快速線性陣列超聲波相控陣自動檢測

張國強，剛 鐵，沙正驍

(1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854；2.哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.中航工業北京航空材料研究院，北京 100095)

快速線性陣列超聲波相控陣自動檢測

張國強1,2，剛 鐵2，沙正驍3

(1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854；2.哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.中航工業北京航空材料研究院，北京 100095)

基于超聲波聚焦原理，提出借助聲透鏡實現線陣相控陣探頭的二維聚焦的方法。通過聲場模擬對比了普通線陣相控陣和改進型相控陣的聲場分布；通過試驗得到了上述兩種手段對同一銅鋼堆焊結構的C掃描檢測圖像，并將檢測結果與常規單晶片點聚焦探頭的檢測結果進行了對比。理論分析和試驗結果均顯示，改進后的相控陣系統能夠有效地使線性陣相控陣探頭實現二維聚焦，其C掃描結果與常規單晶片探頭的檢測結果吻合良好；在保證檢測準確性和可靠性的前提下，掃描效率也得到了顯著的提升。

超聲相控陣；無損檢測；C掃描；聲透鏡

超聲波相控陣技術以其靈活的聲束偏轉角和聚焦位置控制能力受到了廣泛的關注[1]。一維線性陣列相控陣是一種最簡化的超聲相控陣形式，其制造成本相對較低，控制方式也相對簡單，可以在一維機械掃查條件下獲得二維圖像。缺點是只能在一維方向實現聚焦，其聲場聚焦區域的形狀類似于通常使用的線聚焦探頭，在進行平面檢測時，晶片長度方向(即機械掃查方向)的成像會有較大的畸變，且檢測靈敏度較低。為了更好地實現超聲波聚焦，研發人員開發了多種形狀及多種陣列形式的超聲波相控陣探頭[2-4]，各類超聲相控陣探頭陣元排列示意如圖1所示。

圖1 各類超聲相控陣探頭陣元排列示意

這類形狀各異、陣列方式復雜的相控陣探頭，雖然可以滿足工程上對于特殊被檢測結構的要求，但其訂做周期長、價格昂貴，并且設備和控制系統的復雜程度遠高于線性陣列相控陣系統。筆者通過一定的技術手段使一維線性陣列相控陣探頭在二維方向上實現聚焦，并在一定條件下避免使用復雜且昂貴的面型陣列相控陣探頭，在提高檢測精度的同時可降低相控陣檢測系統的復雜程度和成本，在此基礎上研究了平面堆焊接頭的快速檢測方法；理論分析和試驗結果均顯示，改進后的相控陣系統能夠有效地使線性陣列相控陣探頭實現二維聚焦，其掃描結果與常規單晶片探頭的檢測結果吻合良好，在保證檢測準確性和可靠性的前提下使掃描效率得到了顯著的提升。

1 檢測方案及超聲相控陣聚焦特征分析

以銅鋼堆焊結構為對象，研究了平面堆焊接頭質量的快速檢測方法，C掃描檢測方式示意如圖2所示。為了準確地調整檢測靈敏度，使用電火花加工的方式制作了如圖2所示的φ2 mm平底孔人工缺陷，孔底與材料結合面平齊，用以模擬界面上的未熔合缺陷。使用的線陣相控陣探頭參數見表1，其晶片陣列形式及尺寸示意如圖3所示。

圖2 C掃描檢測方式示意

超聲相控陣探頭是由大量相互獨立并可單獨控制的換能器晶片組成的陣列所構成的。超聲相控陣 電子掃查示意如圖4所示，其通過控制系統應用一 定的規則來激發相控陣探頭中的每個晶片來發射超聲波，使晶片陣列上的每個晶片發射的超聲波波陣面前沿同時同相位到達指定的位置，從而可以沿晶片陣列方向(x軸方向)靈活地實現電子聚焦和電子掃查。若使用傳統的單晶探頭進行檢測，則需要探頭與試件在被檢測面上逐點完成二維全覆蓋式相對運動，其機械傳動系統至少需要兩個自由度，且運動路程長、耗時長、精度要求高等[4]。而使用超聲相控陣探頭則可以利用電子掃查來代替沿x軸的機械掃查，使之在進行C掃描時避免探頭和試件間的相對運動，減少一維運動自由度。

圖3 相控陣探頭晶片陣列形式及尺寸示意

圖4 超聲相控陣電子掃查示意

晶片數量中心頻率/MHz晶片長度/mm晶片寬度/mm晶片間隔/mm探頭總長/mm64570．50．138．4

但是上述方法也存在顯而易見的缺點：線性陣列相控陣探頭無法令超聲波能量沿y軸方向匯聚，進而可能會導致一系列問題的出現。從理論上預測，由于沿y軸方向這種一維聚焦方式的能量不集中，導致其檢測靈敏度必將低于二維聚焦方式。此外，由于沿y軸方向的超聲波能量分散，在其掃描檢測時，缺陷的尺寸會沿y軸(探頭運動方向)拉長而發生畸變，從而無法反映結構內部的真實情況。

2 線性陣列相控陣檢測

通常，用戶可以借助相控陣系統控制軟件來指定聚焦位置并獲得相應的延遲聚焦法則，進而用于控制相控陣探頭晶片的激勵。文中由于堆焊結合面部位是缺陷易發區[5]，因而在制定聚焦法則時，將探頭x-z截面內的延遲聚焦深度設定于材料結合面部位。通過CIVA軟件計算出了當前試驗參數下，被檢測試件內部的超聲波聲壓在檢測面內的分布情況，探頭x-z截面內聲場模擬結果如圖5所示。從圖中的聲場仿真計算結果可以發現，相控陣探頭沿晶片陣列方向實現了指定深度上的聚焦，可以利用仿真計算的結果來指導試驗。

圖5 探頭x-z截面內聲場模擬結果

參考前期理論計算得到的參數，在相控陣檢測試驗中，將檢測增益調整為φ2 mm平底孔(FBH)回波高度達到滿屏(FSH)高度的80%，在此基礎上增加3 dB作為檢測靈敏度。由于試驗所用的相控陣探頭晶片中心間距為0.6 mm，所以沿x軸方向的掃描步長固定為0.6 mm。為了使x、y兩個方向的掃描步長一致，將沿y軸方向的掃描步長設置為0.6 mm，其C掃描結果如圖6(a)所示。

為了通過對比來體現相控陣檢測結果的可靠性，使用中心頻率為5 MHz的單晶片點聚焦探頭對同一試件進行了C掃描檢測。靈敏度的調整方式與相控陣檢測中的調整方式相同，步長設置為0.3 mm，以清晰度更高的常規C掃描圖像作為基準來對比和評價相控陣系統的檢測結果, 相控陣探頭與單晶片點聚集探頭C掃描結果如圖6所示。

圖6 相控陣探頭與單晶片點聚集探頭C掃描結果

從圖6可以發現，圓形的人工缺陷在相控陣C掃描結果中沿探頭運動方向被拉長而呈現出橢圓形，由此可以推知其他位置的缺陷也將被沿此方向拉長。這樣的檢測結果與前文中的理論分析和預測基本吻合，表明直接使用線性陣列相控陣探頭，以電子掃描和機械掃查方式進行二維檢測時所獲得的圖像存在畸變。

3 線性陣列相控陣探頭的聲場分析及改進

3.1 聲透鏡的設計 從上述研究可以推測，如果能使線性陣列相控陣探頭在x-z面內部完成電子聚焦的同時，也實現x-z面內的聚焦，那么畸變問題則可迎刃而解。并且由于超聲波能量在兩個方向實現了聚焦，理論上提高了檢測靈敏度，檢測結果會有很大程度的改善。基于上述想法，文章提出利用柱面聲透鏡(柱面軸心平行于z軸方向)來實現線陣相控陣探頭的二維聚焦。

首先在y-z截面內計算,得到超聲波聚焦于異質材料界面情況下該聲束應有的水中焦距F，并由此推算出聲透鏡曲率半徑R[6]。然后在探頭x-z截面內，通過設計合適的延遲聚焦法則，使相控陣探頭激發出的超聲波在穿越聲透鏡和耦合介質之后，聚焦于材料界面處。由于CIVA軟件無法提供探頭在垂直于晶片陣列方向(即y-z截面)上的真實聲場分布，因此文中借助了課題組開發的超聲波聲場仿真計算軟件對探頭y-z截面內的聲場分布進行了模擬計算[7]。

圖7為常規線陣相控陣探頭和改進型相控陣探頭在y-z截面內的仿真聲場分布對比。

圖7 不同相控陣探頭在y-z截面聲場分布對比

從聲場分布的對比可以看出，改進后的相控陣探頭聲場能量集中，顯著優于常規線陣相控陣探頭。仿真計算結果顯示：依照此參數進行試驗，超聲波能量可以在界面部位聚焦，理論上能夠達到理想的預期。圖7(a)中的聲場仿真計算結果同時解釋了圖6(a)中相控陣C掃描圖像中缺陷形狀發生畸變,是由線性陣列相控陣探頭沿y軸方向的超聲波能量分散所引起的。

3.2 檢測結果及分析

在理論分析的基礎上，針對前文涉及到的同一試件，利用柱面聲透鏡進行改進后的線陣相控陣探頭的聲場研究。

首先利用前期理論計算所使用的參數來調整相控陣系統，檢測靈敏度的設置與前期試驗中的設置方法相同，然后利用改進后的相控陣探頭進行C掃描檢測，檢測結果如圖8所示。

圖8 改進型相控陣C掃描結果

對比圖6和圖8可以發現：改進后的相控陣探頭顯著改善了圖像的對比度，解決了線陣相控陣掃描圖像沿y軸方向的畸變問題。試驗證明，經過改進的相控陣C掃描結果與常規單晶片點聚焦探頭的C掃描結果吻合良好，同時也驗證了圖7中聲場仿真分析的正確性。

此外，該裝置完成整個試件掃描檢測所需的時間為13 s，要遠少于同等條件下常規單晶片探頭所需時間(約300 s)，提高了檢測效率。而且，由于免去了探頭沿x軸方向的運動，使得檢測系統的機械運動機構減少了一個自由度，從而降低了機械機構的復雜程度。

4 結語

(1) 利用線陣相控陣探頭的電子掃描特性，以一維機械掃查方式實現了二維界面的自動檢測，并采用計算機模擬方法分析了其聲場聚焦特征。

(2) 在理論分析和模擬仿真的基礎上，研究了線陣相控陣探頭的聚焦方法，采用適當曲率的柱面聲透鏡實現了線性陣列相控陣探頭的二維聚焦，減少了缺陷形貌的畸變。

(3) 以上述方法構成的裝置在保證檢測精度的同時，可以大幅提升檢測效率，降低機械系統復雜程度，使裝置運行穩定可靠。

[1] 單寶華，喻言，歐進萍. 超聲相控陣檢測技術及其應用[J]. 無損檢測，2004，26(5): 235-238.

[2] 李衍. 相控陣超聲檢測國際動態[J].無損檢測，2009，31(1): 56-60.

[3] 王華，單寶華，王鑫，等. 超聲相控陣實時檢測系統的研制[J].哈爾濱工業大學學報，2008(5): 771-774.

[4] 高雙勝，剛鐵，桂光正，等. 銅鋼堆焊接頭的超聲信號特征及質量評價[J]. 焊接學報，2007(5): 101-104.

[5] 呂世雄，楊士勤，王海濤，等. 堆焊銅合金/35CrMnSiA接頭的界面結構特征[J]. 焊接學報，2007(2): 63-66.

[6] 張志永. 水浸聚焦超聲波探傷原理[M]. 北京: 國防工業出版社, 1985.

[7] 沙正驍. 奧氏體不銹鋼焊縫中超聲傳播路徑的模擬[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2010.

High-Speed Linear Array Ultrasonic Phased Array Automatic Testing

ZHANG Guoqiang1,2, GANG Tie2, SHA Zhengxiao3

(1.Aerospace Science and Industry Defense Technology Research and Test Center, Beijing 100854,China;2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China;3.AECC Bejing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China )

Based on principle of ultrasonic focusing, the two-dimensional focusing of linear phased array probe is designed by means of acoustic lens. The simulation of sound field is compared with the common linear phased array and improved phased array acoustic field. Afterwards, C-scan images of the Cu-Fe joint are obtained experimentally. Theoretical analysis and experimental results show that the improved phased array system can effectively make the linear phased array probe to realize two dimensional focusing, and the C-scan results with conventional single crystal probe are in good agreement with the results. On the premise of ensuring the detection accuracy and reliability, the scanning efficiency has been significantly improved.

ultrasonic phased array; nondestrutive testing; C-scan; acoustic lens

2016-07-23

國家自然科學基金資助項目(51575134，51175113)

張國強(1984—)，男，碩士，主要從事焊接無損檢測方面的研究工作

張國強，zgqhit@foxmail.com

10.11973/wsjc201705012

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0053-04