超声相控阵技术原理、应用及研究现状
摘要：简述超声相控阵检测技术的发展、原理、特点及相控阵换能器的分类。超声相控阵技术通过对超声阵列换能器各阵元进行相位控制，能获得灵活可控的合成波束，进行动态聚焦、成像检测，能够提高检测灵敏度、分辨力和信噪比。介绍了国外超声相控阵检测成像技术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用。超声相控阵检测技术较常规超声波检测具有高速、高效、适合复杂结构件以及能实时成像等优点,在压力容器、核电站和海洋平台结构等工业无损检测领域具有良好的应用前景。
关键词：焊接；缺陷检测；相控阵；焊缝；超声检测 0 前言
超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代，目前已广泛应用于医学超声成像领域。由于该系统复杂且制作成本高，因而在工业无损检测方面的应用受到限制。近年来,超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。在国外，相控阵技术发展十分迅速，尤其在医学诊断和工业检测方面的研究非常活跃。一些公司如R/D TECH 、SIMENS 及IMASONIC 还推出了商品化相控阵超声工业检测系统。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用,使得超声相控阵检测技术得以快速发展,逐渐应用于工业无损检测,如对气轮机叶片检测、和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。
而在国内，超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域，在工业检测方面还非常落后，主要的设备都依赖于进口， 2001 年首先引入相控阵系统 PIPEWIZARD 全自动超声检测系统，成功应用于国家重点工程——西气东输。 1 超声相控阵技术原理
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超声相控阵换能器的工作原理是基于惠更斯—菲涅耳原理。当各阵元被同一频率的脉冲信号激励时，它们发出的声波是相干波，即空间中一些点的声压幅度因为声波同相叠加而得到增强，另一些点的声压幅度由于声波的反相抵消而减弱，从而在空间中形成稳定的超声场。超声相控阵换能器的结构是由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面; 同样，
图1 超声波相控阵换能器实现电子聚焦和波束偏转原理示意图 接收反射波时，按一定的规则和时序控制接收单元并进行信号合成和显示。因此可以通过单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚集位置和焦点尺寸。
超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收) 脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束度可控和可动态聚焦两大特点。图2 为超声波束偏转聚焦示意。超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发,通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。
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图3 为超声相控阵系统动态聚焦示意。为实现快速动态聚焦,超声相控阵系统的发射器按波束聚波束聚焦定理向每个阵元发射信号。根据互易原理,相控阵接收时的方向控制也用延迟来达到。各阵元回波信号经延迟后叠加,即可获得某方向上目标的反射回波,由此形成的图像分辨力可显著提高。 1.1相控阵探头
超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构件检测的需求。为不同形状的超声相控阵换能器,按其阵元排列方式分为一维线形阵列、一维环形阵列、二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列四种形式与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测。由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用 B 超上,工业上很少使用。圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷。
图4 相控阵探头阵元几何排列示意图 1.2 相控阵技术特点
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与常规超声探头比较，相控阵检测具有明显的优势： ( 1) 超声相控阵系统使用的探头盘体积小、质量轻。
( 2) 突破了传统机械聚集只能形成估计焦点的局限性。通过软件参数的设置就能对所关心区域的多角度、多方向扫查，可以更好的适应工况，整个检测系统更加灵活。
( 3) 可以对焦柱长度、焦点尺寸、声束方向进行优化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷检出率。超声相控阵换能器按其晶片形式主要分为三类，即线阵、面阵和环形阵列。
图5 超声相控阵换能器按其晶片形式示意图 2 超声相控阵检测技术的应用及局限性
超声波相控阵检测系统可以是手动，半自动，或者全自动工作。相对于常规的单探头超声波检测方法，超声波相控阵检测技术的特点在于：简单手工操作；具有多种扫描方式；检测效率高；适应性强。
超声相控阵检测适用于能源工业、石化工业、航空航天工业、船舶、铁轨、汽车等行业。如核电站和能源工厂重要零部件的检测，如涡轮盘、涡轮叶片根部、核反应堆的管道、容器和转子、法兰盘等，管道检验，腐蚀检测和绘制腐蚀图，大型曲面板材、铝合金焊缝、搭接连接、环形件和喷嘴、各种制件的结构完整评价等。 2.1 粗晶、后壁工件检测
在核动力装置及设备中,厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件多,设备和管道中某些焊缝可达性及可检性差而申请免检多。此时,应用相控阵技术可提高检测效率,减少辐照时间,扩大超声检测应用范围,取
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得显著的经济效益和社会效益。用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和筒体间电子束焊环焊缝进行 100% 全自动超声检测, 可避免采用复杂机械装置,利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响,提高信噪比。采用含 64 个单元的相控阵换能器进行水浸法 B 扫描检测,在模拟试块中可检出焊缝区内直径为 13mm 的人工边孔。900MW 压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是,凸缘和轴承之间空间狭小(图6) ,探头移动空间极为有限,可达性差;双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。然而,使用具有 16 个单元的线性阵列探头进行检测,可不拆卸轴承和密封圈等结构;具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘间的耦合;根据楔块形状调整延迟,校正畸变声场。该系统可扫查圆周外表面以下 200mm 的范围,可检出径向平面内 5mm 以上的疲劳裂纹。图6 粗晶奥氏体钢在核工业中应用广泛,但其可靠检测一直是个难题。最新研究表明,相控阵技术同 TRL 及 DSP 技术结合起来已成为行之有效的检测手段,其最大特点是检测信噪比高,且只需一个相控阵换能器就可检测不同深度缺陷 。汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普通单一探头进行。以叶根检测为例,若使用相控阵换能器,可在不拆卸叶片的条件下从图7 中
图 7 枞树形叶片的检测 图6 热疲劳裂纹的检测 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个方向检测,既能提高检测效率,又能避免拆卸损坏。在其它工业领域,相控阵技术亦有着广泛的应用,如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。R/ D TECH 公司研制的管道全自动超声相控阵系统可检测壁厚650mm ,直径100 1400mm 的管道,扫查速度为100mm/ s ,4min 可检测一条完整的陆地输油管焊缝(包括仪器安装和
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超声相控阵技术原理、应用及研究现状
