超声相控阵技术在钢制对接焊缝检测中的应用研究

孟　辉（江苏中特创业设备检测有限公司，南京　211100）

超声相控阵技术在钢制对接焊缝检测中的应用研究

孟辉
（江苏中特创业设备检测有限公司，南京211100）

焊接技术是目前工业领域应用较为广泛的技术之一，焊缝连接结构具有周期短、密封性好、重量轻等特点，同时以其良好的力学性能得到青睐。然而，焊接过程中产生的内部缺陷却大大降低了焊接性能。超声相控阵能够实现复杂零件和盲区的检测，具有灵敏度高、结果直观，实时显示的优点，在钢制对接焊缝检测中的具有明显的应用优势。

超声相控阵技术；对接焊缝检测；无损检测

0　绪论

钢材是现代化建设不可或缺的重要材料之一，其应用范围有目共睹。而焊接是加工钢材的重要的重要技术手段之一，科学技术的发展使钢材的焊接性能不断提升，但仍不可避免的产生些许的缺陷。超声相控阵技术以其独特的优势，成为钢制对接焊缝检测中的重要应用技术。

1　超声相控阵技术的起源与发展

超声波被人类所发现并作为一种检测技术应用可追溯到第一次世界大战期间，被用于对水下目标的追踪。近百年来，超声检测技术在各个领域都发挥了不可替代的重要作用。科技的发展也使各种新技术相互融合进步，新技术不断衍生。超声相控阵技术逐渐走入人们的视野当中。超声相控阵技术源于相控阵雷达，在相控阵雷达的使用过程中，众多的子天线但愿有序的排列，每个子单元的电磁波幅度和延时均可控，能够达到一定空间范围内形成相对灵活的雷达波束。与之类似，超声相控阵由众多压电阵组成的阵列换能器，达到声波发射与接收的目的。［1］近些年来，超声相控阵技术的应用范围越来越广泛，最初的应用就是医学中的B型超声检测与诊断技术，其应用了超声相控技术以实现动态的聚焦，其利用了相控阵所使用换能器快速移动的特点，使声束形成所检测器官的影像。其次，利用它控制局部升温，可达到热疗的效果，能够在很大程度上提升目标组织的吸收率。

在超声相控阵技术起步的发展时期，其系统的复杂性较高，检测存在很大的困难，且需要高额的检测成本，其在工业无损检测上的应用受到了极大的限制。科技的发展使我们的生活日新月异，中国造船业崛起，船舶工业中对技术精度的要求越来越高，超声相控阵无损检测技术得到了用武之地。船舶检测过程复杂，检测量大，检测条件较为苛刻，超声相控阵检测技术的高精度、聚焦性、灵活直观的特点使之越来越受到重视。同时，计算机软硬件技术的同步发展，数据分析处理能力的提升、纳秒脉冲信号控制、压电符合材料等高新技术领域的技术的崛起，也使超声相控阵检测技术的应用性大为提高。目前已经被广泛的应用在石油天然气、航空航天、核能建设、机械制造等各个领域的无损检测。超声相控阵无损检测技术受到越来越多的关注，也成为众多专家学者的研究内容，其应用性也不断提升，应用前景被大多数学者所看好［2］。

2　超声相控阵技术在钢制对接焊缝检测中的应用

钢材是工业化社会进步与发展的重要材料，而焊接是钢材得以应用的重要技术之一。对于焊接过程中形成的缺陷进行检测，是保证工件质量的重要环节。超声相控阵无损检测具备独特的优势，使其在钢制对接焊缝检测中收到青睐。

2.1钢制焊缝的检测

钢材是现代社会建设过程中不可或缺的重要材料之一，其应用十分广泛，涉及到社会生活的方方面面。焊接则是钢铁材料加工成型的重要手段之一，也是各国越来越重视的先进制造技术之一。现今，焊接技术也向着日益轻型化，大型化的方向发展，焊接效果也不断提升，带来了十分可观的经济效益，成为国内外许多学者和工程人员重要的研究内容。焊接技术包括物理化学两方面的方法，实现材料间的重组连接，具有韧性好、强度高、重量轻，密封性好的优点。我国的许多大型工程，如三下大坝、铁路与公路的建设过程中，均广泛的应用了焊接技术，钢板的焊接技术也不断取得新的突破。但是，焊接过程中也很容易产生各种缺陷，对各种缺陷的检测是保证工件、工程质量的重要环节。超声相控阵检测技术以其独特的优势，在钢制焊缝检测方面受到越来越多的关注。

2.2超声相控阵检测技术的原理与特点

超声相控阵技术被应用于无损检测，目前已经到了大范围的实际应用阶段。超声相控阵技术实际上是通过对换能器阵列中各阵元进行控制，改变激励脉冲时间的延迟，以此来达到影响每一个阵元所发出的声束到达检测物体每个面每个点时的香味的关系，进一步完成改变声束方位和聚集点的变化，并以此为依据进行成像。因为相控阵阵元可动态的改变延迟时间，因而超声相控阵检测中的探头探伤实际上是利用了声束可动态聚焦以及角度可控两大特性。与传统的普通超声检测技术相比，其优势主要体现在以下几点：首先，聚焦深度与声束的角度都是可控的，可满足更加复杂的区域和位置的检测；其次，能够完成高速的电子扫描，可通过晶片组合进行专场控制；最后，在声场强度上也远胜于普通的超声检测技术，可在很大程度上将声束在检测材料中衰减的影响降低，也可在一定范围内使用更高的检测频率。

2.3超声相控阵技术在钢制对接焊缝检测中的应用

钢板的对接焊缝的检测是超声相控技术检测中最为典型的应用之一。其整个检测过程中，避免了传统超声检测中焊缝两侧多次锯齿形的扫查，仅需要沿焊缝的方向水平移动即可。但同样需要在检测之前对系统进行精确的校准，需要在检测之前根据检测材料的特效和形状来确定探头的角度与频率，控制声速以及延迟检测灵敏度，来综合的进行校准。而编码器的位置校准后，误差应不高于3ram。钢制对接焊缝的形状通常有V型、K型、X型等，对它的检测方法通常包括直射法（半跨距或一次波检测）、底波一次法（全跨距或二次波检测）等，应用直射法，对焊缝的声束扫描仅包含到下部，而底波一次法则实现了对整个焊缝的覆盖。［3］超声相控技术对钢制对接焊缝的检测更有结果显示直观的特点，能在很大程度上提高缺陷检测的精确度，提升工件的质量，得到了广泛的认可和关注。

［1］郝培培.金属材料超声缺陷检测关键技术研究与应用［D］.南京信息工程大学，2013.

［2］刘晓睿.超声相控阵技术检测和评价［D］.南京航空航天大学，2012.

［3］张巍.超声相控阵检测技术在现代制造业中的应用［J］.科技创新导报，2012（07）：72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.029