超声相控阵探伤在传统超声探伤技术上的突破

钟德煌

(GE 检测科技 ,上海, 200233)

摘要:摘要:介绍了相控阵探伤仪的基本原理,通过与传统超声检测技术对比,在实验的基础上分

析了便携式相控阵探伤仪在超声检测技术上的突破点,总结了相控阵探伤仪在超声检

测中取得的成果. 主题词:主题词: 相控阵技术, 超声探伤仪, 超声检测, 便携式

The creative development of portable phased array

instrument for ultrasonic inspection instrument for ultrasonic inspection technology technology

Zhong Dehuang, Zheng Panzhong

(GE Inspection Technologies,Shanghai,200233)

Abstract: The basic principle of phased array instrument is introduced in this paper. Compared with traditional ultrasonic inspection technology and based on the experiment, the creative development of portable phased array instrument is analyzed. Summarized the achievement of phased array instrument for ultrasonic inspection technology.

Key words: ey words: Phased array technology, Ultrasonic instrument, Ultrasonic inspection, Portable

1, 引言

近年来, 由于材料技术、电子技术,数据处理技术等多种高新技术在超声相控阵技术上的应用,使得超声相控阵检测技术得以快速发展,并广泛应用于工业无损检测,如对气轮机叶片(根部) ,涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域.

目前,GE公司推出了便携式相控阵探伤仪 Phasor XS ,使相控阵检测技术在无损检测中得到很大的推广.该仪器将相控阵技术用于便携式超声探伤仪, 使其能适用于各种检测环境, 与传统超声探伤仪相比, 其功能与性能有很大的飞跃.本文将主要分析便携式相控阵探伤仪在传统超声检测技术上的突破[1].

2, 便携式相控阵探伤仪基本原理

便携式相控阵探伤仪主要包括相控阵主机和相控阵探头,相控阵探头由多晶片(如8,16,32或)组成，每个晶片形成一个发射/接收阵元,然后通过发射电路激发多个晶片,组成一个虚拟探头.控制各晶片的激发延迟时间，可以改变各个阵元发射或者接收超声波的相位关系，形成相位差,从而实现对超声束方向和焦点的控制,得到所须的声束(如图1).通过依次激发相同的晶片组序列能够实现各种电子扫描(如图2),如 B扫描,扇形扫描等.

图1, 8晶片组成一个虚拟探头 图2,电子的方式实现电子扫描

3, 便携式相控阵探伤仪在传统超声探伤技术上的突破 便携式相控阵探伤仪跟传统超声探伤仪相比,其主要有以下两方面的突破:

(1), 通过图像的形式直观地显示缺陷, 图像对缺陷的显示分辨率和灵敏度都非常 高,而传统探伤仪都是通过A扫描波形显示缺陷 .

(2), 超声声束折射后为扇形区域,并且范围可根据需要调整(如35°至75°),而传统的超声探头声束折射角都是固定的.这将极大地提高检测效率和节省成本.

为了测试相控阵探伤仪的性能,体现相控阵技术的优越性,专门设计了针对相控阵探伤仪的标准试块,试块的侧面图和俯视图如图3所示[2],试块的材料为铝.本文中用于做实验的相控阵探伤仪为GE检测科技的Phasor XS , 斜探头为32晶片相控阵探头,仪器虚拟探头设置为16晶片,电子扫描步距为1.直探头为晶片相控阵探头, 仪器虚拟探头设置为16晶片,电子扫描步距为1,如图4所示.

mm刻槽 0.1,0.2,0.3,0.4 φ50圆弧面 2mm横通孔 φ100圆弧面

区域1 横通孔φ1

图3 相控阵探伤仪性能测试试块

2mm平底孔,3mm深 图4, 相控阵仪器及探头 3.1 相控阵探伤仪的显示方式

相控阵探伤仪的显示方式与传统超声探伤仪的显示方式相比,相控阵探伤仪的主要特点是其能够通过图像的形式直观地显示缺陷,而不像传统超声探伤仪只能通过A扫描波形显示缺陷.相控阵探伤仪的显示方式主要有扇形,B扫描等显示方式.

扇形扫描显示主要是将各个角度的超声信号以图像的形式同时显示出来,如图5所示,该图为探头在图3试块位置处所得的扇形扫描图像,显示范围为两条直线所覆盖的扇形区域,它显示了40°至70°范围内的折射声束,它实质上是将40°至70°范围内的A扫描波形以颜色的形式显示出来,形成一幅图像.

仪器将A扫描波形的幅度用颜色条对其量化,如图5右侧的颜色条,波形的幅度为0将用深蓝色表示.波形幅度为100%, 则用红色表示, 这样, 不同幅度都对应了一种颜色, 能够将A扫描波形通过颜色表示出来.图像中的斜线表示的是42度折射角对应的声束, 该斜线的角度可调且对应的角度显示在图像的右上角, 其对应的A扫描波形也能在图像左侧相应的显示出来.在该图像中显示了图3区域1范围内的12个φ1横通孔, 其中9个为相邻分布间距为2mm的横通孔, 在图像中基本上能清晰的区分8个横通孔, 另一个横通孔不能清晰显示出来主要是有两个横通孔在同一声轴线上.另外图像中也清晰的显示了三个垂直分布间距为1mm的φ1横通孔.从该图中可以看出相控阵探伤仪能够将缺陷非常直观的显示出来, 并且对缺陷具有很高的灵敏度和分辨率.

φ1横通孔 42度声束对应的A扫描波形 42度声束 颜色条 3个间距为1mm的垂直φ1横通孔

图 5 相控阵扇形扫描图

B扫描图像以工件的水平位置为X轴, 以工件的深度为Y, 将各深度位置处回波幅度以颜色的形式显示出来, 如图6所示B扫描图像为相控阵直探头在图3 试块区域2位置得到的φ2平底孔图像, 平底孔距底面的距离分别为4, 6,8,10 mm. 从图像中可以清晰的显示4个平底孔.

各位置始波图像 距离底面4,6,8,10mm 的φ2平底孔图像 底面图像

图 6 相控阵B扫描图

3.2 相控阵探伤仪检测焊缝扫查方式

传统的超声探伤技术中,斜探头通常为一固定角度, 检测焊缝时,为了使超声覆

盖整个焊缝区域,避免漏检,检测时探头通常为锯齿形扫查方式,而对于一些厚板焊缝检测,通常需要更换不同角度的探头对焊逢作锯齿形扫查[3].由于相控阵技术能同时产生一个角度范围内的超声束, 办如40°至70°, 因此相控阵斜探头超声覆盖的范围远大于传统超声斜探头, 如图7所示, 相控阵斜探头在一个位置就能覆盖整个焊缝, 因此, 通过相控阵探伤仪检测焊缝时只需线性扫查就能检测完整个焊缝, 这将大大提高检测效率, 特别是对于厚板焊缝检测时更能体现其优越性[4]. 图7 为一焊缝检测图像,当仪器中的厚度参数设置为焊缝板厚时,图像中有三根水平直线,图中1,2,3所示,图中1处表示焊缝下表面,该直线以上为超声一次回波检测区域,2处表示焊缝上表面,1和2之间区域即为二次回波检测区域,2和3之间为三次回波检测区域.因此我们可以很方便的判断出图像中的缺陷信号和几何结构信号. 几何结构信号都是分部在上下表面处,图中的缺陷信号很容易判断为二次

回波所检测到的缺陷,缺陷的深度和其距离探头前沿的距离都能直接显示出来.该缺陷位于焊缝上表面附近. 用相控阵探伤仪对图3试块的刻槽区域进行扫查,显示的图像如图7所示,该图像清晰的显示四条0.1,0.2,0.3,0.4 mm 深的刻槽,且能看出该四条刻槽位于试块下表面.

图 7, 焊缝检测图

图8, 试块刻槽显示图像

4, 总结

通过实验可以看出,相控阵探伤仪能够通过图像的形式直观地显示缺陷, 由于

相控阵探伤仪产生的声束可为扇行区域,探头在一个位置其检测的范围远大于传统超声探伤仪,对于焊缝检测能用线性扫查取代传统的锯齿形扫查,这将极大地提高检测效率.对于结构复杂的工件, 由于相控阵声束范围大, 且探头直径小, 这也能体现其优越性. 然而由于缺陷具有很强的方向性,且受声束直径和晶片尺寸的影响,图像显示的缺陷尺寸大小跟实际的缺陷尺寸仍有一定的差距, 通过缺陷图像直接对缺陷进行定量仍存在困难, 这也是国际上超声相控阵技术研究的热点.另外, 相控阵探伤仪的C扫描功能将在今后作进一步阐述.

参考文献 参考文献

[1] 单宝华, 喻言, 欧进萍 超声相控阵检测技术及其应用[J],无损检测, 2004,Vol.26 No.5

[2] Stefan Kierspel, Ted Ballenger, Michael Berke IS THERE REALLY ANY VALUE TO MULTIPLE ANGLE MANUAL INSPECTION ? , 12th A-PCNDT 2006-Asia-

thth

Pacific Conference on NDT. 5- 10 Nov 2006, Auckland, New Zealand [3] 李衍 钢焊缝相控阵超声波探伤新技术[J],无损探伤, 2002 年第3期

[4] Zhou Qi, Liu Fangjun, Li Zhijun. An application of ultrasonic phased array imaging in electron beam welding inspection . CHINA WELDING , November 2002 ,Vol.11 No.2