20世紀(jì)80年代，相控陣超聲檢測（PAUT）技術(shù)從醫(yī)療領(lǐng)域向工業(yè)領(lǐng)域進行技術(shù)轉(zhuǎn)移，這種新型無損檢測技術(shù)具有檢測速度快、效率高、可成像、靈活性好、再現(xiàn)性好、可存檔等諸多優(yōu)點，已成為特種設(shè)備超聲檢測的重要技術(shù)之一。
該技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)應(yīng)用于我國主要工業(yè)領(lǐng)域，如西氣東輸管道工程中管道環(huán)焊縫檢測、火力發(fā)電廠薄壁小徑管環(huán)縫檢測、汽輪機葉片根部檢測、火車輪軸檢測、核電站主泵隔熱板檢測等。
新一代相控陣超聲檢測系統(tǒng)還配有針對不同焊接接頭形式、特殊構(gòu)件的檢測軟件，檢測部位會形成三維圖像顯示，能夠更直觀地顯示檢測結(jié)果。
采用該技術(shù)檢測時，檢測工藝的制定對檢測結(jié)果有較大影響，因此，有必要對不同激發(fā)晶片數(shù)量對相控陣超聲檢測的影響進行研究，以為同行提供工藝參考。
1相控陣超聲檢測原理及近場區(qū)分析
相控陣超聲檢測技術(shù)使用多陣元換能器激發(fā)和接收超聲波束，通過控制探頭陣列中各陣元發(fā)射（接收）脈沖的延遲時間，改變聲波到達物體內(nèi)某點的相位關(guān)系，從而實現(xiàn)超聲波波束的移動、偏轉(zhuǎn)、聚焦，利用機械掃查和電子掃描相結(jié)合的方法實現(xiàn)多種方式成像。
傾斜入射的聲束聚焦如圖1所示，圖中最上方為各陣元的延遲，中間為各壓電晶片，下方為通過電子控制形成的超聲波束。檢測時，左邊晶片先激發(fā)，往右依次按預(yù)定的延時進行激發(fā)，相互干涉后得到一個向右偏轉(zhuǎn)的超聲聚焦波束。
圖1 傾斜入射的聲束聚焦示意
超聲探頭的近場區(qū)長度N可按下式進行估算：N=Fs/πλ，其中Fs為超聲探頭的孔徑面積，λ為所檢測介質(zhì)中超聲波的波長。
相控陣探頭的近場區(qū)距離Ns可按下式進行計算：Ns=KsL2/4λ，其中Ks為修正系數(shù)，L為激發(fā)孔徑在主動方向上的長度。
由上可知，近場長度與探頭的孔徑面積有關(guān)，對于常規(guī)探頭，近場長度是固定的。而與常規(guī)探頭不同，相控陣探頭激發(fā)的孔徑在主動方向上的長度L可變，近場區(qū)長度可通過調(diào)整一次激發(fā)孔徑而改變，并非一個固定的值。
2檢測試驗及應(yīng)用
選用奧林巴斯的OMinScanX3型相控陣超聲檢測設(shè)備，采用一維線形相控陣探頭以及相控陣探頭楔塊，設(shè)置頻率為5 MHz，晶片數(shù)為64，晶片中心間距p為0.5 mm，寬度e為0.4 mm，間隙g為0.1 mm，對各種深度的橫通孔試塊進行試驗。
聚焦深度10 mm
該聚焦深度下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同深度φ2 mm 橫通孔（SDH）的相控陣超聲扇掃圖像和能量比較如圖2和圖3所示。
圖2 不同深度φ2橫通孔激發(fā)16晶片和32晶片的檢測圖像
圖3 聚焦深度10 mm時的聲場能量對比
由圖2可見，在所有缺陷深度上激發(fā)16晶片比32晶片的圖像更收窄。由圖3可見，同樣地，聚焦10 mm時，所有缺陷深度上，激發(fā)16晶片比32晶片的聲場能量更強。
聚焦深度20 mm
該聚焦深度下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同深度φ2 mm橫通孔的圖像顯示，只有在聚焦點附近19 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的圖像更收窄，25 mm位置處的圖像近似，其他點都是16晶片的圖像比32晶片的更收窄。
由聲場能量對比（圖4）可知，只有在聚焦點附近19 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的聲場能量更強，25 mm位置的能量近似，其他點都是16 晶片能量比32晶片能量更強。
圖4 聚焦深度20 mm時的聲場能量對比
聚焦深度40 mm
該聚焦深度下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同深度φ2 mm橫通孔的圖像顯示，大于25 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的圖像更收窄，25 mm位置處的圖像近似，其他點都是16晶片圖像比32晶片圖像更收窄。
由聲場能量對比（圖5）可知，大于25 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的聲場能量更強，25 mm位置處的能量近似，其他點都是16晶片能量比32晶片能量更強。
圖5 聚焦深度40 mm時的聲場能量對比
聚焦深度60 mm
該聚焦深度下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同深度φ2 mm橫通孔的圖像顯示，大于31 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的圖像更收窄，其他點都是16晶片圖像比32晶片圖像更收窄。
由聲場能量對比（圖6）可知，大于31 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的聲場能量更強，其他點都是16晶片能量比32晶片能量更強。
圖6 聚焦深度60 mm時的聲場能量對比
聚焦深度100 mm
該聚焦深度下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同深度φ2 mm橫通孔的圖像顯示，大于38 mm處，激發(fā)32晶片比16晶片的圖像更收窄，其他點都是16晶片圖像比32晶片圖像更收窄。
由聲場能量對比（圖7）可知，大于38 mm處，激發(fā)32晶片的聲場能量比16晶片的更強，其他點都是16晶片能量比32晶片能量更強。
圖7 聚焦深度100 mm時的聲場能量對比
綜上可知，激發(fā)32晶片并不一定比激發(fā)16晶片的效果更好，通常來講，對于比較厚的工件，用32晶片激發(fā)檢測比較深的位置，效果可能會更好。
3不同激發(fā)晶片數(shù)量的焊縫檢測
使用上述檢測設(shè)備器材和測試條件，對30 mm壁厚的碳鋼對接焊縫進行檢測，焊縫為X型坡口形式。檢測結(jié)果如圖8所示，可見激發(fā)16晶片和激發(fā)32晶片得到的C掃結(jié)果基本一致，細(xì)節(jié)上略有差別。
(a) 激發(fā)16晶片
(b) 激發(fā)32晶片
圖8 焊縫C掃檢測結(jié)果
差別一
由圖9和10可見，激發(fā)16晶片時，一次波和二次波能同時發(fā)現(xiàn)該缺陷，但激發(fā)32晶片只有二次波發(fā)現(xiàn)，一次波未發(fā)現(xiàn)。
圖9 激發(fā)16晶片一、二次波均發(fā)現(xiàn)缺陷的聲場示意
圖10 激發(fā)32晶片僅二次波發(fā)現(xiàn)缺陷的聲場示意
分析認(rèn)為，16晶片的聲束在焦點位置比32晶片的更加發(fā)散，所以發(fā)散的聲束在一次波處能檢測到該缺陷；而32晶片在焦點附近更加聚焦，所以未檢測到該缺陷。
差別二
由圖11和12中的缺陷信號可知，激發(fā)16晶片和32晶片同時能夠發(fā)現(xiàn)此缺陷，32晶片的信號更加收窄。
圖11 激發(fā)16晶片的聲場示意
圖12 激發(fā)32晶片信號收窄的聲場示意
結(jié)語
激發(fā)16晶片與32晶片在檢測相對較薄板的焊縫時，16晶片信號的一致性更好，而32晶片信號在焦點處的聚焦性較好，但在非焦點處較發(fā)散。
對于相對較厚板的焊縫檢測，16晶片激發(fā)和32晶片激發(fā)的檢出率近似，16晶片激發(fā)的焦點處更發(fā)散，因而發(fā)散聲束可以發(fā)現(xiàn)一些聲束覆蓋區(qū)域以外的缺陷信號，但缺陷信號與激發(fā)32晶片的相比，會有拉長放大的現(xiàn)象。
相控陣超聲檢測可以通過調(diào)整延遲法則，在檢測范圍內(nèi)實現(xiàn)聲場和檢測靈敏度的加強，從而提高對缺陷的檢出能力。檢測范圍如果在遠場區(qū)，綜合考慮靈敏度、分辨力和定量差，可將聚焦設(shè)在遠場區(qū)；檢測范圍較小且在近場區(qū)，可將聚焦設(shè)在近場區(qū)。
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