焊縫超聲相控陣檢測工藝參數的選擇

目前，國內船舶建造中的檢測大多仍采用傳統的超聲波與X射線檢測方法，雖然這些技術已較為成熟，但耗費時間較長，過程相對復雜。此外，射線的電離輻射對人體存在一定的危害性，并且在船體合攏后，部分焊口由于空間有限需要縮短拍片焦距，從而會導致底片質量下降，影響缺陷的檢出率。

相比之下，超聲相控陣檢測方法則方便靈活、無輻射、不影響周邊施工，可檢測大壁厚材料，遇到構架也不需開孔和封孔，在作業現場可單面操作，并可定位缺陷深度，返修方便，從而可以有效降低檢測成本、加快施工進度。

同時，采用超聲相控陣檢測方法檢測時，只需將檢測設備與電腦連接即可獲得檢測結果，該方法更為及時、快捷。但在檢測開始前，正確地選擇檢測參數是成功使用超聲相控陣檢測的基礎，否則可能會出現漏檢、誤判等現象，給質量和施工帶來不便。

超聲相控陣檢測系統組成部件的選擇

超聲相控陣檢測系統主要包括由探傷儀、探頭、楔塊等組成的硬件及由激發晶片、聚焦范圍、掃查角度范圍、角度步進等組成聚焦法則的軟件部分。檢測系統參數的選擇主要指硬件和軟件系統參數的選擇，正確地選擇其參數對于有效地發現缺陷并對缺陷定位、定量甚至定性都是至關重要的，實際檢測中要根據被檢工件的結構形狀、尺寸、加工工藝和技術要求來選擇。

儀器的選擇

目前國內外相控陣儀器品牌種類較多，不同儀器性能各有特點，應根據檢測要求和現場條件來選擇檢測儀器。

(1) 應選擇水平線性和波幅線性較好的儀器，以更準確地對缺陷定位及定量。測定方法及最大誤差要求可參考標準ASTM SE-2491。

(2) 實際工程檢測應用環境多以車間或室外為主，宜選擇輕巧便攜、屏幕光亮度好、操作系統簡便的儀器。

(3) 超聲相控陣系統有一系列的發射器和接收器，并且其數量通常為16的倍數，這是儀器施加一組聚焦法則對激發探頭晶片最多數量的限制。比如對于一個32/128的相控陣系統，有32通道的發射器和32通道的接收器，并且能夠切換到支持128通道的探頭，但在單個聚焦法則中，任意一次激發的晶片最大數量為32，對于未用的通道可以用作單晶探頭的某些檢測，比如一對TOFD探頭的檢測。

探頭和楔塊的選擇

(1) 探頭晶片陣列

探頭陣列可分為很多種形式，如線性陣列、矩形陣列、環形陣列等。目前焊縫檢測中比較常用的為線性陣列探頭，對于某些需要一發一收裝置的可用雙線性陣列探頭，如DMA探頭。

(2) 探頭頻率

頻率的高低對檢測有較大的影響。頻率越高，靈敏度和分辨力越高，對檢測有利；但頻率越高，衰減越大，又對檢測不利。實際檢測中要全面分析各方面因素，合理選擇頻率。

一般對于晶粒稍細的碳鋼焊縫，常用頻率范圍為2.5~5 MHz，對于一些薄壁焊縫，頻率可以為7.5 MHz；對于晶粒粗大的不銹鋼焊縫，宜選用較低的頻率，一般選用頻率范圍為1~2.5 MHz；如果是縱波檢測，可用頻率范圍為2~4 MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重的衰減，信噪比下降，甚至造成無法檢測。

(3) 探頭尺寸

探頭的尺寸由各晶片尺寸(橫截面積)、晶片間的距離及晶片數量等決定。尺寸大的探頭通常包含數量多的晶片或尺寸大的單個晶片，可以一次性通過多種聚焦法則激發形成多組功能不同的聲束，通過一次性掃查就可以覆蓋焊縫不同的區域，宜適用于相對壁厚較大的焊縫。但對于某些小型工件，掃查空間或幾何形狀受限、掃查面不太平整的情況，宜選用尺寸較小的探頭。

(4) 楔塊

和常規超聲波不同，相控陣波形種類和波束偏轉不是固定的，而是通過聚焦法則和楔塊來實現的。楔塊的選擇首先是和探頭相互匹配，然后再根據聚焦法則選擇波型種類，對于有曲率的工件，可以選擇跟工件曲率相同或相近的楔塊。

超聲相控陣檢測的工藝參數

通過相控陣系統激發出聲束的參數需要綜合考慮多方面因素，聲束掃描方式、激發的晶片數量及位置、聲束波型、探頭偏移、聲束角度、聚焦范圍等都影響著檢測結果。工藝參數的選擇應遵循以下基本原則：

(1) 聲束能夠覆蓋被檢焊縫所有體積、熱影響區及其以外6mm的區域。

(2) 所設置的參數經儀器調校后，應在認證試塊上認證成功。

(3) 符合標準規范的其他要求。

聲束掃描方式

在焊縫檢測中，通常使用扇形掃描(S掃)，但在某些特殊情況下，為發現某特定區域的缺陷，可輔以線性掃查(E掃)方式，如針對坡口未熔合缺陷，設置一組與坡口垂直的線性掃查是非常有效的(見下圖)，利用藍色扇掃覆蓋焊縫內部、根部及熱影響區，而紅色的線掃則是專門針對坡口區域而設定的。但對于大部分標準來說，這并非是強制要求。

相控陣檢測線性掃查方式示意

聲束類型

在檢測焊縫時，通常采用橫波聲束以及一次反射法來掃查焊縫，但對于晶粒相對粗大的不銹鋼焊縫，有時即使采用低頻的橫波，依然存在著衰減嚴重、信噪比差的情況。此時，采用縱波角度入射不失為一種好的解決方法，如某公司為檢測不銹鋼而設計開發的DMA探頭，就是利用縱波一發一收的原理。

聲束角度范圍

聲束角度范圍的選定則應綜合考慮選擇的楔塊及焊縫尺寸，任一楔塊都有其中心角度，選擇的角度范圍宜在楔塊廠家推薦值的范圍內，以保證聲束的可靠性和可控性。聲束角度范圍越小，覆蓋焊縫體積越有限，這樣一組聲束可能不能完全覆蓋被檢區域，所以應在廠家推薦值的范圍內，盡量選擇大范圍的聲束。但對于大壁厚焊縫的檢測或其他情況下，當一組聲束設置成最大范圍后，仍不能有效覆蓋被檢區域時，則應增加一組或多組聲束。

探頭偏移和晶片激發起始位置

探頭偏移一般指焊縫中心到探頭前沿的距離，其和晶片激發起始位置同時影響著探頭、聲束和焊縫的相對位置。在焊縫存在余高的情況下，應保證有足夠的探頭偏移，避免探頭前沿壓在焊縫余高上而導致無法耦合，通常在保證覆蓋被檢區域的前提下，調節探頭偏移使得被激活晶片處于探頭的中間位置(見下圖)。

探頭偏移原理示意

激發晶片數量

被激發晶片的數量越多，有效晶片的尺寸就越大，輻射超聲波的能量也就越大，發現遠距離缺陷的能力越強。同時，近場區也隨著晶片尺寸的增大而增大，可聚焦的范圍廣，對檢測有利。但過多的激發晶片對相控陣系統也提出了更高的要求，如需要激發32晶片時，16/128的設備則不能實現，至少需要使用32/128的設備；另外增加激發晶片數量會影響掃查速度，還會加重數據存儲的負擔。一般材料檢測時推薦激發16晶片即可，對于厚壁或聲波衰減系數稍大的材料可適當增加晶片數量。

聚焦范圍

和常規超聲波不同，超聲相控陣系統能實現聲束的動態聚焦，而眾所周知，在聚焦區域，聲波能量越集中，靈敏度和分辨力越高，所以正確設定聚焦區域尤為重要。對于尺寸相對較小的焊縫，將聚焦區域設置在焊縫的中間即可，但隨著壁厚的增加，可將焊縫劃分為幾個區域，分別用不同的聲束聚焦來檢測。另外，如果要精確發現某一區域的缺陷，可將聚焦點設置在這一區域。

工藝參數的選擇實例

對某LNG(液化天然氣)平臺建造過程中管線對接焊縫進行相控陣檢測，被檢材料為A333鋼(低溫碳鋼)，焊接工藝為氬弧焊，坡口形式為“V”型，管徑為200 mm，壁厚為12.7 mm。采用的檢測設備為OMNISCAN MX1或MX2，探頭型號為5L32-A11，楔塊型號為SA11-N55S-AOD8.625。相控陣系統與探頭的參數選擇如下：

扇掃

波束類型：橫波

探頭偏移：16 mm

激發晶片個數：16(9~25)

波束角度：40°~70°

聚焦位置：19 mm

線掃

波束類型：橫波

探頭偏移：22 mm

激發晶片個數：8

波束角度：60°

聚焦位置：19 mm

檢測時最多一次激發16個晶片，超聲相控陣設備應至少含16通道，MX1為16/128，MX2為32/128。被檢材料為普通碳鋼，為非高衰減系數材料，為得到更好的靈敏度和分辨力，選用5 MHz探頭即可；同時A11探頭比A12探頭小，對于直徑為200 mm的管線耦合效果更好。A11探頭匹配的楔塊為SA11系列，根據工藝模擬采用橫波檢測，即采用中心角度為55°的橫波楔塊，同時為達到更好的耦合效果，楔塊宜帶有和被檢工件接近的曲率(楔塊直徑應稍大于被檢工件，否則楔塊中心處無法與工件緊密接觸)。

被檢焊縫的壁厚和體積都相對較小，使用一組扇掃就能夠使聲束有效覆蓋被檢體積，同時對于高危險性的坡口未熔合缺陷，則使用和坡口相垂直的線掃加以輔助。波束類型則都使用橫波一次反射法。被檢焊縫表面寬度為18 mm，則探頭偏移至少是9 mm。扇掃的波束范圍覆蓋了焊縫及其熱影響區，同時也在廠家推薦范圍內。聚焦范圍設置在焊縫中心處。

探頭偏移、激發晶片及波束范圍均由被檢焊縫本身決定，但都不是一個絕對的固定數值，這些數值可以通過聲束模擬軟件模擬、修改和確認，工藝的模擬結果如下圖所示。

某焊縫相控陣檢測工藝模擬結果示意

利用此工藝進行焊縫檢驗，經過掃查并分析數據，發現長度為7 mm的根部缺陷。特對此焊縫進行射線檢測，結果與超聲相控陣檢測結果相符。

某焊縫的超聲相控陣與射線檢測結果示意

結 語

超聲相控陣檢測系統有明顯的優越性，但其系統相對于傳統超聲檢測略復雜，在制定其檢測工藝時，應綜合考慮各項因素，并且一定要通過試驗來驗證其檢測效果，若在試驗過程中發現漏檢、信噪比太差等不利因素，應對工藝參數進行調整。

本文作者：劉貴吉，海洋石油工程股份有限公司工程師，主要從事無損檢測工藝開發研究。

本文來源：《無損檢測》2017年第39卷第11期

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