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是近年來興起且應(yīng)用較多的無損檢測技術(shù)，其主要優(yōu)勢是檢測圖像直觀、檢測速度快，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力強、精度高。該技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用尤為廣泛，常用來取代常規(guī)超聲檢測和射線檢測等方式。

 

本文主要圍繞以下3個方面進行介紹：

 

① 針對中厚板上下表面盲區(qū)的相控陣超聲檢測；

 

② 針對中厚板中間部位缺陷的檢測，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進行檢測靈敏度的探討；

 

③ 針對厚板，采用不同頻率探頭進行縱波檢測和橫波檢測靈敏度、上下表面盲區(qū)縱波檢測及板材邊部盲區(qū)橫波檢測的對比等試驗。

 

試驗結(jié)果表明，相控陣超聲檢測技術(shù)能夠100%覆蓋鋼板中心部位所有缺陷，檢測準(zhǔn)確度高，誤報率低，重復(fù)性好；厚度檢測鋼板上下表面盲區(qū)不大于1.5 mm，板邊最小盲區(qū)不大于3 mm，且檢測速度快，成本低。

 

相控陣超聲檢測技術(shù)的試驗及分析

 

由于相控陣超聲檢測技術(shù)與常規(guī)超聲檢測技術(shù)相比具有諸多優(yōu)勢，且在制造業(yè)中相控陣超聲檢測應(yīng)用案例也越來越多。

 

目前，在電力、石化、石油、航天航空、軍工等行業(yè)的壓力容器焊接檢測中已經(jīng)大量采用相控陣超聲檢測技術(shù)，運用其特點提高了檢測效率及質(zhì)量控制。

 

但該檢測技術(shù)在壓力容器原材料板材中的應(yīng)用還較少，下面將以中厚板相控陣超聲檢測技術(shù)為例進行試驗并分析。

 

試驗一

 

主要針對中厚板上下表面盲區(qū)的相控陣超聲檢測進行分析。

 

試驗標(biāo)樣

 

試件尺寸為300 mm×200 mm×4 mm，在試件中刻有6處平底孔人工缺陷，尺寸分別為φ5 mm×3 mm，φ5 mm×2 mm，φ5 mm×1 mm，φ3 mm×3 mm，φ3 mm×2 mm，φ3 mm×1 mm。

 

檢測參數(shù)

 

頻帶7.5 MHz，增益13 dB，數(shù)字增益18 dB，陣元孔徑8，掃查方式為扇掃，參考聲速5900 m/s，發(fā)射電壓50 V，重復(fù)頻率5 kHz，間隔數(shù)1，角度0°， 范圍16 mm， 脈沖寬度80 ns，檢波類型為全檢波，耦合介質(zhì)為水，聚焦距離30 mm。

 

試驗方法

 

將試件置于水中，將探頭放置在距離工件表面22 mm處，在x，y軸方向來回掃查，保證100%覆蓋試件，且至少有10%的重疊。

 

試驗結(jié)果

 

在檢測系統(tǒng)中以鋼板底面回波作為耦合監(jiān)視，確保檢測的有效性。在無缺陷區(qū)域，示波屏上顯示水/鋼界面波和鋼板底面回波及多次底面回波，該顯示由相控陣探頭的5號晶元0°角進行控制，耦合監(jiān)視波形如圖1所示。

 

圖1 5號晶元（0°）耦合監(jiān)視波形

 

對該試件中6處不同孔徑和不同深度的平底孔人工缺陷的檢測波形如圖2所示。可見對300 mm×200 mm×4 mm標(biāo)樣進行相控陣超聲水浸C掃檢測，所制作的直徑為3 mm和5 mm，深度分別為1，3，5 mm的平底孔均能有效檢出，且信噪比均在15 dB以上，滿足設(shè)備性能及鋼板檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

圖 2 厚為4 mm試件中平底孔人工缺陷的檢測波形

 

即該檢測系統(tǒng)配合穩(wěn)定的機械掃查裝置，可實現(xiàn)該規(guī)格試件的批量自動化檢測，能夠保證鋼板上下表面盲區(qū)在1 mm。

 

試驗二

 

主要針對中厚板中間部位缺陷，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進行檢測靈敏度的分析。

 

試驗標(biāo)樣

 

試件尺寸為250 mm×150 mm×7 mm，在試件中刻有6處平底孔人工缺陷，直徑分別為5，3，2 mm，深度分別為3/4T，2/4T，1/4T（T為鋼板厚度），即深度分別為5.25，3.50，1.75 mm，試驗二標(biāo)樣外觀如圖3所示。

 

圖 3 試驗二標(biāo)樣外觀

 

檢測參數(shù)

 

頻帶7.5 MHz，增益23 dB，數(shù)字增益18 dB，陣元孔徑8，掃查方式為扇掃，參考聲速5900 m/s，發(fā)射電壓50 V，重復(fù)頻率5 kHz，間隔數(shù)1，角度0°， 范圍16 mm， 脈沖寬度70 ns，檢波類型為全檢波，耦合介質(zhì)為水，聚焦距離16 mm。

 

試驗方法

 

將試件置于水中，將探頭放置在工件上方，在x，y軸方向來回掃查，保證100%覆蓋試件，且至少有10%的重疊。

 

試驗結(jié)果

 

在檢測系統(tǒng)中以鋼板底面回波作為耦合監(jiān)視，確保檢測的有效性。在無缺陷區(qū)域，示波屏上顯示水/鋼界面波和鋼板底面回波及多次底面回波，該顯示由相控陣探頭的28號晶元0°角進行控制，耦合監(jiān)視波形如圖4所示。

 

圖4 28號晶元（0°）耦合監(jiān)視波形

 

對該試件中6處不同孔徑和不同深度的平底孔人工缺陷的檢測波形如圖5所示?？梢妼υ摌?biāo)樣進行相控陣超聲水浸C掃描檢測，所制作的直徑為5，3，2 mm，深度為5.25，3.50，1.75 mm的平底孔均能有效檢出，且信噪比均在15 dB以上，該相控陣超聲檢測靈敏度滿足中厚板中間部位缺陷檢測的設(shè)備性能及鋼板檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

圖5 厚為7 mm試件中平底孔人工缺陷的檢測波形

 

即該檢測系統(tǒng)配合穩(wěn)定的機械掃查裝置，可實現(xiàn)該規(guī)格試件的批量自動化檢測。

 

試驗三

 

主要是針對厚板采用不同頻率探頭進行縱波檢測和橫波檢測靈敏度、上下表面盲區(qū)縱波檢測及板材邊部盲區(qū)橫波檢測的對比分析。

 

試驗標(biāo)樣

 

試件尺寸為300 mm×400 mm×60 mm，在試件中刻有φ2 mm的平底孔，深度分別1.5，15.0，45.0，58.5 mm，60° V形槽深度為58.2 mm，長度為15 mm以及直徑分別為1.2，2.0，1.6，2.0，3.0 mm的豎通孔，試驗三標(biāo)樣結(jié)構(gòu)示意如圖6所示（槽及平底孔尺寸公差均為±0.05 mm）。

 

圖6 試驗三標(biāo)樣結(jié)構(gòu)示意

 

檢測參數(shù)

 

頻帶5/7.5 MHz，增益35 dB，數(shù)字增益18 dB，掃查方式為扇掃，參考聲速5900 m/s，發(fā)射電壓50 V，重復(fù)頻率5 kHz，角度0°，范圍70 mm，脈沖寬度80 ns，檢波類型為全檢波，聚焦距離57 mm。

 

試驗方法

 

將試件置于水中，將探頭放置在距離工件表面24 mm處，在x，y軸方向來回掃查，保證100%覆蓋試件，且至少有10%的重疊。

 

試驗結(jié)果

 

（1）在檢測系統(tǒng)中以鋼板底面回波作為耦合監(jiān)視，確保檢測的有效性。在無缺陷區(qū)域，示波屏上顯示水/鋼界面波和鋼板底面回波及多次底面回波，耦合監(jiān)視波形如圖7所示，其中，5 MHz相控陣探頭由28號晶元0°角進行控制，7.5 MHz探頭由17號晶元 0°角進行控制。

 

圖7 耦合監(jiān)視波形圖

 

（2）對該試件中深度分別為1.5，15.0，45.0，58.5 mm的φ2 mm平底孔進行縱波檢測，不同頻率相控陣探頭的檢測波形如圖8所示。

 

圖8 φ2 mm平底孔的檢測波形

 

圖8中各分圖的左圖均表示5 MHz探頭檢測結(jié)果，右圖表示7.5 MHz探頭檢測結(jié)果。

 

如圖8a所示，其中5 MHz探頭由31號晶元在0°角上檢測出，7.5 MHz探頭由48號晶元在0°角上檢測出，圖8b~d類推。

 

（3）對該試件中深度為58.2 mm，長為15 mm，角度60°的V形槽采用不同頻率的相控陣探頭進行橫波檢測，檢測波形如圖9所示，其中5 MHz探頭由24號晶元在15°角上檢測出（左圖），7.5 MHz探頭由16號晶元在9°角上檢測出（右圖）。

 

圖9 V形槽的橫波檢測波形

 

（4）對該試件中從上至下直徑分別為1.2，2.0，1.6，2.0，3.0 mm的豎通孔，采用5 MHz探頭對豎通孔進行一次橫波和二次橫波檢測，得到的檢測波形如圖10所示，其中一次橫波檢測由12號晶元在0°角上檢測出，二次橫波檢測由23號晶元在0°角上檢測出。

 

圖10 豎通孔的橫波檢測波形

 

（5）對該試件中離鋼板板邊3 mm處的φ1.6 mm豎通孔，利用5 MHz探頭對其進行一次橫波和二次橫波檢測，得到檢測波形如圖11所示，其中一次橫波檢測由15號晶元在0°角上檢測出，二次橫波檢測由23號晶元在0°角上檢測出。

 

圖11 邊部φ1.6 mm豎通孔的橫波檢測波形

 

綜上，對于縱波檢測區(qū)域，在60 mm板厚下，檢測φ2 mm平底孔時，上下表面盲區(qū)均不大于1.5 mm，信噪比均不小于18 dB。

 

在橫波檢測區(qū)域，對于60° V形槽，φ1.2，2.0，1.6，2.0，3.0 mm豎通孔，均能檢測出，且鋼板邊部盲區(qū)不大于3 mm，分辨力不小于15 dB。

 

即漏報誤報率均為0，缺陷檢測重復(fù)性為100%，滿足設(shè)備性能及鋼板檢測標(biāo)準(zhǔn)要求；該檢測系統(tǒng)配合穩(wěn)定的機械掃查裝置，可實現(xiàn)該規(guī)格試件的批量自動化檢測。

 

結(jié) 語

 

采用相控陣超聲技術(shù)對中厚板材進行自動化檢測，不僅可以滿足各項檢測技術(shù)指標(biāo)，且相比于常規(guī)超聲檢測技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：

 

① 相控陣超聲探頭可隨意控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度，無需人工調(diào)節(jié)或更換探頭；

 

② 相控陣超聲探頭中采用多晶片探頭進行快速順序激勵，其輻射聲場相當(dāng)于單晶片探頭機械式連續(xù)位移和轉(zhuǎn)向，更加提高了檢測的可靠性；

 

③ 針對不同的檢測對象，可通過系統(tǒng)軟件進行對應(yīng)設(shè)置，而無需對探頭進行調(diào)試操作；

 

④ 多晶片超聲波束的聚焦，提高了檢測信噪比，可滿足更高的檢測要求。