李 衍 無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會

柔性相控陣換能器用于復雜焊接結構的超聲檢測

李 衍 無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會

介紹靈巧的兩維和三維柔性相控陣換能器，用于檢測幾何形狀復雜的焊接結構中裂紋類面狀缺陷的方法特征和優(yōu)勢。新的實時功能，能重建內外表面輪廓；全點聚焦（FTP）法，能有效改善內表面開口裂紋的成像效果。期盼此法對承壓設備復雜結構的超聲檢測，開辟新通道。

超聲波 柔性相控陣換能器 焊接結構 形狀復雜 裂紋檢測 成像算法

對幾何形狀有變化或不規(guī)則的焊接結構進行超聲檢測時，用接觸式探頭的常規(guī)方法，會受到探頭與工件耦合條件的限制。而且，無論用接觸法或水浸法，其檢測有效性，都會因聲傳播囿于聲波與表面間較復雜的相互作用，而受到干擾。 近年來，為檢測不規(guī)則或復雜形狀工件，歐美(特別是法國和加拿大)開創(chuàng)了用柔性陣列探測的方法[1]。

本文介紹柔性相控陣換能器在工業(yè)應用上的最新進展和所獲成果，突出其對形狀復雜焊接結構中的缺陷有效定位、定量的優(yōu)勢。另外，還介紹如何借助于嵌入式輪廓測量儀，從工件外面和內面進行幾何形狀測量，實時重建工件圖像，并給出工件底面開口缺陷的超聲回波典型圖像。最后，以典型實物模型為例，結合柔性相控陣的特性，對高級的缺陷成像重建算法進行評價。

1 兩維柔性相控陣換能器[2,3]

1.1 原理

柔性相控陣換能器由32個直線狀壓電晶片組成，

機械裝配成可變形結構，彎曲半徑為15mm（見圖1)。此超聲傳感器連接另外兩個裝置：一個是能將壓電晶片壓合在被檢工件表面的機械裝置，另一個是換能器耦合不規(guī)則表面輪廓的測量儀器。輪廓測量隨后由計算耦合表面輪廓的延時律的算法實時處理。此技術能有效控制聲束特性(包括方向、聚焦深度，轉角)。

圖1 兩維柔性陣列換能器和X128平行通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

換能器固定在機械臂上，由步進電機驅動。而實時UT采集系統(tǒng)控制掃查、每個陣元的電子激發(fā)、自適應過程和數(shù)據(jù)存儲。延時律的實時計算，由系統(tǒng)的FPGA（Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列）組件進行。這些延時律要考慮聚焦特性和輪廓測量儀給出的被檢工件表面的實際形變。為計算和應用一個延時律，重復率可達每秒1000次。使用采集系統(tǒng)嵌入計算的具體操作模式，要求有硬件多通道采集系統(tǒng)。

1.2 兩維不規(guī)則幾何條件下的檢測試驗

為驗證柔性探頭實時自適應模式的能力，用內設人工反射體的、有復雜表面輪廓的實物模型（即專用試塊，見圖2）作了檢測試驗。此專用試塊代表有不規(guī)則表面的焊接件，對實物表面輪廓有實測值。專用試塊中，在不同位置鉆了兩組長橫孔，每組4孔，孔徑均為2mm，深度各為20、30、40、50mm。第一組作為參考反射體的4個橫孔位于平表面下，第二組4個橫孔則位于不規(guī)則表面下。耦合部位是平面時，也用2D柔性換能器作了驗證。

圖2 用柔性相控陣換能器對專用試塊進行檢測

為在一個探頭位置覆蓋有效檢測區(qū)域，用縱波進行數(shù)據(jù)采集，讓聲波在40mm深度，0°～55°范圍內，匯聚30個焦點，依次掃查。按此布置，嵌入過程的重復頻率，用30個延時律時約為300Hz。此重復頻率與探頭在不規(guī)則表面上的位移和數(shù)據(jù)采集分辨力相匹配。圖2即表示探頭在兩個探測位置的超聲傳播和顯示特征。兩種情況下，4個橫孔均可獲得良好的檢測靈敏度，并能準確定位。此結果表明：柔性相控陣探頭的自適應過程，能控制住不同聚焦聲束在平表面和不規(guī)則表面輪廓下的特性（包括方向、焦深和轉角)。

1.3 內外幾何狀態(tài)的實時重建

為使幾何形狀復雜的焊接結構，能重建完整的2D幾何圖像，又開發(fā)了新的實時功能。此功能先使用輪廓測量儀重建外部幾何圖像，隨后，又控制縱波0°聚焦聲束進行掃查，一一測出局部厚度（依據(jù)底面回波的傳播時間），再導出工件內部（即底面輪廓）的幾何圖像。

圖3即表示對實際對接焊縫的實物模型——焊接試板，實時重建表面幾何圖形的應用實例。被檢工件外部和內部表面輪廓重建精度較好，外部輪廓達±0.1 mm，內部輪廓達±0.4mm。重建的幾何圖形可作為CAD文檔保存，并可在CIVA軟件中作其它應用。

圖3 用2D柔性相控陣實時重建形狀復雜焊接件上下表面輪廓圖像

2 三維柔性相控陣換能器[4]

為將柔性相控陣的應用范圍擴展到三維幾何體，又研制了3D傳感器，其超聲發(fā)射聲闌由壓電晶片鑲嵌在軟樹脂中的矩陣分布構成。

該3D陣列(見圖4)由12×7陣元（1.8×2.5mm2）組成，鑲嵌在直徑50mm的軟樹脂中。探頭有效聲闌為32×26mm。機械部件由3×3矩陣活塞組成，矩陣活塞將陣列壓在被檢焊接件表面，通過位移傳感器測量表面變形。3D柔性相控陣探頭也由IMASONIC公司制造。

前面提到的多路超聲檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可用于監(jiān)控由變形測量儀器輸出的信號和電壓。

圖4 管接頭焊接實物模型用三維柔性相控陣探頭進行檢測

2.1 用機械手對3D幾何體作檢測試驗

圖5所示是管路中接管連接處的上部（僅幾何形狀尺寸），無焊口的不銹鋼實物模型。該模型中，離表面40mm距離處，鉆有一定直徑的平底孔，位于內輪廓為圓錐形的部位。

為確保復雜的3D軌跡有效，數(shù)據(jù)采集由機械手進行。這些采集均用0°縱波（局部垂直方向）進行，檢出位于圓柱形或圓錐形接頭下的平底孔。

圖5 管接頭實物模型和柔性相控陣檢測布置

圖6表示用50°聲束繞接管圓周作斜角掃查檢測缺陷（平底孔）的實驗結果。

圖6 管接頭中平底孔的檢測、定位和定量

如圖6（a）所示，實驗結果可用原始B掃描顯示圖像表示，但也可對每個檢測位置用主聲束方向確定的入射平面重建圖像表示。圖6（b）即為用超聲縱波檢測平底孔（孔徑3mm，孔高10mm)的3D幾何重建圖像的實驗結果。此3D顯示便于回波（來自缺陷和工件底面）評定，也便于對缺陷進行準確定位（深度位置和角向位置)。底面強回波呈現(xiàn)在一定的扇形掃查寬度范圍內（底面與圓錐形外表面平行)。

實驗結果驗證了柔性陣列機械部分的有效性，也驗證了矩陣聲闌和嵌入過程的有效性，驗證了重建3D幾何表面輪廓圖像以及計算自適應延時律的有效性。

2.2 幾何形狀復雜多變的實物模型中缺陷的檢測和定性

圖7所示實物模型再現(xiàn)了核電站管路中部分混合區(qū)外觀。用3D傳感器檢測雙三通焊接接頭。與電力公司合作，研究了用柔性矩陣探頭檢測這一區(qū)域的工藝。檢測區(qū)域相當于焊接接頭施焊前內部的幾何形狀（焊縫兩側各15mm)。圖7也示出附有楔塊的探頭與檢測區(qū)的形狀復雜表面不匹配的情況。

圖7 三通管接頭3D柔性相控陣的檢測布置

圖8表示實物模型的幾何特征。在十分窄小的被檢表面下，加工了4條線槽（處于與接管1相連接的另一管體圓弧面上)。遇此檢測面，常規(guī)的有楔塊換能器不適于放置。線槽定位的參考點是焊縫根部邊緣。4條線槽均為2mm高，位置離焊縫根部邊緣0～9mm[見圖8(a)]。

為使聲束覆蓋探頭一個機械位置的檢測區(qū)，數(shù)據(jù)采集用深度15mm、橫波30°～65°范圍內的20個焦點進行。要求通過軸向掃查，使信號幅度最優(yōu)。

為能適應不規(guī)則表面（需要曲面半徑為20mm)，并能用60°以上橫波檢測相關區(qū)域，研制了專用3D柔性相控陣換能器。鑒于可接近性問題，探頭的機械部分應適當縮小。

圖8 形狀復雜焊接件用3D柔性相控陣檢測的部位和檢測布置

圖9表示用3D柔性相控陣探頭對2條離焊縫根部邊緣分別為9mm和6mm的線槽作S掃查的檢測結果，展示了重建的B型顯示圖像（上）和對應于線槽最大檢出信號的A型顯示不檢波圖形（下）。

圖9 兩橫向位置不同的擬裂紋缺陷——線槽的柔性相控陣S掃查檢測結果

檢測結果表明：用柔性矩陣相控陣換能器檢測，這兩條橫向位置不同的線槽均可以良好的信噪比被檢出。檢出E1槽的最佳靈敏度是基準線-9dB(橫波45°)，檢出E2槽的最佳靈敏度是基準線-10dB(橫波50°)。另外，數(shù)據(jù)采集結果能側重于端部衍射回波，因而可用于裂紋類缺陷測高(2mm)。

以上結果證明：所研制的柔性矩陣相控陣換能器，具有足夠的指向性檢出焊縫根部及其熱影響區(qū)的擬裂紋缺陷——線槽；柔性矩陣相控陣探頭發(fā)射的超聲波束，能覆蓋此典型實物模型的整個檢測區(qū)域。

3 用后處理算法使形狀復雜焊接結構中的擬裂紋成像

3.1 工件內表面開口裂紋的超聲檢測模式

為有助于理解相控陣后處理算法，有必要回顧一下有關工件內表面開口裂紋超聲檢測的典型模式[5]：

1）端點衍射-端角反射法檢測超聲衍射、反射途徑和不檢波波形示例見圖10。

2）波型變換（MC）法檢測超聲傳播、變型和反射途徑示例見圖11。

圖10 內表面開口裂紋的端點衍射-端角反射法檢測

圖11 內表面開口裂紋的MC法檢測

3.2 FTP*成像算法

按一般觀點，綜合成像FTP算法是評估測量檢測區(qū)某一點散射可能性的圖像。FTP算法基本上由散射體位置獲此類評估值最大時的接收信號的相干累加組成[6,7]。在超聲無損檢測領域，合成聚焦信號的這一概念，最早引述時稱為合成孔徑聚焦算法（SAFT算法)。下面展示的實驗結果，是將FTP算法用于FMC**數(shù)據(jù)時得到的，即整套基本信號對應于柔性探頭所有發(fā)收陣元對。

為改善工件近底面裂紋類缺陷的成像，F(xiàn)TP算法已推廣到多模式的回波圖像，如考慮了涉及缺陷與底面構成鏡面反射的所謂端角效應。另外，也考慮了每次相互作用時縱波（L波）與橫波（T波）之間的波型轉換。以下，由缺陷和底面一系列相互作用或波型轉換表征的給定波程，均稱為“模式”。

*FTP：法語Focalisation en Tous Points縮寫，意即全點聚焦。

**FMC：Full Matrix Capture acquisition縮寫，意即全矩陣捕獲采集。

3.3 形狀復雜焊接結構中的擬裂紋——線槽成像

如圖12所示，為應對檢測焊接結構中常見的不等厚對接或削薄對接的復雜形態(tài)，在底面形狀較復雜的模擬焊接試塊上作了檢測試驗，試塊退拔形底面離焊根一定距離處，用電火花加工了一個高10mm的開口線槽；用2D柔性相控陣探頭（24陣元，2MHz）檢測，獲取FMC數(shù)據(jù)。

探頭置于圖示位置，讓45°橫波或縱波聲束聚焦在線槽底端，則聲波與線槽相互作用的模式圖示于下部。在FTP算法中，超聲傳播時間的計算考慮了入射表面和底面的復雜幾何形狀。圖12（a）是TT模式，不涉及底面反射。圖12(b)、(c)、(d）則分別對應于三種端角效應模式，即LLT、TLL和LTT,，均涉及底面的一次反射。

圖12 形狀復雜工件中底面開口槽的相控陣S掃查圖像

圖12(a)突出對應于線槽兩端的兩點。更令人關注的是對應于LLT和LTT重建的(b)和(d)圖像。利用這些端角模式，線槽可沿其整個長度成像。這是經(jīng)典法做不到的、相當有價值的檢測結果。當探頭位置對應聚焦縱波45°于線槽底端時，線槽成像優(yōu)于涉及入射縱波在底面上的模式成像（TLL模式重建失敗)。

4 結論

1）靈巧的2D和3D柔性相控陣換能器的推出，為超聲檢測幾何形狀復雜的焊接結構提供了有效技術。對2D和3D幾何來說，檢測實際焊接件所得實驗結果表明：對多種缺陷的檢測能力顯示了良好的信噪比。而且，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的嵌入式功能，對相控陣傳感器的實時界面連接提供了很多透明數(shù)據(jù)，這樣實施起來就很容易，因為不需要硬件作修整。比如，新的實時功能就可對形狀復雜焊接件的檢測，重建內外表面輪廓圖像。

2）本文最后一部分，介紹了FTP重建算法用于以2D柔性相控陣換能器進行FMC數(shù)據(jù)采集的情況。對靠近焊接件底面的裂紋類缺陷，實驗結果驗證了該算法對較復雜的波程要比直接回波更有意義，能有效改善此類缺陷的成像效果。

1 O.Casula1,G.Toullelan,etc.Ultrasonic Nondestructive Testing of Complex Phased Array Transduces.18th WCNDT, 2012,4,16－20,Durbaan,South Africa

2 O.Casula,C.Poidevin,G.Cattiaux,Ph.Dumas.Control of Complex Components with Smart Flexible Phased Arrays. Review of Progress in QNDE,2006,25：829－836

3 O.Casula,C.Poidevin,G.Cattiaux,Ph.Dumas.Control of Complex Components with Smart Flexible Phased Arrays. Ultrasonics,2006,44：647－651

4 G.Toullelan,O.Casula,E.Abittan,Ph.Dumas.Application of a 3D smart flexible phased-array to piping inspection. Review in Progress in QNDE,2008,27：794－795

5 R/D Tech.Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications – R/D Tech Guideline.R/D Tech (now Olympus NDT),2007：80－83

6 C.Holmes,B.W.Drinkwater,Paul D.Wilcox. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation. NDT&EInternational, 2005,38：701－711

7 P.Calmon,E.Iakovleva,A.Fidahoussen,G.Ribay,S. Chatillon.Model based reconstruction of UT array data. Review in progress in QNDE,2008,27：699－706

This article described the technical characteristic and superiority of 2D and 3D smart flexible phased-array transducers used to detect crack-like defects in welded structure with complex geometry. A new type of real time function was allowed to reconstruct the external and internal profiles and the FTP algorithm can well improve the imaging of breaking crack located at the back-wall. The intention was to open up a new channel for UT of complex structure in pressure vessels.

Ultrasonic Flexible phased-array transducers Welded structure Complex geometry Detection of cracks Imaging algorithm.

2013－07－08）