超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用
摘要 分析了超声相控阵技术的特点，介绍了超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用。从应用结果看出，超声相控阵技术能极大地提高检测效率，降低劳动强度，节省检测成本。
主题词 超声波检测 相控阵技术 焊接接头
Applications of Ultrasonic Phased Array Technology in Welding Joints Inspection
Huang Yong-wei 1，Jiang Yan 2，Tian Guo-liang 3
（1．Metal and Chemistry Research Institute ，China Academy of Railway Sciences ，beijing ，100013；
2． Changchun Track Carriage Ltd. Changchun ， Jilin， 130062；3. Huludao Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Huludao Liaoning 125001，China ）
Abstract ：Analyzing the characters of ultrasonic Phased Array technology , introducing the applications of this technology in welding joints inspection. These applications result in much better inspection efficiency, lower work intensity and less cost.
Subject ：Ultrasonic Testing, Phased Array Technology, Welding Joint
传统的超声检测采用单晶片探头发散声束。在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。 单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现，为此就需要采用相控阵多晶片探头和聚焦声束来满足上述情况的检测要求，如图1和图2所示。
本文重点介绍超声相控阵技术在焊接接头检测方面的应用及其优势。此法是当今无损检测技术中极富有创造性的超声检测新技术，可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷。检测结果以图像形式显示，为缺陷定位、定量、定性、定级提供了丰富的信息。
(a)采用常规单晶片探头检测 (b)采用相控阵探头检测
图1 常规超声技术和超声相控阵技术检测复杂工件的比较
(a) 采用一个相控阵探头进行多角度检测 (b)采用相控阵探头检测涡轮转子叶片
图2 采用相控阵声技术检测复杂工件
1 超声相控阵
1．1 动作原理
超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。
通常使用的是一维线形阵列探头，压电晶片呈直线状排列，聚焦声场为片状，能够得到缺陷的二维图像，在工业中得到广泛的应用。
1．2 阵列类型
阵列顾名思义就是晶片在探头中排列的几何形状。相控阵探头有三种主要阵列类型：线形（线阵列）、面形（二维矩形阵列）和环形（圆形阵列），如图3所示。目前相控阵探头大多数采用线形阵列，因为线形阵列编程容易，费用明显低于其他阵列。
（a ）一维线形阵列 （b ）二维矩形阵列 （c ）一维环形阵列
图3 阵列类型
1．3 阵列系统
相控阵换能器系统能控制超声束的转向，这是实时超声成像中的关键特性。而实时成像中，能够对快速移动的组织结构成像和评价，并且该工艺易于实现自动化，从而消除因操作技术水平的差别引起的判断变化。实现实时成像的三种扫描方法：线形扫描、扇形扫描和在线形扫描的界面上带有扇形扫描的线形扫描。相控阵列除有效地控制发射超声束的形状和方向外，还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的两个条件：动态聚焦和实时扫描。
1．4 电子扫描（E-扫描）
电子扫描又称线形扫描：就是在一组激活晶片上同时发送同样的聚焦法则和延迟时间，扫查时角度固定，以成组的晶片沿着相控阵探头长度方向进行扫描，如图4所示。
图4 线形扫描图
1．5扇形扫描（S-扫描）
扇形扫描也称作方位角扫描或者斜角扫描：就是采用相同的晶片和特定聚焦深度的声束，在一定角度范围内的扫描。可以同时进行聚焦深度不同的扫描，这类倾斜的扇面可以具有不同的扫描值（见图5所示）。扫描范围的起点和终点角度取决于探头的设计、楔块和波的类型，扫描范围依然受制于物理学规律。
图5 扇形扫描图
2 扫查方式
用相控阵探头对焊缝进行检测时，无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高，如图4所示。
（a ）传统的锯齿形扫查方式 （b ）线形扫查方式
图6扫查方式
3 应用实例
现以采用以色列Sonotron NDT公司生产的相控阵设备应用为例来分析介绍。Sonotron NDT公司生产的相控阵设备分为两类，一类是ISONIC-UPA ，即便携式超声相控阵设备；另一类是ISONIC-BIG-PA-AUT ，即厚壁焊缝自动超声相控阵设备。以色列Sonotron NDT公司的相控阵设备不同于其他公司相控阵设备（例如RD/T、GE 及TD 等公司），具有独特的技术特点和优势，体现出该相控阵设备超前的理念。
3．1 角度补偿
传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术，多晶片探头通过楔块入射到工件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化。采用单一入射点校准方式与常规距离-波幅曲线修正，造成的扇形扫查区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决，如图7所示。而Sonotron NDT公司生产的相控阵设备具有角度补偿功能，能有效的解决此类问题。
所谓角度补偿就是针对不同的聚焦法则，输入扇形扫查所需的角度范围及入射角度的增量后，晶片可
以分别进行角度增益调整–也就是晶片角度增益修正。
有了角度增益补偿设置功能，可以取代传统的通过设置DAC 曲线的方法来补偿增益变化。在ASME Case2557标准中明确指出进行扇形扫描时要进行角度增益补偿。图8为角度增益补偿曲线。图9是经过角度补偿后得到的等量化数据。
图7 扇形覆盖区域中能量分布具有非均匀性
图8 角度增益补偿曲线
图9 通过角度增益补偿技术获取等量化数据
3．2 二次波检测
传统相控阵扇形扫查采用单纯的声程显示，不能显示缺陷的真实位置，如图10所示。这种成像模式将处在二次波位置上的缺陷转换成一次波位置进行成像显示，给分辨缺陷的具体位置增加难度，不能直观给出缺陷真实位置。对于检测角焊缝、T 形焊缝、K 形焊缝及Y 形焊缝无法显示真实成像结果，使该成像模式的应用受到限制，仅能用于检测对接接头。
图10 传统工业相控阵扇形扫查声程显示成像图
而Sonotron NDT 公司生产的相控阵设备采用扇形扫查二次波检测成像模式，成像结果与真实几何结构一致，如图11所示。这种成像模式能直观显示缺陷的位置及被检工件焊缝的真实结构，这是声程显示成像模式无法比拟的。
图11 Sonotron NDT的相控阵设备采用扇形扫查真实几何结构成像模式图
3．3 检测应用
3．3．1便携式超声相控阵设备应用
（1）动车横梁管对接焊缝检测
1）检测部位及坡口示意图
①检测部位说明
◆横梁管一端内壁被机加工，加工的形状及规格如图12所示，目的是为了套入侧梁的横梁座中。
图12 横梁管示意图
◆侧梁的横梁座端头加工后，为了插入横梁管，如图13所示。
图13 侧梁示意图
◆从图12和图13看，受工件结构限制，检测空间有限，仅能从横梁管侧单面（即图14中A 面）进行检测。相控阵探头放在图14中A 面上，且探头前端距焊缝边缘的距离为12㎜。
②坡口示意图
图14是对接后的坡口示意图。该接头即有对接，又有搭接的型式。焊接方法采用自动焊。
图14 焊缝坡口示意图
2）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要采用不同角度的探头进行多次检测。检测结果发现有超标缺陷。采集的三维视图，如图15所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA 相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块（直径为3㎜的横通孔）。
图15裂纹缺陷三维视图显示
3）裂纹解剖图
对该焊缝返修，发现是裂纹缺陷，如图16所示。
图16 裂纹缺陷
（2）动车连接座对接焊缝检测
1）检测部位及坡口示意图
①检测部位说明
◆检测动车的连接座，其形状如图17所示。
（a ） 连接座一侧的形状
（b ）连接座另一侧的横梁管形状
图17 连接座的形状图
◆从图17看，检测空间有限，仅能从横梁管侧进行单面单侧检测。相控阵探头放在横梁管侧A 面（如图18所示）上，且探头前端距焊缝边缘的距离为12㎜。
②坡口示意图
图18是对接后的坡口示意图。该焊缝是双面焊，采用自动焊方法焊接。
图18焊缝坡口示意图
2）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波至少采用两种角度的探头进行多次检测。检测结果为未熔合缺陷，如图19所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块。
图19 未熔合缺陷的三维视图
3） 未熔合的返修图
对该焊缝返修，发现是未熔合缺陷，如图20所示。
图20 未熔合缺陷
（3）动车横梁座角焊缝检测
1） 检测部位
图21为横梁座角焊缝的实物图。从该结构看，检测空间有限，仅能从单面单侧进行检测。
图21 横梁座角焊缝的实物图
2）坡口示意图
图22为横梁座角焊缝的坡口示意图。
图22 横梁座角焊缝的坡口参数
3）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要进行多次扫查，才能完成整个接头的检测。检测结果为根部未焊透，如图23所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块。检测要求根部允许有小于等于1㎜深的未焊透。
图23 未焊透缺陷的三维视图
3．3．2厚壁焊缝自动超声相控阵设备应用
（1）厚壁焊缝自动超声相控阵检测的特点
厚壁焊缝自动超声相控阵检测就是采用扇形扫描和TOFD 组合应用技术。该技术将焊缝沿厚度方向分成若干区，每个区用一对扇形扫查声束检测，且每个区均可制作DAC 曲线，同时还采用TOFD 声束检测，因此要求检测系统是多通道；检测结果以图像形式显示，分为A 扫描、B 扫描及TOFD 三种显示方式；扫查器在焊缝环向扫查一周，即可对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测，并自动将检测结果和声耦合显示在图像上。
（2）厚壁焊缝自动超声相控阵检测的优点
1）调试简单，易操作，采用不同角度声束检测缺陷。
2）即能采用机械自动扫查，也能采用手动扫查。
3）在焊缝上下游端采用扇形扫描进行分区设置（如图24所示），每个区均能制作DAC 曲线。
4）采用相控阵技术与TOFD 技术组合检测，并在同一个界面上显示。
5）适用于壁厚为6㎜～200㎜的环向焊缝，但主要适用于检测壁厚为46㎜～200㎜的环向焊缝。在此范围内采用二次波检测就要求超声检测设备不仅具有很大的穿透能力，而且还要有高的采集速度。
6）检测速度快，效率高，能实时分析检测结果。
例如JB/T4730.3-2005中的B 级检测厚度为46㎜～200㎜的焊缝，其要求如下：
①母材厚度大于46㎜至120㎜时，一般用一种K 值探头采用直射法（即一次波）在焊接接头的双面
双侧进行检测，如受几何条件限制，也可在焊接接头的单面双侧采用两种K 值探头进行。
②母材厚度大于120㎜至200㎜时，一般用两种K 值探头采用直射法在焊接接头双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。
按此规定需要进行多次扫查，检测速度相当慢，效率非常低。采用ISONIC-BIG-PA-AUT 检测设备一次扫查即可对整个对接接头进行全面检测，速度快，效率高。
（3）检测试块
现以检测60㎜厚的试块为例分析介绍厚壁焊缝自动超声相控阵检测的应用。试块图样见图25所示，检测结果见图26 a ～f 。检测参数：采用以色列ISONIC-BIG-PA-AUT 检测设备；2个线形相控阵探头，每个探头晶片数为32个、频率为5MHz ；2个TOFD 探头，其参数为5MHz 、晶片尺寸为Ф3㎜、角度为60°。检测标准为JB/T4730.3-2005。
（a ）焊缝上游端1区扇形扫查覆盖区域
（b ）焊缝上游端2区扇形扫查覆盖区域
（c ）焊缝上下游端分区合成图
图24 焊缝扇形扫查分区图
A—方槽（15㎜×2
㎜×3㎜） B—方槽（15㎜×2㎜×3㎜）
C —尖角孔（Ф3㎜×5㎜） D—60°尖角槽（15㎜×5㎜×15㎜）
图25 试块示意图
（a ）焊缝上游端分区1（Group1）检测A 缺陷图
（b ）焊缝上游端分区2（Group2）未检测到A 缺陷
（c ）焊缝下游端分区1（Group1）检测A 缺陷结果图
（d ）焊缝下游端分区2（Group2）未检测到A 缺陷
（e ）TOFD 通道未发现A 缺陷
（A 缺陷处于TOFD 盲区中）
（f ）A 缺陷在焊缝上下游端图像合成（Overlap ）
（g ）D 缺陷在TOFD 通道中显示
（TOFD 通道中直通波断开）
（h ）D 缺陷在焊缝上下游端图像合成
图26 试块上人工反射体检测结果
从图26可以看出，该相控阵检测系统将焊缝上下游端各自分成两个区，每个区采用扇形扫描检测，同时还对整个焊缝采用TOFD 检测。分区1采用二次波检测，主要检测焊缝中上部；分区2采用一次波检测，主要检测焊缝中下部；每个分区都能制作DAC 曲线；最后将上下游端图像组合，再与TOFD 显示合成一个视图，并且显示在同一个界面上。
A 、B 、C 及D 四个缺陷均被检测出，且在图26中显示。（e ）图可得出A 缺陷处在TOFD 盲区中；（f ）图可判断A 缺陷为表面开口型，且处于焊缝中心线附近。（g ）图和（h ）图可以准确得出D 缺陷为表面开口型缺陷，并且来源于焊缝中心线附近。
4．结论
(1)超声相控阵技术可任意设定偏向角和聚焦深度的声束， 能使检测条件最佳化。
（2）检测结果以图像形式显示，即采用A 扫描、B 扫描、C 扫描及TOFD 等显示方式；具有能实时评定缺陷的优点。
(3)采用ISONIC-BIG-PA-AUT 检测厚度为46㎜～200㎜的环向焊缝比使用常规手动超声波检测和便携式超声相控阵检测优势显著，诸如检测速度快、效率高、定量精度高及分析缺陷容易等， 它是一项既有挑战性又极具发展前途和推广价值的新技术。
(4) 对检测人员素质要求比较高，既要有丰富的实际经验，又要有熟练的电脑操作能力。对图形的识别要积累经验，才能准确的评定检测结果。
（5）ASME 标准案例CASE2557 、CASE2558中明确指出在进行扇形扫描时需具备角度增益补偿功能。相控阵检测系统要求同时支持DAC 当量曲线和角度增益补偿两种功能。
总之，相控阵与TOFD 技术的优点主要体现：对设备软硬件的支持及探头尺寸小、探头数量少，电子扫描实对缺陷时显示记录且检测速度快，检测灵活性更强，适用于检测结构复杂的工件。
2010-6-26
超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用
摘要 分析了超声相控阵技术的特点，介绍了超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用。从应用结果看出，超声相控阵技术能极大地提高检测效率，降低劳动强度，节省检测成本。
主题词 超声波检测 相控阵技术 焊接接头
Applications of Ultrasonic Phased Array Technology in Welding Joints Inspection
Huang Yong-wei 1，Jiang Yan 2，Tian Guo-liang 3
（1．Metal and Chemistry Research Institute ，China Academy of Railway Sciences ，beijing ，100013；
2． Changchun Track Carriage Ltd. Changchun ， Jilin， 130062；3. Huludao Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Huludao Liaoning 125001，China ）
Abstract ：Analyzing the characters of ultrasonic Phased Array technology , introducing the applications of this technology in welding joints inspection. These applications result in much better inspection efficiency, lower work intensity and less cost.
Subject ：Ultrasonic Testing, Phased Array Technology, Welding Joint
传统的超声检测采用单晶片探头发散声束。在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。 单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现，为此就需要采用相控阵多晶片探头和聚焦声束来满足上述情况的检测要求，如图1和图2所示。
本文重点介绍超声相控阵技术在焊接接头检测方面的应用及其优势。此法是当今无损检测技术中极富有创造性的超声检测新技术，可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷。检测结果以图像形式显示，为缺陷定位、定量、定性、定级提供了丰富的信息。
(a)采用常规单晶片探头检测 (b)采用相控阵探头检测
图1 常规超声技术和超声相控阵技术检测复杂工件的比较
(a) 采用一个相控阵探头进行多角度检测 (b)采用相控阵探头检测涡轮转子叶片
图2 采用相控阵声技术检测复杂工件
1 超声相控阵
1．1 动作原理
超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。
通常使用的是一维线形阵列探头，压电晶片呈直线状排列，聚焦声场为片状，能够得到缺陷的二维图像，在工业中得到广泛的应用。
1．2 阵列类型
阵列顾名思义就是晶片在探头中排列的几何形状。相控阵探头有三种主要阵列类型：线形（线阵列）、面形（二维矩形阵列）和环形（圆形阵列），如图3所示。目前相控阵探头大多数采用线形阵列，因为线形阵列编程容易，费用明显低于其他阵列。
（a ）一维线形阵列 （b ）二维矩形阵列 （c ）一维环形阵列
图3 阵列类型
1．3 阵列系统
相控阵换能器系统能控制超声束的转向，这是实时超声成像中的关键特性。而实时成像中，能够对快速移动的组织结构成像和评价，并且该工艺易于实现自动化，从而消除因操作技术水平的差别引起的判断变化。实现实时成像的三种扫描方法：线形扫描、扇形扫描和在线形扫描的界面上带有扇形扫描的线形扫描。相控阵列除有效地控制发射超声束的形状和方向外，还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的两个条件：动态聚焦和实时扫描。
1．4 电子扫描（E-扫描）
电子扫描又称线形扫描：就是在一组激活晶片上同时发送同样的聚焦法则和延迟时间，扫查时角度固定，以成组的晶片沿着相控阵探头长度方向进行扫描，如图4所示。
图4 线形扫描图
1．5扇形扫描（S-扫描）
扇形扫描也称作方位角扫描或者斜角扫描：就是采用相同的晶片和特定聚焦深度的声束，在一定角度范围内的扫描。可以同时进行聚焦深度不同的扫描，这类倾斜的扇面可以具有不同的扫描值（见图5所示）。扫描范围的起点和终点角度取决于探头的设计、楔块和波的类型，扫描范围依然受制于物理学规律。
图5 扇形扫描图
2 扫查方式
用相控阵探头对焊缝进行检测时，无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高，如图4所示。
（a ）传统的锯齿形扫查方式 （b ）线形扫查方式
图6扫查方式
3 应用实例
现以采用以色列Sonotron NDT公司生产的相控阵设备应用为例来分析介绍。Sonotron NDT公司生产的相控阵设备分为两类，一类是ISONIC-UPA ，即便携式超声相控阵设备；另一类是ISONIC-BIG-PA-AUT ，即厚壁焊缝自动超声相控阵设备。以色列Sonotron NDT公司的相控阵设备不同于其他公司相控阵设备（例如RD/T、GE 及TD 等公司），具有独特的技术特点和优势，体现出该相控阵设备超前的理念。
3．1 角度补偿
传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术，多晶片探头通过楔块入射到工件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化。采用单一入射点校准方式与常规距离-波幅曲线修正，造成的扇形扫查区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决，如图7所示。而Sonotron NDT公司生产的相控阵设备具有角度补偿功能，能有效的解决此类问题。
所谓角度补偿就是针对不同的聚焦法则，输入扇形扫查所需的角度范围及入射角度的增量后，晶片可
以分别进行角度增益调整–也就是晶片角度增益修正。
有了角度增益补偿设置功能，可以取代传统的通过设置DAC 曲线的方法来补偿增益变化。在ASME Case2557标准中明确指出进行扇形扫描时要进行角度增益补偿。图8为角度增益补偿曲线。图9是经过角度补偿后得到的等量化数据。
图7 扇形覆盖区域中能量分布具有非均匀性
图8 角度增益补偿曲线
图9 通过角度增益补偿技术获取等量化数据
3．2 二次波检测
传统相控阵扇形扫查采用单纯的声程显示，不能显示缺陷的真实位置，如图10所示。这种成像模式将处在二次波位置上的缺陷转换成一次波位置进行成像显示，给分辨缺陷的具体位置增加难度，不能直观给出缺陷真实位置。对于检测角焊缝、T 形焊缝、K 形焊缝及Y 形焊缝无法显示真实成像结果，使该成像模式的应用受到限制，仅能用于检测对接接头。
图10 传统工业相控阵扇形扫查声程显示成像图
而Sonotron NDT 公司生产的相控阵设备采用扇形扫查二次波检测成像模式，成像结果与真实几何结构一致，如图11所示。这种成像模式能直观显示缺陷的位置及被检工件焊缝的真实结构，这是声程显示成像模式无法比拟的。
图11 Sonotron NDT的相控阵设备采用扇形扫查真实几何结构成像模式图
3．3 检测应用
3．3．1便携式超声相控阵设备应用
（1）动车横梁管对接焊缝检测
1）检测部位及坡口示意图
①检测部位说明
◆横梁管一端内壁被机加工，加工的形状及规格如图12所示，目的是为了套入侧梁的横梁座中。
图12 横梁管示意图
◆侧梁的横梁座端头加工后，为了插入横梁管，如图13所示。
图13 侧梁示意图
◆从图12和图13看，受工件结构限制，检测空间有限，仅能从横梁管侧单面（即图14中A 面）进行检测。相控阵探头放在图14中A 面上，且探头前端距焊缝边缘的距离为12㎜。
②坡口示意图
图14是对接后的坡口示意图。该接头即有对接，又有搭接的型式。焊接方法采用自动焊。
图14 焊缝坡口示意图
2）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要采用不同角度的探头进行多次检测。检测结果发现有超标缺陷。采集的三维视图，如图15所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA 相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块（直径为3㎜的横通孔）。
图15裂纹缺陷三维视图显示
3）裂纹解剖图
对该焊缝返修，发现是裂纹缺陷，如图16所示。
图16 裂纹缺陷
（2）动车连接座对接焊缝检测
1）检测部位及坡口示意图
①检测部位说明
◆检测动车的连接座，其形状如图17所示。
（a ） 连接座一侧的形状
（b ）连接座另一侧的横梁管形状
图17 连接座的形状图
◆从图17看，检测空间有限，仅能从横梁管侧进行单面单侧检测。相控阵探头放在横梁管侧A 面（如图18所示）上，且探头前端距焊缝边缘的距离为12㎜。
②坡口示意图
图18是对接后的坡口示意图。该焊缝是双面焊，采用自动焊方法焊接。
图18焊缝坡口示意图
2）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波至少采用两种角度的探头进行多次检测。检测结果为未熔合缺陷，如图19所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块。
图19 未熔合缺陷的三维视图
3） 未熔合的返修图
对该焊缝返修，发现是未熔合缺陷，如图20所示。
图20 未熔合缺陷
（3）动车横梁座角焊缝检测
1） 检测部位
图21为横梁座角焊缝的实物图。从该结构看，检测空间有限，仅能从单面单侧进行检测。
图21 横梁座角焊缝的实物图
2）坡口示意图
图22为横梁座角焊缝的坡口示意图。
图22 横梁座角焊缝的坡口参数
3）检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要进行多次扫查，才能完成整个接头的检测。检测结果为根部未焊透，如图23所示。
采用的设备是以色列ISONIC UPA相控阵设备。探头参数为一个线形相控阵探头，晶片数为32个，频率为5MHz 。扇形角度范围为35°～80°。检测标准为EN1714-1998和EN1712-1997。试块为EN1714-1998中DAC 曲线试块。检测要求根部允许有小于等于1㎜深的未焊透。
图23 未焊透缺陷的三维视图
3．3．2厚壁焊缝自动超声相控阵设备应用
（1）厚壁焊缝自动超声相控阵检测的特点
厚壁焊缝自动超声相控阵检测就是采用扇形扫描和TOFD 组合应用技术。该技术将焊缝沿厚度方向分成若干区，每个区用一对扇形扫查声束检测，且每个区均可制作DAC 曲线，同时还采用TOFD 声束检测，因此要求检测系统是多通道；检测结果以图像形式显示，分为A 扫描、B 扫描及TOFD 三种显示方式；扫查器在焊缝环向扫查一周，即可对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测，并自动将检测结果和声耦合显示在图像上。
（2）厚壁焊缝自动超声相控阵检测的优点
1）调试简单，易操作，采用不同角度声束检测缺陷。
2）即能采用机械自动扫查，也能采用手动扫查。
3）在焊缝上下游端采用扇形扫描进行分区设置（如图24所示），每个区均能制作DAC 曲线。
4）采用相控阵技术与TOFD 技术组合检测，并在同一个界面上显示。
5）适用于壁厚为6㎜～200㎜的环向焊缝，但主要适用于检测壁厚为46㎜～200㎜的环向焊缝。在此范围内采用二次波检测就要求超声检测设备不仅具有很大的穿透能力，而且还要有高的采集速度。
6）检测速度快，效率高，能实时分析检测结果。
例如JB/T4730.3-2005中的B 级检测厚度为46㎜～200㎜的焊缝，其要求如下：
①母材厚度大于46㎜至120㎜时，一般用一种K 值探头采用直射法（即一次波）在焊接接头的双面
双侧进行检测，如受几何条件限制，也可在焊接接头的单面双侧采用两种K 值探头进行。
②母材厚度大于120㎜至200㎜时，一般用两种K 值探头采用直射法在焊接接头双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。
按此规定需要进行多次扫查，检测速度相当慢，效率非常低。采用ISONIC-BIG-PA-AUT 检测设备一次扫查即可对整个对接接头进行全面检测，速度快，效率高。
（3）检测试块
现以检测60㎜厚的试块为例分析介绍厚壁焊缝自动超声相控阵检测的应用。试块图样见图25所示，检测结果见图26 a ～f 。检测参数：采用以色列ISONIC-BIG-PA-AUT 检测设备；2个线形相控阵探头，每个探头晶片数为32个、频率为5MHz ；2个TOFD 探头，其参数为5MHz 、晶片尺寸为Ф3㎜、角度为60°。检测标准为JB/T4730.3-2005。
（a ）焊缝上游端1区扇形扫查覆盖区域
（b ）焊缝上游端2区扇形扫查覆盖区域
（c ）焊缝上下游端分区合成图
图24 焊缝扇形扫查分区图
A—方槽（15㎜×2
㎜×3㎜） B—方槽（15㎜×2㎜×3㎜）
C —尖角孔（Ф3㎜×5㎜） D—60°尖角槽（15㎜×5㎜×15㎜）
图25 试块示意图
（a ）焊缝上游端分区1（Group1）检测A 缺陷图
（b ）焊缝上游端分区2（Group2）未检测到A 缺陷
（c ）焊缝下游端分区1（Group1）检测A 缺陷结果图
（d ）焊缝下游端分区2（Group2）未检测到A 缺陷
（e ）TOFD 通道未发现A 缺陷
（A 缺陷处于TOFD 盲区中）
（f ）A 缺陷在焊缝上下游端图像合成（Overlap ）
（g ）D 缺陷在TOFD 通道中显示
（TOFD 通道中直通波断开）
（h ）D 缺陷在焊缝上下游端图像合成
图26 试块上人工反射体检测结果
从图26可以看出，该相控阵检测系统将焊缝上下游端各自分成两个区，每个区采用扇形扫描检测，同时还对整个焊缝采用TOFD 检测。分区1采用二次波检测，主要检测焊缝中上部；分区2采用一次波检测，主要检测焊缝中下部；每个分区都能制作DAC 曲线；最后将上下游端图像组合，再与TOFD 显示合成一个视图，并且显示在同一个界面上。
A 、B 、C 及D 四个缺陷均被检测出，且在图26中显示。（e ）图可得出A 缺陷处在TOFD 盲区中；（f ）图可判断A 缺陷为表面开口型，且处于焊缝中心线附近。（g ）图和（h ）图可以准确得出D 缺陷为表面开口型缺陷，并且来源于焊缝中心线附近。
4．结论
(1)超声相控阵技术可任意设定偏向角和聚焦深度的声束， 能使检测条件最佳化。
（2）检测结果以图像形式显示，即采用A 扫描、B 扫描、C 扫描及TOFD 等显示方式；具有能实时评定缺陷的优点。
(3)采用ISONIC-BIG-PA-AUT 检测厚度为46㎜～200㎜的环向焊缝比使用常规手动超声波检测和便携式超声相控阵检测优势显著，诸如检测速度快、效率高、定量精度高及分析缺陷容易等， 它是一项既有挑战性又极具发展前途和推广价值的新技术。
(4) 对检测人员素质要求比较高，既要有丰富的实际经验，又要有熟练的电脑操作能力。对图形的识别要积累经验，才能准确的评定检测结果。
（5）ASME 标准案例CASE2557 、CASE2558中明确指出在进行扇形扫描时需具备角度增益补偿功能。相控阵检测系统要求同时支持DAC 当量曲线和角度增益补偿两种功能。
总之，相控阵与TOFD 技术的优点主要体现：对设备软硬件的支持及探头尺寸小、探头数量少，电子扫描实对缺陷时显示记录且检测速度快，检测灵活性更强，适用于检测结构复杂的工件。
2010-6-26