超声相控阵技术在小曲率锻件超声检测上的应用

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1、石油和化工设备一42一2013年第16卷超声相控阵技术在小曲率锻件超声检测上的应用郭宏川(四川省自贡市特种设备监督检验所，四川自贡643001)[摘要]对小曲率锻件进行超声检测时，因工件曲界面造成耦合层厚度增加、探头与工件有效接触面积减少、超声波声柬扩散问题，导致检测灵敏度下降和缺陷定位定量误差增大本文提出采用超声相控阵聚焦技术以改善声束的指向性，进而提高曲界面工件超声检测的灵敏度。通过曲面对比试块的试验和小曲率锻件的检测实践，证明相控阵技术对小曲率锻件的检测灵敏度及定位定量精度均优于常规直探头。[关键词]小曲率锻件；超声检测；相控阵技术；

2、应用对小曲率锻件进行超声检测时，因与平界面面探头仅有部分通过耦合剂与工件耦合，导致有检测不同，工件的曲界面对超声检测的可靠性带效的声源发射面积减小，这是小曲率锻件超声检来一定影响，由曲率引起的灵敏度损失可达30dB测灵敏度降低的原因之一。以上⋯，有时甚至无法用常规直探头进行可靠检小曲率锻件超声检测界面声耦合状况如图1所测。本文提出采用超声相控阵技术进行小曲率锻示，对于厚度为6的耦合剂间隙，超声波通过耦件的超声检测。相控阵聚焦技术可以改善声束的合层进入金属的声压穿透率D可表示为式(1)[2]：指向性，从而提高曲界面工件超声检测的灵敏度。笔者采

3、用超声相控阵技术及B扫描实时成像技术，通过足够数量的探头排列和触发时间控制，并选用不同频率范围，以实现不同曲率锻件的超√c。s一+c主：举sin㈩u声检测。通过加工的曲面相控阵检测专用对比试块的试验研究，采用的相控阵聚焦与B成像技术对式中：D一超声波在耦合层中穿过距离为6时不同声程的2平底孔有足够的检测灵敏度。笔者的穿透率，％；l(c一耦合剂波矢量，mm一；6一耦合剂层厚度，mm；Z一耦合剂声阻抗，kg／m2．s；Z一将超声相控阵聚焦技术应用于小曲率锻件的检测实践，取得了较好效果，检测灵敏度及定位定量工件声阻抗，kg／m2．s：Z一探头声阻

4、抗，kg／m2．s精度均优于常规直探头。1．2声束扩散的影响l小曲率锻件超声检测的技术难点对曲界面进行超声检测时，由于工件表面与探头只有部分接触，使有效接触面积减少，从而1．1声耦合的影响导致声束扩散角比平界面探头与工件全接触时声对小曲率锻件进行超声检测时，一般情况下束扩散角大。另外，超声波从耦合剂或有机楔块探头不作修磨，平探头与曲界面的接触不平整，通过凸形界面(从入射方向看)进入工件时，由假设在检测过程中对探头施加一定的压力，则探于曲界面的影响，导致声束进一步扩散。因此，头中心线与圆周曲界面呈线接触，其余区域耦合声束扩散也是小曲率锻件超声

5、检测灵敏度降低的层厚度自探头中心线向外按一定规律增厚[1]。超声原因之一。波的穿透率与耦合剂的厚度直接相关，因此曲界为计算方便，将探头和工件通过耦合剂接触面造成表面耦合增加首先是耦合剂厚度增加造成部分视为长W、宽为2a的矩形探头，假设超声的，平面探头放在曲面上，探头中心呈线接触，波开始发射时便以0。扩散，则其在工件中的扩散其余区域具有一定厚度的耦合剂间隙，超声波通角Q为：过一定厚度的耦合层进入金属的声压穿透率小于平界面检测的声压穿透率，从而造成检测灵敏度作者简介：郭宏川(1969一)，男，~tJll自贡人，大学本科，高降低。另外，由于耦合剂

6、的润湿性能的影响，平级工程师。在四川省自贡市特种设备监督检验所从事锅炉压力容器检验检测及研究工作。第12期郭宏川超声相控阵技术在小曲率锻件超声检测上的应用．．43．．超声相控阵探头内规整排列着多个压电晶片，每个晶片可视为一个独立的超声探头，称为一个阵元。这些阵元的面积非常小，可以看作点波源或线波源p】。超声相控阵仪器中的时序控制器以一定的时序激励阵元，使每个阵元先后产生相同频率的超声波。根据惠更斯原理，这些超声波将在空间中相互叠加从而形成稳定的声场。根据与探头间各阵元相对位置的不同，某些点的声压幅值由于同相叠加而得到加强，另一些点的声压幅值

7、由于反相叠加而被减弱或抵消。因此采用超声相控阵聚焦技术可以改善声束的指向性【4】，从而提高圆周曲界面工件超声检测的灵敏度。超声相控阵一般采用线阵列，阵列布置如图2(a)和图2(b)。对于图2fa)，各个晶片单元组合在工件表面沿曲面排成一列，其声聚焦效果与圆柱曲面晶片类似。对于图2fb1，各个晶片单元组合在工件表面轴向排成一列，由于运用电子技术实现了超声波声束在工件纵截面上的动态聚焦[5】，但在工件横截面上声图l曲界面声束扩散图束依然是发散的，因此聚焦效果低于图2(a)。然而图2(b)的各个晶片单元组合沿直线排列，相控阵探=arcsinsin

8、(Oo+，7)}头制作较为容易，因此笔者采用图2(b)的技术方C案。式中：Ce-耦合剂声速，m／s；C．工件声速，nfsan；⋯in埔声波波长，mm1．3缺陷定位与定量影响以纵波