相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件中的應(yīng)用

顧燕三

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越多越多的產(chǎn)品零部件使用鑄鋼制品。對(duì)鑄鋼件的金屬性能在使用過程中提出了更高的技術(shù)要求，而對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)也越來越重要。常規(guī)無損檢測(cè)方法往往受限于其復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)而不能獲得良好的檢測(cè)效果。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有較好的操作性、聲束掃查覆蓋面廣、對(duì)構(gòu)件中的缺陷檢出率高以及檢測(cè)結(jié)果成像直觀等優(yōu)點(diǎn)。本文主要通過對(duì)選定復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件的實(shí)物檢測(cè)來驗(yàn)證全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件檢測(cè)中的可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜結(jié)構(gòu);鋼鑄件;全聚焦

Abstract：With the development of science，the more products are developed，the more steel products are used.Higher requirements are put forward on the metal properties of steel castings，and it is becoming more and more important to no longer carry out inspections.The method is selected for its complex geometric structure and cannot obtain good detection results.Phased array inspection ultrasonic technology has the advantages of good performance，high sound beam inspection，high defect detection and imaging of inspection results.The feasibility of the full-focus phased array detection technology in the detection of composite structural steel castings is mainly verified by the detection of specific complex structural steel castings.

Key：Complex structure;Steel castings;Full focus

1.引言

（1）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越多越多的產(chǎn)品零部件使用鑄鋼制品。對(duì)鑄鋼件的金屬性能提出了更高的技術(shù)要求，而對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)也越來越重要。常規(guī)無損檢測(cè)方法往往受限于其復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)而不能獲得良好的檢測(cè)效果。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄鋼件的檢測(cè)存在如下諸多難題：

①超聲衰減

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼鑄件，由于成型方法的限制，鋼鑄件晶粒較為粗大，超聲波在鑄件中傳播的衰減極為明顯;

②鋼鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼鑄件幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，常規(guī)檢測(cè)方法無法在鋼鑄件上方便順利的進(jìn)行;

③缺陷評(píng)定

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼鑄件幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，缺陷響應(yīng)聲波信號(hào)和鋼鑄件結(jié)構(gòu)響應(yīng)聲波信號(hào)極難分辨，對(duì)于缺陷的評(píng)定造成極大的干擾;

從圖1和圖2中可知，缺陷信號(hào)和噪聲信號(hào)之間極大部分產(chǎn)生重疊，噪聲信號(hào)對(duì)缺陷信號(hào)的辨識(shí)產(chǎn)生了極大干擾，極不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員對(duì)缺陷的評(píng)判，既可能出現(xiàn)缺陷信號(hào)的漏判，也可能出現(xiàn)將噪聲信號(hào)誤判為缺陷信號(hào)。

④缺陷檢出率;

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼鑄件幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，很多部位的檢測(cè)無法有效進(jìn)行，因此缺陷檢出率較低。

（2）TFM （全聚焦技術(shù)）

①探頭工作方式

相控陣檢測(cè)探頭的工作方式如下圖所示：

②全矩陣采集技術(shù)（FMC）

全矩陣采集技術(shù)（FMC）包含了探頭中所有的發(fā)射和接收陣元的所有可能的A掃信號(hào)，在所有的初始的信號(hào)被采集完畢后，就能通過加載一定的延時(shí)法則進(jìn)行離線處理，具體工作原理詳見下圖所示：

③TFM （全聚焦技術(shù)）

TFM （全聚焦技術(shù)）基于一種虛擬的成像算法，通過將全矩陣采集技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)矩陣中的每一組收發(fā)信號(hào)聚焦在重建成像區(qū)域的每一個(gè)成像點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)成像區(qū)域的FMC-TFM成像，其工作原理詳見下圖所示：

④TFM （全聚焦技術(shù)）優(yōu)勢(shì)

1）聚焦優(yōu)化：FMC-TFM技術(shù)在發(fā)射接收成像區(qū)域?qū)崿F(xiàn)處處聚焦，因此優(yōu)化了成像區(qū)域的靈敏度和分辨力;

2）最小化的陰影效果：FMC-TFM技術(shù)采集并處理所有晶片互相匹配的信號(hào)，其結(jié)果是在聲程上遇到缺陷時(shí)圖像上所產(chǎn)生的陰影會(huì)比超聲相控陣檢測(cè)時(shí)小;

3）圖像解釋更容易：全聚集相控陣檢測(cè)結(jié)果是一副成像區(qū)域的檢測(cè)圖像，成像區(qū)域可以直接在缺陷所在位置，這比常規(guī)超聲圖像更容易讓人明白，檢測(cè)人員能清晰實(shí)時(shí)看到響應(yīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)所在的檢測(cè)工件的部位。

4）缺陷成像更直觀：缺陷在反射模式下（或者鏡面反射表面）時(shí)，圖像信號(hào)和缺陷反射體的輪廓一樣，檢測(cè)腐蝕類小坑非常直觀，底面，近表面盲區(qū)小。

2.復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄鋼件的實(shí)物檢測(cè)

（1）設(shè)備1全聚焦相控陣檢測(cè)

①設(shè)備1結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備1實(shí)物圖詳見圖1。設(shè)備1是整體鑄造成型，鑄造成型過程中，設(shè)備1內(nèi)部會(huì)有氣體和疏松，鑄造成型過程中鑄件內(nèi)部拐角處容易出現(xiàn)熱量不均勻而引起收縮氣孔。設(shè)備1運(yùn)行技術(shù)要求設(shè)備在工作過程中不會(huì)產(chǎn)生泄露。經(jīng)分析可知，設(shè)備1容易出現(xiàn)泄露的區(qū)域主要集中在兩個(gè)大的接口轉(zhuǎn)角位置及設(shè)備的各個(gè)肋板部位。

②設(shè)備1全聚焦相控陣檢測(cè)

從上述全聚焦（TFM）相控陣檢測(cè)結(jié)果圖可知，設(shè)備1不同缺陷部位在檢測(cè)過程中均有明顯的聲波響應(yīng)信號(hào)，缺陷信號(hào)在儀器界面上清晰可辨。

（1）設(shè)備2全聚焦相控陣檢測(cè)

①設(shè)備2結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備2實(shí)物圖詳見圖6。設(shè)備2也是整體鑄造成型，設(shè)備2鑄造成型過程中主要在輪廓變化位置容易出現(xiàn)氣孔，疏松等典型鑄造缺陷，其中氣孔疏松為主要?dú)饪最愋汀ＴO(shè)備2是游樂場(chǎng)游樂設(shè)施基座，需要長(zhǎng)時(shí)間持久運(yùn)行，對(duì)于安全性要求很高，一旦基座出現(xiàn)失效狀況，會(huì)引發(fā)游樂設(shè)施的不安全運(yùn)行，從而造成人員設(shè)備傷害，后果極為嚴(yán)重。因此設(shè)備2通過無損檢測(cè)進(jìn)行預(yù)防性檢查，將設(shè)備2內(nèi)存在的各種危害性缺陷提前發(fā)現(xiàn)并處理，極為重要。

②設(shè)備2全聚焦相控陣檢測(cè)

設(shè)備2缺陷部位取樣工件不同位置的全聚焦相控陣檢測(cè)結(jié)果

從上述全聚焦（TFM）相控陣檢測(cè)結(jié)果圖可知，設(shè)備2缺陷部位在檢測(cè)過程中有明顯的聲波響應(yīng)信號(hào)，缺陷信號(hào)在儀器界面上清晰可辨。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果顯示的缺陷部位進(jìn)行切割并取樣，取樣部位的缺陷檢查結(jié)果與全聚焦相控陣檢測(cè)結(jié)果一致。在缺陷取樣試塊的不同方位進(jìn)行全聚焦相控陣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，不論檢測(cè)方位如何變化，缺陷部位均能在全聚焦相控陣檢測(cè)下有明顯的聲波響應(yīng)信號(hào)，且缺陷部位的聲波響應(yīng)信號(hào)均清晰可辨別。

（3）插入式接管焊縫相控陣檢測(cè)

（4）“碗”型鍛件檢測(cè)

“碗”型鍛件檢測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度方向變化大，被檢構(gòu)件曲率曲率半徑小，采用GEKKO儀器，相控陣探頭5L64-A12，

從上述檢測(cè)結(jié)果可看出，在檢測(cè)前可在儀器中加載檢測(cè)工件的模型;檢測(cè)過程中，相控陣檢測(cè)結(jié)果即能在儀器檢測(cè)界面中實(shí)時(shí)顯示，對(duì)應(yīng)的聲波響應(yīng)信號(hào)也可顯示出其在工件模型中的位置（此位置與聲波響應(yīng)信號(hào)在檢測(cè)工件中的位置可一一對(duì)應(yīng)）。

3.結(jié)論

1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件通過全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)是可行的;

2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件中的缺陷能在全聚焦檢測(cè)過程中有明顯的聲波響應(yīng)信號(hào);

3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件中的缺陷的聲波響應(yīng)信號(hào)能在儀器檢測(cè)界面清晰顯示，可辨識(shí)度高;

4）全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件檢測(cè)中，能較好的區(qū)分噪聲信號(hào)和缺陷信號(hào);

5）全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)能通過檢測(cè)工件模型的導(dǎo)入，實(shí)時(shí)顯示缺陷信號(hào)在工件中的具體位置，能夠有效辨別工件結(jié)構(gòu)信號(hào)和缺陷信號(hào)，極大地方便檢測(cè)人員在檢測(cè)過程中對(duì)聲波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行評(píng)判。

通過初步研究可知，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件檢測(cè)中是切實(shí)可行的。隨著相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)和超聲成像技術(shù)的不斷發(fā)展，其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼鑄件檢測(cè)中將能發(fā)揮更大的作用。

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