相控阵超声波检测技术在焊缝检测中的应用分析

相控阵超声波检测技术在焊缝检测中的应用分析

摘要：在管道环焊缝检测中，相控阵超声波检测技术具有检测精度高、检测速度快、可重复性强、缺陷检出率高、检测成本低等优点，适用于各种管径、坡口形式焊缝的检测，有效提高焊接工艺水平和焊接质量，是自动焊焊缝检测的首选技术，已得到了很好的应用和推广。

关键词：相控阵；分区扫查；带状图；体积通道；TOFD通道；耦合通道

随着焊接技术的快速发展，全自动焊接工艺被越来越多的应用到了管道建设施工中，焊接水平的提高也对检测技术提出了更高的要求。通常，焊接检测方法采用X射线检测和手动超声波检测。这两种检测方法都有其各自的优、缺点：?譹?訛射线检测虽具有直观、对体积型缺陷敏感等优点，但射线检测成本高，速度慢，对面积型缺陷（如未熔合）不敏感，而且具有射线辐射，安全性差；?譺?訛手动超声波检测虽具有操作简便，应用灵活和对面积型缺陷敏感的忧点，但手动超声波检测结果可重复性差，对焊缝缺陷不能定性，只能作为辅助检测手段。所以射线检测和手动超声波检测已不能满足焊接检测技术发展的需要，于是全自动相控阵超声波检测技术应运而生。

在管道环焊缝检测中，相控阵超声波检测技术具有检测精度高、检测速度快、可重复性强、缺陷检出率高、检测成本低等优点，适用于各种管径、坡口形式焊缝的检测，成为自动焊环焊缝检测的首选技术。

1相控阵系统工作原理

1.1波束聚焦原理

相控阵检测技术是通过软件控制晶片阵列中每个晶片时间延迟，控制脉冲发射使波束聚焦到特定的深度，并以一定的角度传播。阵列可以产生聚焦的横波和纵波。相控阵可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦等功能（如图1所示）。

1.2焊缝的分区扫查设置

采用相控阵超声检测技术的关键是进行分区扫查，根据焊缝坡口形式、填充次数将焊缝分成几个垂直的区，如根部区，钝边区，热焊区，填充区。每个分区的高度一般为1~3mm，每个区都由一组独立的晶片进行扫查（这种分区的扫查被称为Ａ扫）。检测主声束的角度根据各分区的焊缝坡口角度进行设定。Ａ扫采用聚焦声束进行扫查，焦点尺寸一般为2mm，每个分区以焊缝中心线为界，分为上游、下游两个通道，其检测结果在扫查带状图上进行显示（如图2所示）。

1.3系统设置

焊缝两侧需要分别进行检测，如果采用常规超声多探头系统扫查该焊缝需要多个常规探头，而采用相控阵系统则只需配置两个相控阵探头就可以产生128个通道，也就相当于128个常规探头。因此，相控阵系统可以适用于各种坡口形式的焊缝检查。

全自动相控阵系统可以通过系统应用软件自动完成检测设置，操作者只需选择焊缝坡口形式和输入相应的参数（如坡口角度，分区高度、焊缝间隙和壁厚等），计算机将自动计算出用于焊缝的聚焦法则，进行通道参数设置（如图3所示）。

1.4系统焊缝扫查图

全自动相控阵超声波检测系统的焊缝扫查图包括每个区域的带状图，体积通道，TOFD通道和耦合通道（如图4所示）。根据带状图中的时间门信号和波幅确定反射体的位置与大小。体积通道（称为B-扫描）主要用于检测气孔之类的体积型缺陷。TOFD通道用于判断真伪缺陷信号和精确定位。

2相控阵技术优势

2.1与X射线检测技术的比较

①该技术安全性好，无射线辐射。②该技术采用水作为耦合剂，对环境无污染，更环保。③该技术检测速度快，完成一道焊缝检测只需3分钟左右，并能马上得到检测结果；而射线检测则需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，速度慢。

④该技术具有非常强的缺陷检出能力，尤其是对未熔合等面积型缺陷检出率很高；而射线检测只对体积型缺陷（如气孔）敏感，对于面积型缺陷的检出率较低。

⑤该技术定量精确，能够精确检出缺陷的长度，深度和自身高度；而射线检测仅能确定缺陷的长度。⑥该技术可以有效提高焊接过程控制水平。⑦该技术用水作为耦合剂，大大降低了检测成本；而射线检测需要胶片、显、定影液等检测材料，检测成本高。⑧该技术可以将检测数据直接存储到计算机硬盘或U盘，数据管理方便，节省存储空间；而射线底片的存储则需要更多的空间和保护措施。

2.2 与手动超声检测技

术的比较

①该技术检测速度快，以ф1016管径为例，相控阵系统完成一道焊缝的检测只需3分钟左右；而用手动超声波检测仅单角度检测一道口就大约需要1个小时左右。

②该技术检测精度高，相控阵系统可以对缺陷进行精确定性和定量；而手动超声波检测只能粗略定量，不能定性。③该技术对缺陷的检出率高，相控阵系统可以检出未熔合、未焊透、气孔等多种缺陷；而手动超声波由于检测角度固定，只能检测出与波束夹角较大、反射较强的缺陷，检出率低。

3结语

相控阵技术是与射线检测、手动超声波检测相比，具有安全、环保、高效、准确、可靠、缺陷检出率高等多方面的优势，通过过程控制有效提高焊接工艺水平和焊接质量，是自动焊焊缝检测的首选技术，已得到了很好的应用和推广。

参考文献：

[1] 钟德煌,郑攀忠.便携式相控阵探伤仪在焊缝超声检测技术中的应用[J].无损检测,2009,(3).

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文