相控阵超声对小径管焊缝检测的研究

齐春雨

中国船级社质量认证公司 北京100006

1 相控阵超声技术的概述

相控阵超声技术是相对于脉冲反射法超声的一种全新的超声波发射和接收技术,相控阵探头是由许多小尺寸、成一定结构排列的晶元体组成的阵列探头,每个晶元体都能够实现独立的超声波信号的发射和接收。通过控制每个晶元体的超声波信号发射时间,来控制波束的偏转和聚焦。通过设定晶片的聚焦法则来进行线性扫查和扇形扫差。由此可以不移动探头就可实现对材料内部全面的检测,克服零件外形对检测的影响。由于相控阵超声设备统可以筹控制多组晶元实现超声波的发射和接收,因此可以实现探头发射多组角度和形态都不同的波束,相当于多个脉冲反射信号同时工作,实现了对复杂材料的高效检测。

2 相控阵超声技术对小径管焊缝检测影响因素分析

2.1 相控阵超声仪器的性能影响

(1)相控阵探头参数影响。探头楔块加工成曲面后,探头边缘声束会产生散射,晶片尺寸愈大,散射愈严重。为了减少这种散射的不利影响,同时为了减小探头前沿长度,压电晶片尺寸不宜过大,且最好选择自聚焦相控阵探头。小径管焊缝检测,探头参数选择可参考表1。

表1 小径管焊缝检测探头参数选择表

(2)相控阵扫查方式设定影响。常见的相控扫查方式有扇形扫查、线性扫查。不同的扫查方式的应用原理不同,而且使用的领域也不同。例如,利用扇形扫查可以检测一些几何形状复杂且检测空间受限的工件。而利用线性扫查方式可以完成一些大表面积的工件的检测。

2.2 相控阵超声技术应用软件的影响 在软件选择和软件参数的仿真设置中往往会出现偏差问题。因此,展开对相控阵超声检测系统的软件校准成为影响其对小径管焊缝检测质量的关键所在。在校准的过程当中,需要进行角度校正增益(ACG),对不同角度回波声压的变化进行补偿控制。如了解楔块延时修正软件功能,利用圆弧来补偿不同角度声束的波幅变化的情况,然后利用相控阵中的接收放大器软件来调整扫查角度范围内的每个角度的波幅响应,如此计算得出总的传播时间,由此得到楔块的传播时间,进行两者关系的对比掌握对偏差角度的衰减处理。因此,在整体应用中,如果所采用的软件计算原理不同,则得出来的补偿方案结果不同。

3 相控阵超声对小径管焊缝检测中的应用

3.1 试验准备分析 选用小径管焊缝检测试块GS-1-GS-4。相控阵超声仪器选用Omniscan相控阵超声设备或Sonotron NDT相控阵超声设备。相控阵超声探头选用频率和阵元分别为5 MHz16阵元,5 MHz32阵元、10 MHz16阵元、10 MHz32阵元等。

3.2 试验过程及结果分析

(1)试验方法。对于不同的小径管焊缝使用不同的探头和相控阵超声设备检测,对比检测效果。

(2)普通脉冲反射法超声(A 超)检测。对小径管焊缝的缺陷进行测量。主要方式是在标准块上测出所用探头的零点、前沿距离及折射角,斜探头在小径管外表进行Z字形移动,从而检测确定焊缝内部缺陷的位置。A 超检测速度较慢,缺陷的定位、定量及最严重缺陷的判断和作业人员的自身的技术、手法以及经验等有很大关系。

(3)相控阵超声检测。对于小径管角焊缝的检测主要是通过仪器建立小径管焊缝的模型,建模时观察仪器模拟情况,应让一次波尽量能覆盖到焊缝的根部区域,二次波尽可能覆盖到焊缝的表面区域,不建议采用三次波,利用一次二次波检测整个焊缝情况。模型建立完毕后按仪器提示步骤利用GS试块制作TCG 曲线。实际检测时对被检焊缝做好标记,标记0°位置,测量步进偏移数值与仪器Index offset值相符,并在管子上划出圈状标记,方便楔块前端按此标记进行检测。随后安装探头、编码器、小径管专用工装,按编码器设置的扫查方向沿管子周向移动探头,观察仪器检测图谱有无耦合异常,尽可能连续作业,一次形成整条焊缝的图谱。

(4)相控阵检测与普通UT 检测技术对比,相控阵超声可以快速扫查焊缝内部缺陷,比A 超要快很多,提高了检测效率;其次相控阵可对检测的焊缝实时观察并保存图谱数据,而且效率高且环保,有可记录的留底数据,方便后期检测缺陷扩展情况。通过软件对检测的图谱进行分析、研判,对缺陷的检出率高,而且检测精度高。利于判断缺陷的位置、大小等。

(5)通过检测试验结果可知,相控阵超声对小径管焊缝的内部缺陷检出率较高,能够达到90%左右。由相控阵超声对小径管焊缝检测的试验可知,其根本目标就是为了确定焊缝的缺陷位置以及缺陷大小的情况。当前制定一个完善、合理的相控阵超声检测标准与评定标准,能提高小径管的焊缝缺陷的检测精度与检测效率。

4 结语

作为近年来兴起的一种无损检测技术,相控阵超声技术具有较多的优点。通过试验可知,对于小径管焊缝的检测效率高而且检测精度高,因此,在小径管的无损检测中将发挥越来越大的作用。但是现阶段还需要加强相关检测标准规范的执行力度,确保所检测的小径管焊缝能满足使用要求。未来在研发新型相控阵超声技术的时候,更需要加强规范管理,减少小径管焊缝出现问题的概率。