超声相控阵检测缺陷的灵敏度试验

    超声相控阵技术在20世纪70年代首先应用于医学诊断，在以后的10年中，这一技术迅速发展，并应用于材料无损评价领域。为了缩小工业检测市场和医学及声纳市场上成像能力的差距，国外已经研制出了具有32个活动通道的超声检测设备。但是，实际检测对象中的缺陷位置、大小和方向各异，对超声相控阵的检测灵敏度必然有显著的影响。为此，笔者设计了模拟实际焊缝内部裂纹、气孔和未焊透类缺陷的试块。通过对该试块的检测，找出了超声相控阵检测各种缺陷的规律。

1检测墓本原理

    超声相控阵应用许多单元换能器来产生和接收超声波波束。通过电子开关，使各单元换能器发射的声波具有人为可控的相位，使其在检测对象中产生的超声场相互干涉叠加，从而得到预先希望的波束人射角度和焦点位置^[1]。

2试块设计

    实际焊缝在焊接过程中常出现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等缺陷。裂纹内含有气体，属于钢/空气界面。未熔合缺陷包括坡口和层间未熔合，片状缺陷类似裂纹，但表面比裂纹光滑。未焊透缺陷呈线状或条状，一般在焊缝中部和根部。气孔和夹渣均属于体积型缺陷，回波高度与缺陷大小有关。

    为模拟和标定上述焊缝缺陷的大小、方向和位置，设计了一个150mmX100mmX25mm的20号钢试块，内部包含有四组标准通孔缺陷，试块同样适用于所有体积型缺陷的标定，试块详细的缺陷位置和尺寸如图1。缺陷分布如下:

    (l)等深度(10mm)的16个通孔缺陷为第一组，孔径均为Ø1mm。

    (2)l/4圆弧(半径25mm)排列的18个Ø1mm通孔缺陷和1/4圆弧(半径为50mm)排列的18个Ø2mm通孔缺陷为第二组，可以实现不同角度缺陷和相控阵探头发射原点的标定。

    (3)深度间隔为2.5mm，缺陷间距为5mm的12个缺陷为第三组，孔径均为笋Ø1.5mm，模拟不同深度的缺陷和观察超声波声场的分布特征。

    (4)第四组缺陷为与顶端面呈15^。，30^。，45^。和60^。的四个斜通孔，孔径均为Ø2mm，模拟实际焊缝中裂纹等具有方向性的缺陷。

3试验装置

    检测设备采用32通道的超声相控阵探伤仪，其回波信号采样频率为100MHz，并以30Hz显示扇形扫描图。

    探头频率为5MHz，32个晶片一维排列，斜锲为有机玻璃，斜角为35^。，斜锲声速为2.33mm/µs，探头和斜锲之间、斜锲和试块之间均用柴油机油藕合。发射和接收均为同一探头。图2为标定时探头位置示意图。