超聲相控陣技術在鋼制對接焊縫檢測中的應用研究

孟　輝（江蘇中特創業設備檢測有限公司，南京　211100）

超聲相控陣技術在鋼制對接焊縫檢測中的應用研究

孟輝
（江蘇中特創業設備檢測有限公司，南京211100）

焊接技術是目前工業領域應用較為廣泛的技術之一，焊縫連接結構具有周期短、密封性好、重量輕等特點，同時以其良好的力學性能得到青睞。然而，焊接過程中產生的內部缺陷卻大大降低了焊接性能。超聲相控陣能夠實現復雜零件和盲區的檢測，具有靈敏度高、結果直觀，實時顯示的優點，在鋼制對接焊縫檢測中的具有明顯的應用優勢。

超聲相控陣技術；對接焊縫檢測；無損檢測

0　緒論

鋼材是現代化建設不可或缺的重要材料之一，其應用范圍有目共睹。而焊接是加工鋼材的重要的重要技術手段之一，科學技術的發展使鋼材的焊接性能不斷提升，但仍不可避免的產生些許的缺陷。超聲相控陣技術以其獨特的優勢，成為鋼制對接焊縫檢測中的重要應用技術。

1　超聲相控陣技術的起源與發展

超聲波被人類所發現并作為一種檢測技術應用可追溯到第一次世界大戰期間，被用于對水下目標的追蹤。近百年來，超聲檢測技術在各個領域都發揮了不可替代的重要作用。科技的發展也使各種新技術相互融合進步，新技術不斷衍生。超聲相控陣技術逐漸走入人們的視野當中。超聲相控陣技術源于相控陣雷達，在相控陣雷達的使用過程中，眾多的子天線但愿有序的排列，每個子單元的電磁波幅度和延時均可控，能夠達到一定空間范圍內形成相對靈活的雷達波束。與之類似，超聲相控陣由眾多壓電陣組成的陣列換能器，達到聲波發射與接收的目的。［1］近些年來，超聲相控陣技術的應用范圍越來越廣泛，最初的應用就是醫學中的B型超聲檢測與診斷技術，其應用了超聲相控技術以實現動態的聚焦，其利用了相控陣所使用換能器快速移動的特點，使聲束形成所檢測器官的影像。其次，利用它控制局部升溫，可達到熱療的效果，能夠在很大程度上提升目標組織的吸收率。

在超聲相控陣技術起步的發展時期，其系統的復雜性較高，檢測存在很大的困難，且需要高額的檢測成本，其在工業無損檢測上的應用受到了極大的限制。科技的發展使我們的生活日新月異，中國造船業崛起，船舶工業中對技術精度的要求越來越高，超聲相控陣無損檢測技術得到了用武之地。船舶檢測過程復雜，檢測量大，檢測條件較為苛刻，超聲相控陣檢測技術的高精度、聚焦性、靈活直觀的特點使之越來越受到重視。同時，計算機軟硬件技術的同步發展，數據分析處理能力的提升、納秒脈沖信號控制、壓電符合材料等高新技術領域的技術的崛起，也使超聲相控陣檢測技術的應用性大為提高。目前已經被廣泛的應用在石油天然氣、航空航天、核能建設、機械制造等各個領域的無損檢測。超聲相控陣無損檢測技術受到越來越多的關注，也成為眾多專家學者的研究內容，其應用性也不斷提升，應用前景被大多數學者所看好［2］。

2　超聲相控陣技術在鋼制對接焊縫檢測中的應用

鋼材是工業化社會進步與發展的重要材料，而焊接是鋼材得以應用的重要技術之一。對于焊接過程中形成的缺陷進行檢測，是保證工件質量的重要環節。超聲相控陣無損檢測具備獨特的優勢，使其在鋼制對接焊縫檢測中收到青睞。

2.1鋼制焊縫的檢測

鋼材是現代社會建設過程中不可或缺的重要材料之一，其應用十分廣泛，涉及到社會生活的方方面面。焊接則是鋼鐵材料加工成型的重要手段之一，也是各國越來越重視的先進制造技術之一。現今，焊接技術也向著日益輕型化，大型化的方向發展，焊接效果也不斷提升，帶來了十分可觀的經濟效益，成為國內外許多學者和工程人員重要的研究內容。焊接技術包括物理化學兩方面的方法，實現材料間的重組連接，具有韌性好、強度高、重量輕，密封性好的優點。我國的許多大型工程，如三下大壩、鐵路與公路的建設過程中，均廣泛的應用了焊接技術，鋼板的焊接技術也不斷取得新的突破。但是，焊接過程中也很容易產生各種缺陷，對各種缺陷的檢測是保證工件、工程質量的重要環節。超聲相控陣檢測技術以其獨特的優勢，在鋼制焊縫檢測方面受到越來越多的關注。

2.2超聲相控陣檢測技術的原理與特點

超聲相控陣技術被應用于無損檢測，目前已經到了大范圍的實際應用階段。超聲相控陣技術實際上是通過對換能器陣列中各陣元進行控制，改變激勵脈沖時間的延遲，以此來達到影響每一個陣元所發出的聲束到達檢測物體每個面每個點時的香味的關系，進一步完成改變聲束方位和聚集點的變化，并以此為依據進行成像。因為相控陣陣元可動態的改變延遲時間，因而超聲相控陣檢測中的探頭探傷實際上是利用了聲束可動態聚焦以及角度可控兩大特性。與傳統的普通超聲檢測技術相比，其優勢主要體現在以下幾點：首先，聚焦深度與聲束的角度都是可控的，可滿足更加復雜的區域和位置的檢測；其次，能夠完成高速的電子掃描，可通過晶片組合進行專場控制；最后，在聲場強度上也遠勝于普通的超聲檢測技術，可在很大程度上將聲束在檢測材料中衰減的影響降低，也可在一定范圍內使用更高的檢測頻率。

2.3超聲相控陣技術在鋼制對接焊縫檢測中的應用

鋼板的對接焊縫的檢測是超聲相控技術檢測中最為典型的應用之一。其整個檢測過程中，避免了傳統超聲檢測中焊縫兩側多次鋸齒形的掃查，僅需要沿焊縫的方向水平移動即可。但同樣需要在檢測之前對系統進行精確的校準，需要在檢測之前根據檢測材料的特效和形狀來確定探頭的角度與頻率，控制聲速以及延遲檢測靈敏度，來綜合的進行校準。而編碼器的位置校準后，誤差應不高于3ram。鋼制對接焊縫的形狀通常有V型、K型、X型等，對它的檢測方法通常包括直射法（半跨距或一次波檢測）、底波一次法（全跨距或二次波檢測）等，應用直射法，對焊縫的聲束掃描僅包含到下部，而底波一次法則實現了對整個焊縫的覆蓋。［3］超聲相控技術對鋼制對接焊縫的檢測更有結果顯示直觀的特點，能在很大程度上提高缺陷檢測的精確度，提升工件的質量，得到了廣泛的認可和關注。

［1］郝培培.金屬材料超聲缺陷檢測關鍵技術研究與應用［D］.南京信息工程大學，2013.

［2］劉曉睿.超聲相控陣技術檢測和評價［D］.南京航空航天大學，2012.

［3］張巍.超聲相控陣檢測技術在現代制造業中的應用［J］.科技創新導報，2012（07）：72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.029