超声相控阵在水下焊接中的应用研究

叶建雄，李志刚，程 群

（1. 浙江机电职业技术学院，浙江 杭州310053；2. 华东交通大学机电学院，江西 南昌330013； 3 江西省乐平市第一中学，江西 乐平333300）

目前，湿法焊接在焊接手段、工艺、焊接材料等方面已有不少成果，实现了从“能焊”向“焊好”的转变。理论研究方面，Mazzaferro J A 等研究了不同深度的浅水条件下的电弧特性[1]，石永华等利用U-I 相平面图，进一步分析了电弧稳定性与水深的关系，以及不同水深时工艺参数组合[2]；高辉、焦向东等采用Abaqus 有限元软件,对摩擦螺柱焊的焊接过程进行了仿真研究，比较了相同工艺参数分别在有水和干式环境下的焊接效果[3]；在湿法焊接材料研制方面，Hanover 大学开发了双层自保护药芯焊条、美国研制了7018S 和“Black Beauty”，这些焊条的焊接质量均满足美国船级社AWS D3.6 的标准，并且英国的Hydroweld FSTM 焊条在桥梁、船舶的维修中得到了实际应用； 在国内， 哈工大的郭宁等开发了一种药芯焊丝， 可以在30 m 以内的水深完成CCSE36 等级钢的焊接，接头性能也达到了AWS D3.6 的标准[4]；在焊接方法和工装方面，魏康、李康等采用冷轧和退火处理工艺制备了异质层状结构的316L 不锈钢，然后采用GTAW 焊接工艺对处理后的钢板实施单、双面焊接成型，处理后的316L 不锈钢内部形成明显的超细晶层状组织结构，大幅提高了母材的抗拉强度[5]。但在湿法焊接自动化领域，目前遇到的最大问题是没有合适的传感器可用。众所周知，在陆地焊接中最常用的传感器是CCD 图像传感器和旋转电弧传感器[6-7]，为了在湿法焊接中使用CCD 传感器，必须将它们封装在一个透明的防水盒子中，且一般需要增加辅助光源以增强照明；除此之外，所采集的图像还经常受到弧光、汽泡和水中悬浮物的影响，难以采集到理想的焊缝图像；而旋转电弧传感器在水下焊接中的应用，主要集中于浅水以及电弧与水压的关系特性等方面，已有研究表明，电弧长度及稳定性受水压的影响很大，水压越大电弧越短、电弧稳定性越差，水压过大时会使电弧熄灭；因而要将此传感器应用于水下湿法焊接中，不但要解决电机在水下可靠安全工作的问题，而且要考虑如何减少水压对焊接电弧所带来的不利影响。

湿法焊接自动化要求性能良好的传感器，这促使人们开展水下传感特性的研究工作。 前期研究成果表明，单体超声波传感器可以直接应用于水下，且对弧光、汽泡不敏感，利用相关系数法可以实现水下高精度测距，从而得到传感器与工件之间的距离，进而利用几何关系确定焊缝的准确位置[8-9]，但这种方法存在需要在水平方向移动传感器、检测效率低等不足之处。 为此，在研究中引入了PA，它包含数十乃至上百个小阵元，在外形上常见的有直线型、圆形或其他特殊类型。 所有的小阵元都具有独立的驱动电路，因而利用它进行焊缝形貌的检测，具有检测灵活方便和高效的优点。

论文首先介绍相控阵传感器的基本工作原理，然后在此基础上确定所用PA 的物理参数，包括PA 的形状，阵元数量及阵元间隔大小；最后给出PA 工作时所需的多种电路，包括高精度时钟生成、声波发送和接收，以及带通滤波等电路。

1 PA 的物理参数设计

PA 是由众多排成不同形状的小阵元构成的，各阵元发出声波并在水中形成干涉，为了保证声波能够在工件表面聚焦，这些由不同阵元发出的声波必须满足惠更斯原理，即各声波具有相同的频率和稳定的相差，合成波的幅值在相角差为π (180°)的偶数倍时最大，为π 的奇数倍时最小，相角差为其他值时，幅值则介于最大与最小值之间，且幅值和相角差满足一定的函数关系。 在图1（a）所示的湿法焊接环境中，PA 置于工件正上方约30 cm 处，相同频率的声波依次从选定的若干阵元发出，就可以实现在不同的空间点聚焦，但如何快速地聚焦于工件表面上的不同位置，属于场扫规划的内容，在此不再展开。 本论文将从理论上分析PA 聚焦于特定点的工作原理，进而分析PA 的结构参数与定位精度的关系。

图1 PA 在水下湿法焊接中的应用Fig.1 Ultrasonic PA working method in underwater wet welding

与通过机械运动进行各点测距的单管传感器相比，PA 的效率显著提高。 PA 的大小、阵元的数量及阵元的排列形式、间距对聚焦的效果都有很大影响，对于图1（b），当声波的焦点在图中P 点时，为了使O1和O2点处的阵元所发声波能同时到达焦点，发出声波的时间差可以由余弦定理求得

式中：r1，r2分别为二阵元O1，O2到焦点P 的距离；d 为相邻阵元的间距；θ 为阵元、焦点连线与竖直垂线的夹角，因而由上式可得时间差如下

式中：Δs 为r1和r2的差；C 为声波在水中的传播速度；d 为二点间的阵元间隔数量。

根据式（2）确定各阵元所发出声波的时间差，同时借助软件ArrayCalcis 可以进行声波干涉效果的仿真，这是一款可以进行立体干涉效果仿真的软件，设置好PA 的形状和阵元参数后，其可以算出在空间各点波的合成效果并用三维图形进行表示，从而为PA 的选择和工作参数的设定提供依据，图2 给出了有8 个阵元的线性PA 在主瓣偏转角度为10°时的2D 和3D 干涉效果。

与圆形、面型相控阵相比，线性PA 更易于在工件表面获得直线型的焦点。 利用ArrayCalcis 分析不同阵元参数的线性PA 聚焦效果，通过计算焦点至各阵元的距离及角度，可以获得直观的干涉效果。 图3 给出了阵元本体宽度为b=2 mm，阵元间距d=3 mm 时，阵元个数分别为8 和16 时，各阵元依次相隔0.2 μs 发出声波时的干涉效果，其中暖色调比冷色调所代表的能量高，深色比浅色所代表的能量高。

图2 PA 声波的聚焦与偏转Fig.2 PA focusing and flection results

图3 聚焦精度与阵元数量的关系仿真Fig.3 Relationship between number of PA units and focusing precision

表1 给出了更多参数时的仿真结果，从结果可以看出，阵元数量越多，聚焦精度越高，同时主瓣能量比重也越高，但阵元数量的增加，会导致通道数量的增加和控制电路、驱动电路的增加，使整体电路复杂度增加。

表1 不同阵元时的聚焦精度Tab.1 Focusing accuracy under various units number

聚焦精度除了与以上参数相关外，还与时钟分辨率密切相关。 声波的不同时延影响各声波干涉时的相位，并形成声波的偏转。Erhard A 等分析了时钟的量化误差与旁瓣离散化之间的关系，旁瓣的能量与主瓣能量的比例可用下式表示[10]式中：N 表示阵元个数；μ 表示脉冲周期相对于最小时钟量化误差的比值。S 越小表示能量越集中、聚焦精度对于确定的N，通过增加μ 值可以获得理想的S 值，但μ 的增加是以硬件开销为代价的，也就是说，时钟分辨率越高，聚焦效果越好，但对硬件的要求也会越高。 因而需要在性能需求和硬件成本二者之间确定一个平衡点。

针对水下焊接的实际，水中声速约为1 340 m/s，PA 一般在工件上方40 cm 左右，焦距不会超过50 cm，因而可确定所用PA 的参数见表2。

表2 PA 的工作参数Tab.2 Working parameters of PA

2 控制及驱动电路设计

电路从功能上划分为控制电路、激励信号产生及放大电路、带宽滤波器、声波发送和接收放大电路等部分，此外，为了灵活准确地控制焦点的变化，还设计了高精度时钟发生器，以精确控制各阵元所发出声波的时间差。 具体如图4 所示，其中，控制电路包括16 路独立的通道，每个通道均由与门电路74HCT11 控制，仅当启动信号Start signal、时钟输出信号Out 均为高电平时，相应通道的激励信号Excitation 才能通过与门电路送往后面的阵元放大及激励电路，驱动阵元发出所需的声波。

图4 控制电路结构Fig.4 Structure of control circuit

根据预先设计好的扫描路径，计算出各阵元间的时间差，并将这些值存储在计算机中，工作时按一定的步序依次将这些值送往CPLD（complex programmable logic device）；高精确度时钟信号由CPLD 器件EPM1270144C5 实现，它集成有1 270 个逻辑单元、近千个宏单元及8 KB flash 单元，各通道的触发过程如下：

* EPM1270144C5 每次接收一组由计算机通过串口送来的时间序列值，并依次存储在长度为8 bit 的16个寄存器中，每个寄存器对应一个阵元。

* CPLD 完成时序信号的接收后，启动其内部的高速硬件累加器开始计数，并将累加值与各通道的时间序列值进行实时比较，在匹配的瞬间将对应的信号从OUT 口送出，从而确保时序的准确性。

* 利用高速三输入与门电路74HCT11，确保只有当激励信号、时钟信号和启动信号均为高电平时，对应的阵元才能被激励并发出声波。

PA 工作中，位于工件上方约30 cm，由式（2）可知，所需的最小延时为26.97 ns，最大延时约为1 799.69 ns，将EPM1270144C5 的工作频率确定为100 MHz 时，8 位的累加器可以实现的最小时延和最大时延分别为10 ns 和2 550 ns，完全满足上述的使用要求。但需要注意的是，各通道的初始时刻、以及各阵元所发声波的频率和初相位必须相同，为满足这些要求，由CPLD 发出的起始信号同时送往各通道的门器件，并且时序输出越高，信号所用的时钟比较器为同一累加器，由于CPLD 芯片内各通道所具有的时延特性是相同的，因而可以认为各通道的起始时刻是完全相同的。

图5（a）所示为声波发射电路，激励信号被高频变压器EE1302 放大，最高电压可达130 V；图5（b）是声波接收电路，回波被阵元接收后，首先利用高频三极管NPN9013 放大，然后通过由M33078 构成的有源带通滤波器进行滤波，滤波后的信号最后由高速信号采集卡PCI4712 所采样。

图5 声波发送和接收电路Fig.5 Sound wave emitting and receiving circuit

3 结论

PA 可以方便地实现声波的偏转和聚焦，影响其精度的因素主要有阵元数量、阵元间隔大小以及时钟精度，通过研究得到以下结论：

1） 聚焦精度受PA 的物理参数影响，阵元数量越多，聚焦精度越高，但相应的硬件电路越复杂。 同时，PA 使用的环境对电路参数的选择也有影响，电路要能完成最小及最大延时时间的精确计量。

2） 干涉波的相位差由激励波的延时决定，而延时的准确性与时钟精度密切相关，即聚焦精度也取决于时钟精度，时钟精度越高，聚集精度也越高。

3） 工作频率的增加可以提高时钟精度，通过CPLD 而不是选用微处理器产生时钟脉冲，可以显著提高工作频率。

在水下湿法焊接中，利用PA 进行焊缝信息检测，相比于单管超声波传感器具有灵活、高效的特点，但水下焊接环境恶劣，信号受到的干扰大，如何实现PA 信号的高速、有效处理，需要进一步的深入研究。