基于CⅠVA 仿真的小径管座角焊缝相控阵探头优化

张超才，陈 震，李士林

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门361024）

1 引言

小径薄壁管座角焊缝因母管与支管管径、壁厚差异大，在焊接过程中易产生典型焊缝缺陷[1]。管座在长期服役过程中，由于角焊缝特殊结构，受力形式多样，易造成局部应力集中，并逐步开裂，产生疲劳裂纹等高危缺陷，将严重影响管座设备的安全。为此对小径薄壁管座角焊缝进行有效地无损检测，对设备安全运行具有重要意义。

常采用渗透、磁粉等方法对管座角焊缝表面、近表面进行检测。射线检测受角焊缝特殊结构、壁厚影响较大，易造成布片困难以及检测灵敏度低等问题[2]。对于内部缺陷，大多采用常规超声进行检测，受壁厚和曲率的影响，为了使超声声场覆盖整个管座角焊缝，需要用多种K 值探头到不同位置进行检测[3]。缺陷检出率不仅取决于检测仪器，还依赖于检测人员的综合能力。超声相控阵检测技术作为目前超声检测前沿技术，其检测效率、缺陷检出率、定性及定量精度等方面都比常规超声具有明显优势，特别对于复杂几何形状材料的检测[4]。但是，对于安放式小经薄壁管座角焊缝的检测，由于受焊缝特殊结构、壁厚、曲率等因素的影响，超声相控阵检测也存在一定局限性。

本文通过建立小径薄壁管座角焊缝3D 模型，利用CⅠVA仿真软件对相控阵探头频率、阵元间距、阵元数等参数进行声场仿真，揭示了各参数对声场的影响规律；并对阵元不同外型进行声场仿真，总结其变化规律及特征，从而得出检测小径薄壁管座角焊缝最优探头参数，有助于相控阵探头的定制以及检测工艺的制定。

2 CIVA 声场仿真基本理论

声场仿真理论主要用于计算超声探头在样品内部所形成的声场。声场特性直接关系到样品内被测区域的声束可达性、能量有效覆盖性，因此对样品内声场建模仿真是开发及优化相控阵探头和制定检测工艺的基础。

CIVA 声场仿真是基于Pencil 法修正的瑞利积分模型，可以将探头离散成点源的形式。Pencil 模型是基于Deschamps 电磁波理论转换为弹性动力波的基础上建立的，目的是预测点源到计算点之间，声波经历各种路径的弹性动力学量。根据Snell-Descartes 定律确定声束产生的不同的路径，通过Pencil 相关矩阵计算，量化每条路径相关能量，再由Christoff 定律验证各种波的极化方向及弹性动力学矢量性质。

3 CIVA 声场仿真

小径薄壁安放式管座角焊缝3D 模型采用solid works 软件绘制，如图1 所示。母管尺寸规格为Φ610 mm×17.5 mm；支管尺寸规格为Φ27 mm×2.5 mm，支管侧焊缝坡口为50°。

图1 模型图

3.1 频率对检测的影响

频率的选择对检测结果影响较大，频率越高，近场区越大，焦点越小，分辨率越高；但过高又会产生栅瓣，而且声波在样品内衰减也会增加，不利于检测。对于该样品模型，选取频率为2.5 MHz、5 MHz、7.5 MHz、10 MHz 进行声场仿真，仿真结果如图2 所示。

图2 不同频率声场仿真图

结合图2 的声场仿真结果：2.5 MHz 在待测焊缝区域声压幅值较高，但近场区较短，无法聚焦到焊缝区域，且待测区域声束较宽，分辨率较低；10 MHz 声束最窄，分辨率最高，但频率越大，衰减就越大，在待测区域声压最低；7.5 MHz分辨率比5 MHz 大，但声压只比5 MHz 低了约2.4 dB，由于焊缝区域比较小，尽量选择高频以获得较高的检测分辨率。综合聚焦性能、分辨率及衰减等因素，频率选择7.5 MHz。

3.2 Pitch 对检测的影响

为了提高声束的指向性，可通过增大阵元间距Pitch来减小声束主瓣宽度，进而增大声束横向分辨率。但Pitch过大，又会产生栅瓣，影响检测。

频率选取7.5 MHz，Pitch分别取0.35 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm（其中阵元间隙g=0.05 mm）分别进行声场仿真。仿真结果如图3 所示。

图3 不同pitch 声场仿真图

由图3 的声仿真结果可知，随着Pitch值增大，近场区增大，待测区域声压增大，聚焦能力增强，分辨率提高。Pitch值尽量选取大些，但也不能很大，不然会产生栅瓣，影响检测。综合聚焦性能、分辨率及消除栅瓣等因素，Pitch值选取0.55 mm。

Pitch值确定以后，阵元宽度e应尽量接近pitch值，选取e=0.5 mm 即可。

3.3 阵元数对检测的影响

在频率为7.5 MHz、Pitch值为0.55 mm（阵元宽度e=0.5 mm、阵元间隙g=0.05 mm）情况下，对比不同阵元数8、16、32 进行声场仿真，仿真结果如图4 所示。

图4 不同阵元数声场仿真图

由图4 的仿真结果可知，8 阵元近场长度较短，二次波在待测区域声束较宽，分辨率较低，且声压幅值较32 阵元低了约12 dB。随着阵元数增加，近场长度增加，待测区域聚焦性能增加。阵元数过多，一方面会增加相控阵系统的复杂性；另一方面，阵元数过多，所用平斜楔块增大，与曲面耦合性能下降，造成部分阵元产生杂波，反而不利于检测。结合在母管曲面进行二次横波检测，以及聚焦性能、检测分辨率等因素，综合考虑选取阵元数为32。

3.4 阵元类型

一般线性相控阵探头受管径曲率影响较大，管径越小，声场发散越严重。自聚焦曲面探头，其阵元曲率可以弥补一部分管径曲率带来的影响，声场影响较小。因此设计合适的曲面线阵可以在一定范围内达到较好的检测效果。

探头在阵元数N=32、频率为7.5 MHz、Pitch值为0.6 mm的情况下，进行平探头、自聚焦半径R=305 mm、自聚焦半径R=100 mm 的声场仿真，仿真结果如图5 所示。

图5 不同曲率相控阵探头声场仿真俯视图

从图5 仿真结果可以看出，平探头受管径曲率影响较大，声场发散形成2 个焦点。自聚焦半径R=305 mm 时，对管径曲率补偿较小，声束依旧发散。当自聚焦曲率半径R=100 mm 时，声束较集中，检测分辨率较高。综合考虑选取自聚焦半径R=100 的相控阵探头。

3.5 探头参数

根据声场仿真结果、理论基础、成本等，综合考虑后，探头参数如下所示：自聚焦半径R=100 mm 的线性相控阵探头、频率为7.5 MHz、阵元数为32、Pitch值为0.55 mm、主动孔径为17.55 mm、被动孔径为10 mm。

4 结语

本文基于CⅠVA 仿真软件，对检测小径薄壁管座角焊缝所采用的超声相控阵探头进行探头参数声场仿真分析，探究了各参数对声场的影响规律，并分析了平探头和自聚焦相控阵探头的声场特征，揭示其变化规律。通过声场仿真分析得出：将探头置于母管侧进行接触式超声相控阵横波检测的方式，声束可有效到达检测区域，声束聚焦能力及检测分辨率都能达到检测需求，并能为后期研制专用检测相控阵探头以及现场检测工作提供理论依据。