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前言

相控陣超聲波作為一種較新興的檢測技術(shù)，具備檢測角度多、檢測范圍廣、圖像直觀等優(yōu)勢，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其成本也逐步降低，因此在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用也越來越廣。

常規(guī)超聲波檢測通常使用一個壓電效應(yīng)晶片來發(fā)射和接收超聲波，其聲場沿著與楔塊角度相關(guān)的固定折射角度傳播。雙晶探頭可以看作是兩個探頭（晶片）被隔聲層分開，兩個探頭通常呈約8°的傾角，從而導(dǎo)致兩個探頭縱波區(qū)域的重疊，形成一個偽聚焦區(qū)。在聚焦區(qū)內(nèi)，由于能量密度更高，因此缺陷檢出性更好，其中聚焦區(qū)的深度等參數(shù)受限于晶片的傾斜角角度，一般是固定的。

相比常規(guī)超聲波檢測，超聲波相控陣檢測就比較復(fù)雜，通過對不同晶片的相位設(shè)置等方式，使不同的晶片發(fā)出不同方向的波，這些波在一定的距離聚焦，同樣形成一個偽聚焦區(qū)。

因常規(guī)雙晶探頭檢測應(yīng)用較多，故本文不再贅述。在超聲波相控陣聚焦法則設(shè)置時，聚焦參數(shù)的設(shè)置是非常重要的內(nèi)容。相控陣聲波束軸線聚焦如圖1所示，如果精確控制每個晶片的激發(fā)時間，使每個晶片激發(fā)的超聲波同時到達(dá)某一位置，且相位一致，這樣在該位置處所有晶片的超聲波疊加在一起，都是正向疊加，在該位置處回波幅值最高，可以達(dá)到聚焦的效果。

因此，本文擬對超聲波相控陣聚焦問題進(jìn)行研究，擬研究的問題如下。

1）不同焦距的設(shè)置對近場區(qū)和近場缺陷檢出性的影響。

2）不同焦距的設(shè)置對檢測靈敏度的影響。

3）相控陣超聲波檢測的楔塊對檢測結(jié)果的影響。

4）缺陷的大小對檢出性的影響。

5）相控陣全聚焦（TFM）技術(shù)對檢出缺陷成像效果的影響。

本文擬通過試驗和數(shù)據(jù)分析的形式，比較相控陣和常規(guī)超聲波檢測，得出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，以便在具體檢測中靈活選擇。

1.1 試驗儀器

1）采用以色列Isonic公司生產(chǎn)的Isonic2009相控陣檢測儀。

2）自帶相控陣探頭PA-5M32E0.5P：頻率5MHz，晶片數(shù)量32，晶片中心距0.5mm，晶片寬度10mm。探頭縱波楔塊：有機(jī)玻璃，厚度20mm，V20PA-8/16。

3）工件：對比試塊，試塊可以盡量簡化一些對實際檢測有影響的參數(shù)，從而方便對比。試驗采用階梯試塊，孔徑分別為0.5mm、1.5mm，孔深分別為5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、60mm、80mm。

4）耦合劑：機(jī)油。

5）其他配件：設(shè)備自帶探頭線、直尺等。

1.2 試驗方法

在焦距固定的情況下，分別找不同深度孔的回波，調(diào)至80%，觀察波形情況，并記錄分貝值等參數(shù)。為了方便觀察，采用A掃描顯示，而不是相控陣常用的S掃描，因為前者的波高顯示比后者的偽彩色顯示觀察起來更為明確。

在試驗過程中，由于數(shù)據(jù)量很大，因此本文僅列出對于上述問題有影響的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以便去除冗余數(shù)據(jù)，從而更好地得到結(jié)論。

1.3 試驗過程

（1）關(guān)于焦距設(shè)置對近場區(qū)和近表面缺陷檢出的影響

 對0.5mm平底孔階梯試塊上孔深5mm的平底孔進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。圖2a中的閘門位置為孔波，在這種情況下雖然可以在圖中發(fā)現(xiàn)缺陷波，但這是理想情況下的試塊，在實際檢測中，該缺陷波淹沒在草波中，無法分辨其性質(zhì)，因此不可能發(fā)現(xiàn)該缺陷波。

在其他參數(shù)不變時，其波形更低，盡管同樣也不能識別，但其檢測效果更差于聚焦深度為10mm時，如圖2b所示。以上試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)設(shè)置的聚焦深度越深時，對于近表面缺陷的檢出性越差。

（2）關(guān)于焦距設(shè)置對檢測靈敏度的影響

對不同聲程的0.5mm平底孔開展超聲波相控陣檢測試驗，結(jié)果如圖3所示。圖3a為孔深10mm平底孔檢測結(jié)果，根據(jù)檢測波形可以看出在孔深為60mm、不改變參數(shù)的情況下，隨著孔深的增加，波高逐漸降低，草波相對變高，信噪比隨之不斷降低。到60mm深度時，孔波被完全淹沒在草波中（見圖3b），不具備檢測意義，而聲程80mm深度的平底孔則無法發(fā)現(xiàn)孔波。

（3）楔塊的存在對檢測結(jié)果的干擾

相控陣檢測在檢測時多帶楔塊配套使用，從而避免探頭晶片的磨損導(dǎo)致探頭損壞。楔塊的存在，應(yīng)該類似于水浸法檢測的水層，會多一個固定的界面波。在水浸法中，超聲波首先在工件的上表面返回一個固定波，然后因探頭反射而在工件上形成一個二次反射回波。雖然這兩個波很高，但對于實際檢測沒有意義。相控陣超聲波檢測的楔塊，原理應(yīng)該相同，試驗數(shù)據(jù)必須在第一個固定的楔塊界面波后、第一次底面回波前（不考慮二次波時）。實際檢測結(jié)果正是如此，檢測時需要注意圖3中的兩組波形，前面的是始波（包含一次界面波），后面的波為二次界面波。

同時，由于固定波具有一定的寬度和高度，因此必然會對檢測結(jié)果造成干擾。聚焦深度為10mm時，對于檢測深度10mm、孔徑1.5mm的平底孔，其檢測結(jié)果如圖4所示，無清晰可辨的缺陷波?？咨畈?/span>變時，其他參數(shù)下檢測結(jié)果與之類似。大部分試驗的60mm聲程均無法發(fā)現(xiàn)該缺陷孔波的存在，應(yīng)該是被淹沒在二次界面波里了，因此檢測時必須注意這點帶來的漏檢的可能性。

（4）缺陷的大小對檢測結(jié)果的影響

缺陷越大，必然檢出性越好。如圖5所示，與圖4相比，僅平底孔徑不同，其他參數(shù)均相同。圖5中檢測結(jié)果雖然仍難以識別，但其效果遠(yuǎn)好于圖4，其他類似的結(jié)果也證實了這一點。因此，可從試驗中看出，當(dāng)平底孔直徑從0.5mm增大到1.5mm時，各聲程孔波辨別率和信噪比會更好。

2.1 關(guān)于近表面的檢測

1）綜合上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在距離入射面很近的區(qū)域（如5mm以內(nèi)），回波很難識別，即使加楔塊后類似于雙晶探頭，仍然難以識別，同時，結(jié)合常規(guī)的雙晶探頭的檢測數(shù)據(jù)，常規(guī)雙晶探頭在該距離下的檢測結(jié)果也同樣很差。

2）對于＜5mm深度的區(qū)域，1.5mm孔徑的檢測效果遠(yuǎn)好于0.5mm（所有聚焦深度均是），在非常近表面的檢測中，如果孔徑更大，則檢測效果會更好。

2.2 關(guān)于焦距對靈敏度的影響

1）當(dāng)聚焦深度為10mm時，隨著深度的增加，靈敏度開始下滑，在40mm深度可以識別，但較為困難，60mm深度則無法識別。其他聚焦深度結(jié)論類似，均是聚焦區(qū)域附近效果最好，結(jié)果與常規(guī)雙晶探頭相似。因此，檢測時聚焦深度最好與預(yù)期的缺陷位置相匹配，差距越小，則檢測時的效果如信噪比、識別性等往往越好。

2）與常規(guī)雙晶探頭類似，最高波不在聲程最淺的地方，而在中間某一聲程且未必精確在設(shè)置的焦距位置，相對于焦距位置可能存在一定的浮動。對數(shù)據(jù)制作出DAC曲線（見圖6），曲線形狀與常規(guī)雙晶探頭的形狀基本相同。

3）在檢測過程中，由于可能存在缺陷的二次波比一次波高，因此檢測時需要考慮是否同時顯示多次波來進(jìn)行檢測。

如果工件具備一定的厚度且檢測要求較高，則可能需要設(shè)置不同的聚焦深度或者設(shè)置動態(tài)集聚焦

完成檢測，具體需要針對具體工件和設(shè)置進(jìn)行試驗分析，這點與常規(guī)雙晶探頭相同。

3.3 楔塊的影響

1）類似于水浸法，當(dāng)使用探頭楔塊時會出現(xiàn)多次楔塊界面反射波，部分聲程會因與界面波重合而無法檢測，這就需要更換楔塊等方式來重復(fù)檢測。

2）不同深度的缺陷，一次波可能在楔塊二次界面波的后面。

3）雙晶探頭，在標(biāo)準(zhǔn)中是有檢測深度限制的（如＜50mm、＜45mm等，不同標(biāo)準(zhǔn)有所不同），目前相控陣的檢測標(biāo)準(zhǔn)沒有詳細(xì)說明，但檢測時也需要注意，最好通過試驗來確定檢測深度的極限。

2.4 缺陷大小的影響

1）孔徑1.5mm平底孔檢測效果遠(yuǎn)好于0.5mm，缺陷大小對檢測的效果影響很大。

2）在超聲波檢測理論中，超聲波檢測的靈敏度約為超聲波波長的一半，試驗中可以看出這點并不成立，因此需要在實際檢測中注意以試驗結(jié)果為準(zhǔn)。

3）超聲波檢測是針對宏觀缺陷進(jìn)行的，對于0.5mm當(dāng)量大小甚至更小的缺陷，其檢出性較差，考慮到試驗中檢測對象為平底孔，而實際缺陷是“懸空”的，存在很嚴(yán)重的衍射，因此檢出性會更差。

因此，在檢測當(dāng)量較小的缺陷時，還是應(yīng)該盡量提高檢測頻率、降低檢測速度，以確保檢測質(zhì)量。

針對風(fēng)電行星輪內(nèi)孔0.5mm當(dāng)量要求制定超聲波相控陣檢測工藝，檢測深度為25mm，表面加工余量為5mm，基于以上試驗分析和結(jié)論進(jìn)行如下規(guī)劃。

1）提高超聲波相控陣檢測靈敏度至7.5MHz，以滿足檢測靈敏度要求。

2）采用雙線陣檢測聲程較近的區(qū)域、單線陣檢測聲程較遠(yuǎn)的區(qū)域，二者結(jié)合完成全部聲程檢測。

3）雙線陣聚焦距離為5mm，單線陣聚焦距離為20mm，兩焦距保證覆蓋到全部檢測區(qū)域。

4）分別采用適用雙線陣和單線陣超聲相控陣檢測探頭楔塊，其中為了保證界面反射波不干擾檢測，雙線陣楔塊厚度至少為0.46倍的工件厚度（假設(shè)楔塊聲速為2730m/s）。

根據(jù)上述規(guī)劃，采用武漢中科HS PA30超聲波相控陣檢測儀和7.5MHz相控陣檢測探頭進(jìn)行工藝制定，風(fēng)電行星輪內(nèi)孔0.5mm當(dāng)量相控陣檢測工藝制定部分驗證結(jié)果如圖7、圖8所示，驗證結(jié)果顯示滿足本文分析結(jié)論。

相控陣全聚焦（TFM）成像方法具有獨(dú)特的聲場特性和信號特性，可以采用一種“場測量”和“場校準(zhǔn)”技術(shù)路線，采用全聚焦技術(shù)得到的相控陣聲場的聲壓分布比常規(guī)超聲的均勻，不同位置上的聲壓變化比較平緩。

本文設(shè)計制作了驗證試塊，通過開展TFM和常規(guī)PAUT對比試驗，識別TFM技術(shù)對缺陷成像效果的影響。驗證試塊如圖9所示，1號試塊包含3個不同深度的橫孔，2號試塊包含表面和背面的2個刻槽，3號試塊包含近表面和背面的2個刻槽。TFM和常規(guī)PAUT對比試驗檢測參數(shù)見表1。

試塊缺陷檢測圖像對比如圖10所示。由圖10a、b可見，TFM的橫孔圖像清晰可辨，且各橫孔顯示比常規(guī)PAUT更貼近實際形態(tài)。由圖10a～f可見，TFM的掃描顯示范圍比常規(guī)PAUT更廣，可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)多個缺陷圖像的共同顯示：圖10d同時識別了背面刻槽的圖像和上表面刻槽的下端衍射圖像，圖10f同時識別了背面刻槽的圖像和近表面刻槽的完整衍射圖像。

由此可見，TFM技術(shù)的成像效果比PAUT更好，分辨力更高。在實際檢測中對缺陷實際形貌的判斷會產(chǎn)生一定的影響，需更多地依賴經(jīng)驗和對聲波傳播特性的理解，才能實現(xiàn)成像缺陷形貌與實際缺陷形貌的匹配，因此受人為因素的影響較大。采用TFM技術(shù)得到的結(jié)果直觀明了，其檢測結(jié)果與實際試塊中橫通孔的形貌相差不大，判斷更加簡單方便。

相控陣超聲波檢測是基于超聲波檢測基本原理而延伸的一種檢測技術(shù)，很多原理、技巧類似，甚至完全相同。因此，結(jié)合常規(guī)超聲波檢測的一些結(jié)論，可更方便新方法的理解和工藝選擇。

本文試驗證明，在聚焦這個問題上，相控陣和常規(guī)雙晶探頭、水浸法探頭基本是類似的，可以有效地利用這兩種方法的成熟結(jié)論來協(xié)助解決問題和制定新的檢測工藝。采用相控陣全聚焦技術(shù)檢測成像效果更加準(zhǔn)確直觀，也更接近檢測缺陷實際形貌，較相控陣常規(guī)線性掃查結(jié)果變形較小，圖像信噪比較高。

由于相控陣全聚焦技術(shù)對設(shè)備的硬件配置要求較高，因此對軟件的運(yùn)算速度提出了更苛刻的要求，導(dǎo)致其設(shè)備價格昂貴。另外，由于其運(yùn)算數(shù)據(jù)成數(shù)量級的增加，因此導(dǎo)致其檢測時長也比普通相控陣成像延遲更明顯，技術(shù)壁壘和價格導(dǎo)致相控陣全聚焦技術(shù)發(fā)展受限，但其優(yōu)越的聚焦成像效果是未來相控陣發(fā)展的必然趨勢。