超聲相控陣在水下焊接中的應用研究

葉建雄，李志剛，程 群

（1. 浙江機電職業技術學院，浙江 杭州310053；2. 華東交通大學機電學院，江西 南昌330013； 3 江西省樂平市第一中學，江西 樂平333300）

目前，濕法焊接在焊接手段、工藝、焊接材料等方面已有不少成果，實現了從“能焊”向“焊好”的轉變。理論研究方面，Mazzaferro J A 等研究了不同深度的淺水條件下的電弧特性[1]，石永華等利用U-I 相平面圖，進一步分析了電弧穩定性與水深的關系，以及不同水深時工藝參數組合[2]；高輝、焦向東等采用Abaqus 有限元軟件,對摩擦螺柱焊的焊接過程進行了仿真研究，比較了相同工藝參數分別在有水和干式環境下的焊接效果[3]；在濕法焊接材料研制方面，Hanover 大學開發了雙層自保護藥芯焊條、美國研制了7018S 和“Black Beauty”，這些焊條的焊接質量均滿足美國船級社AWS D3.6 的標準，并且英國的Hydroweld FSTM 焊條在橋梁、船舶的維修中得到了實際應用； 在國內， 哈工大的郭寧等開發了一種藥芯焊絲， 可以在30 m 以內的水深完成CCSE36 等級鋼的焊接，接頭性能也達到了AWS D3.6 的標準[4]；在焊接方法和工裝方面，魏康、李康等采用冷軋和退火處理工藝制備了異質層狀結構的316L 不銹鋼，然后采用GTAW 焊接工藝對處理后的鋼板實施單、雙面焊接成型，處理后的316L 不銹鋼內部形成明顯的超細晶層狀組織結構，大幅提高了母材的抗拉強度[5]。但在濕法焊接自動化領域，目前遇到的最大問題是沒有合適的傳感器可用。眾所周知，在陸地焊接中最常用的傳感器是CCD 圖像傳感器和旋轉電弧傳感器[6-7]，為了在濕法焊接中使用CCD 傳感器，必須將它們封裝在一個透明的防水盒子中，且一般需要增加輔助光源以增強照明；除此之外，所采集的圖像還經常受到弧光、汽泡和水中懸浮物的影響，難以采集到理想的焊縫圖像；而旋轉電弧傳感器在水下焊接中的應用，主要集中于淺水以及電弧與水壓的關系特性等方面，已有研究表明，電弧長度及穩定性受水壓的影響很大，水壓越大電弧越短、電弧穩定性越差，水壓過大時會使電弧熄滅；因而要將此傳感器應用于水下濕法焊接中，不但要解決電機在水下可靠安全工作的問題，而且要考慮如何減少水壓對焊接電弧所帶來的不利影響。

濕法焊接自動化要求性能良好的傳感器，這促使人們開展水下傳感特性的研究工作。 前期研究成果表明，單體超聲波傳感器可以直接應用于水下，且對弧光、汽泡不敏感，利用相關系數法可以實現水下高精度測距，從而得到傳感器與工件之間的距離，進而利用幾何關系確定焊縫的準確位置[8-9]，但這種方法存在需要在水平方向移動傳感器、檢測效率低等不足之處。 為此，在研究中引入了PA，它包含數十乃至上百個小陣元，在外形上常見的有直線型、圓形或其他特殊類型。 所有的小陣元都具有獨立的驅動電路，因而利用它進行焊縫形貌的檢測，具有檢測靈活方便和高效的優點。

論文首先介紹相控陣傳感器的基本工作原理，然后在此基礎上確定所用PA 的物理參數，包括PA 的形狀，陣元數量及陣元間隔大小；最后給出PA 工作時所需的多種電路，包括高精度時鐘生成、聲波發送和接收，以及帶通濾波等電路。

1 PA 的物理參數設計

PA 是由眾多排成不同形狀的小陣元構成的，各陣元發出聲波并在水中形成干涉，為了保證聲波能夠在工件表面聚焦，這些由不同陣元發出的聲波必須滿足惠更斯原理，即各聲波具有相同的頻率和穩定的相差，合成波的幅值在相角差為π (180°)的偶數倍時最大，為π 的奇數倍時最小，相角差為其他值時，幅值則介于最大與最小值之間，且幅值和相角差滿足一定的函數關系。 在圖1（a）所示的濕法焊接環境中，PA 置于工件正上方約30 cm 處，相同頻率的聲波依次從選定的若干陣元發出，就可以實現在不同的空間點聚焦，但如何快速地聚焦于工件表面上的不同位置，屬于場掃規劃的內容，在此不再展開。 本論文將從理論上分析PA 聚焦于特定點的工作原理，進而分析PA 的結構參數與定位精度的關系。

圖1 PA 在水下濕法焊接中的應用Fig.1 Ultrasonic PA working method in underwater wet welding

與通過機械運動進行各點測距的單管傳感器相比，PA 的效率顯著提高。 PA 的大小、陣元的數量及陣元的排列形式、間距對聚焦的效果都有很大影響，對于圖1（b），當聲波的焦點在圖中P 點時，為了使O1和O2點處的陣元所發聲波能同時到達焦點，發出聲波的時間差可以由余弦定理求得

式中：r1，r2分別為二陣元O1，O2到焦點P 的距離；d 為相鄰陣元的間距；θ 為陣元、焦點連線與豎直垂線的夾角，因而由上式可得時間差如下

式中：Δs 為r1和r2的差；C 為聲波在水中的傳播速度；d 為二點間的陣元間隔數量。

根據式（2）確定各陣元所發出聲波的時間差，同時借助軟件ArrayCalcis 可以進行聲波干涉效果的仿真，這是一款可以進行立體干涉效果仿真的軟件，設置好PA 的形狀和陣元參數后，其可以算出在空間各點波的合成效果并用三維圖形進行表示，從而為PA 的選擇和工作參數的設定提供依據，圖2 給出了有8 個陣元的線性PA 在主瓣偏轉角度為10°時的2D 和3D 干涉效果。

與圓形、面型相控陣相比，線性PA 更易于在工件表面獲得直線型的焦點。 利用ArrayCalcis 分析不同陣元參數的線性PA 聚焦效果，通過計算焦點至各陣元的距離及角度，可以獲得直觀的干涉效果。 圖3 給出了陣元本體寬度為b=2 mm，陣元間距d=3 mm 時，陣元個數分別為8 和16 時，各陣元依次相隔0.2 μs 發出聲波時的干涉效果，其中暖色調比冷色調所代表的能量高，深色比淺色所代表的能量高。

圖2 PA 聲波的聚焦與偏轉Fig.2 PA focusing and flection results

圖3 聚焦精度與陣元數量的關系仿真Fig.3 Relationship between number of PA units and focusing precision

表1 給出了更多參數時的仿真結果，從結果可以看出，陣元數量越多，聚焦精度越高，同時主瓣能量比重也越高，但陣元數量的增加，會導致通道數量的增加和控制電路、驅動電路的增加，使整體電路復雜度增加。

表1 不同陣元時的聚焦精度Tab.1 Focusing accuracy under various units number

聚焦精度除了與以上參數相關外，還與時鐘分辨率密切相關。 聲波的不同時延影響各聲波干涉時的相位，并形成聲波的偏轉。Erhard A 等分析了時鐘的量化誤差與旁瓣離散化之間的關系，旁瓣的能量與主瓣能量的比例可用下式表示[10]式中：N 表示陣元個數；μ 表示脈沖周期相對于最小時鐘量化誤差的比值。S 越小表示能量越集中、聚焦精度對于確定的N，通過增加μ 值可以獲得理想的S 值，但μ 的增加是以硬件開銷為代價的，也就是說，時鐘分辨率越高，聚焦效果越好，但對硬件的要求也會越高。 因而需要在性能需求和硬件成本二者之間確定一個平衡點。

針對水下焊接的實際，水中聲速約為1 340 m/s，PA 一般在工件上方40 cm 左右，焦距不會超過50 cm，因而可確定所用PA 的參數見表2。

表2 PA 的工作參數Tab.2 Working parameters of PA

2 控制及驅動電路設計

電路從功能上劃分為控制電路、激勵信號產生及放大電路、帶寬濾波器、聲波發送和接收放大電路等部分，此外，為了靈活準確地控制焦點的變化，還設計了高精度時鐘發生器，以精確控制各陣元所發出聲波的時間差。 具體如圖4 所示，其中，控制電路包括16 路獨立的通道，每個通道均由與門電路74HCT11 控制，僅當啟動信號Start signal、時鐘輸出信號Out 均為高電平時，相應通道的激勵信號Excitation 才能通過與門電路送往后面的陣元放大及激勵電路，驅動陣元發出所需的聲波。

圖4 控制電路結構Fig.4 Structure of control circuit

根據預先設計好的掃描路徑，計算出各陣元間的時間差，并將這些值存儲在計算機中，工作時按一定的步序依次將這些值送往CPLD（complex programmable logic device）；高精確度時鐘信號由CPLD 器件EPM1270144C5 實現，它集成有1 270 個邏輯單元、近千個宏單元及8 KB flash 單元，各通道的觸發過程如下：

* EPM1270144C5 每次接收一組由計算機通過串口送來的時間序列值，并依次存儲在長度為8 bit 的16個寄存器中，每個寄存器對應一個陣元。

* CPLD 完成時序信號的接收后，啟動其內部的高速硬件累加器開始計數，并將累加值與各通道的時間序列值進行實時比較，在匹配的瞬間將對應的信號從OUT 口送出，從而確保時序的準確性。

* 利用高速三輸入與門電路74HCT11，確保只有當激勵信號、時鐘信號和啟動信號均為高電平時，對應的陣元才能被激勵并發出聲波。

PA 工作中，位于工件上方約30 cm，由式（2）可知，所需的最小延時為26.97 ns，最大延時約為1 799.69 ns，將EPM1270144C5 的工作頻率確定為100 MHz 時，8 位的累加器可以實現的最小時延和最大時延分別為10 ns 和2 550 ns，完全滿足上述的使用要求。但需要注意的是，各通道的初始時刻、以及各陣元所發聲波的頻率和初相位必須相同，為滿足這些要求，由CPLD 發出的起始信號同時送往各通道的門器件，并且時序輸出越高，信號所用的時鐘比較器為同一累加器，由于CPLD 芯片內各通道所具有的時延特性是相同的，因而可以認為各通道的起始時刻是完全相同的。

圖5（a）所示為聲波發射電路，激勵信號被高頻變壓器EE1302 放大，最高電壓可達130 V；圖5（b）是聲波接收電路，回波被陣元接收后，首先利用高頻三極管NPN9013 放大，然后通過由M33078 構成的有源帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號最后由高速信號采集卡PCI4712 所采樣。

圖5 聲波發送和接收電路Fig.5 Sound wave emitting and receiving circuit

3 結論

PA 可以方便地實現聲波的偏轉和聚焦，影響其精度的因素主要有陣元數量、陣元間隔大小以及時鐘精度，通過研究得到以下結論：

1） 聚焦精度受PA 的物理參數影響，陣元數量越多，聚焦精度越高，但相應的硬件電路越復雜。 同時，PA 使用的環境對電路參數的選擇也有影響，電路要能完成最小及最大延時時間的精確計量。

2） 干涉波的相位差由激勵波的延時決定，而延時的準確性與時鐘精度密切相關，即聚焦精度也取決于時鐘精度，時鐘精度越高，聚集精度也越高。

3） 工作頻率的增加可以提高時鐘精度，通過CPLD 而不是選用微處理器產生時鐘脈沖，可以顯著提高工作頻率。

在水下濕法焊接中，利用PA 進行焊縫信息檢測，相比于單管超聲波傳感器具有靈活、高效的特點，但水下焊接環境惡劣，信號受到的干擾大，如何實現PA 信號的高速、有效處理，需要進一步的深入研究。