到有效解決。

1）超聲相控陣多角度掃查可以有效檢測出兩側(cè)坡口位置的未熔合缺陷，當(dāng)焊縫兩側(cè)不等厚時，采用超聲相控陣多角度扇掃可極大提高坡口未熔合及焊縫中各種缺陷的檢出率及檢測效率，如圖5所示；

2）超聲相控陣聚焦功能提高了信噪比，同時也提高了根部及焊趾處微小裂紋的檢出率；

3）超聲相控陣的集成化功能可將焊縫外形內(nèi)置于軟件中，缺陷判讀時只需關(guān)注焊縫及熱影響區(qū)域即可，對于其他區(qū)域的信號可作為缺陷判別的輔助信號，大大提高了缺陷判別的準(zhǔn)確性。

圖5 超聲相控陣角度波束缺陷響應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of angular beam defect response of ultrasound phased array

2.3 檢測結(jié)果比對

此次對該裝備環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的檢測參考了ASTM E2700—2009標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，使用OLYMPUS的OMNISCAN-MX2超聲相控陣儀器，5 MHz 及10 MHz相控陣探頭，折射角55°相控陣楔塊，一次激活 16晶片，采用 40°～70°橫波斜入射，為保證焊縫及熱影響區(qū)聲束全覆蓋，使用CIVA仿真軟件進行聲速覆蓋仿真。

為方便檢測結(jié)果對比，分別使用超聲相控陣及X射線方法對鋁合金筒體一條環(huán)焊縫進行了檢測，整條環(huán)焊縫相控陣檢測數(shù)據(jù)分為4段，編號為1-4。對應(yīng)于每段相控陣檢測數(shù)據(jù)，X射線分4張檢測底片，整條環(huán)焊縫檢測結(jié)果對比見表2。

由表 2數(shù)據(jù)對比可知：對于坡口未熔合缺陷，檢測結(jié)果與實際缺陷具有較好的一致性；超聲相控陣能夠有效檢測出鋁合金筒體復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫坡口處的未熔合缺陷，且對于焊縫中其它缺陷的檢出率，超聲相控陣檢測方法也遠(yuǎn)高于 X射線。

表2 環(huán)焊縫超聲相控陣與X射線檢測結(jié)果對比匯總Table 2 Comparison and summary of ultrasonic phased array and X-ray detection results of girth weld

3 超聲相控陣檢測目前存在的問題

從以上應(yīng)用可以看出，超聲相控陣技術(shù)對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測具有巨大優(yōu)勢，但受制于該技術(shù)發(fā)展起步時間晚的因素，在工程應(yīng)用中還存在以下需解決的問題：

1）針對不同位置焊縫需要制作專用的楔塊、對比試塊及掃查工裝，制作復(fù)雜程度高，難度較大；

2）國內(nèi)現(xiàn)有的GB/T 32563—2016只對檢測方法進行了規(guī)范，檢測標(biāo)準(zhǔn)及驗收準(zhǔn)則尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，缺陷評判只能參考北美技術(shù)規(guī)范等文件或憑檢測人員經(jīng)驗判斷，結(jié)論權(quán)威性和準(zhǔn)確性還有待進一步提高；

3）目前各行業(yè)檢測數(shù)據(jù)樣本不足，焊縫缺陷圖譜尚未形成，導(dǎo)致缺陷定性較困難，對焊縫等級評定造成影響；

4）超聲相控陣檢測對人員及技術(shù)要求高，普及性及適應(yīng)性還有待進一步發(fā)展。

4 在焊接質(zhì)量評判應(yīng)用上的思考

如上文所述，超聲相控陣技術(shù)是近年來隨著制造業(yè)快速發(fā)展而興起的無損檢測新技術(shù)，該技術(shù)具有常規(guī)無損方法無法比擬的諸多優(yōu)勢，且已在各行業(yè)形成眾多成功應(yīng)用案例。從產(chǎn)品質(zhì)量評判角度看，可為提出產(chǎn)品研制質(zhì)量要求和保持批產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)揮巨大作用。但縱觀各類新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用歷程，目前該技術(shù)在產(chǎn)品的中應(yīng)用還有一些亟待解決的實際問題，必須從整個項目策劃的高度和要求，合理合法推動新技術(shù)在產(chǎn)品研制生產(chǎn)中的應(yīng)用，真正使新技術(shù)的應(yīng)用為行業(yè)發(fā)展盡其所長。

1）要注意普遍運用和個別運用的區(qū)別。任何一種檢測手段和方法有其所長，也必有其所短，對于新興檢測手段，一定要從檢測的原理、方式、適用性出發(fā)，進行必要性論證，確實需要的選取產(chǎn)品研制或生產(chǎn)過程中合適的時機、樣本開展。既不能以偏概全，把原有的檢驗手段和方式替換為新技術(shù)，也不能避而不用，喪失了獲取更精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的機會。

2）要避免小批量樣本數(shù)據(jù)對評判標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生偏移。目前，對于新技術(shù)的運用，諸多領(lǐng)域尚缺乏眾多的樣本數(shù)以積累形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在這樣的背景下，新技術(shù)的應(yīng)用所得出的結(jié)果就成為了小批量樣本數(shù)據(jù)，在評判標(biāo)準(zhǔn)上大多參照理論設(shè)計數(shù)值或參考其它類似標(biāo)準(zhǔn)，且受制于相信新技術(shù)的慣性思維，容易給檢測結(jié)果的評判造成人為偏差。

3）要結(jié)合進度經(jīng)費合理安排新技術(shù)應(yīng)用。新技術(shù)的應(yīng)用固然能提高檢測精度、降低人工成本，但受限于檢測設(shè)備的數(shù)量、場地以及檢測過程中特殊工裝及輔料成本，難免在實施起來需要耗費大量的時間做準(zhǔn)備工作；在未全面普及以前，經(jīng)費上相對傳統(tǒng)檢測手段也要高出很多。所以，在整個項目中如何既能讓新技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢而又不耽誤進度、如何獲取更為精準(zhǔn)科學(xué)的數(shù)據(jù)而又不浪費項目資源，這是在策劃之始就應(yīng)考慮的問題。

5 結(jié)束語

本文介紹了超聲相控陣技術(shù)的原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過超聲相控陣和 X射線方法對某型產(chǎn)品鋁合金筒體一條環(huán)焊縫的檢測對比，說明了超聲相控陣檢測技術(shù)的優(yōu)勢，并指出目前技術(shù)和應(yīng)用上存在的問題，為超聲相控陣檢測技術(shù)的進一步發(fā)展提供指導(dǎo)。