柔性相控阵换能器用于复杂焊接结构的超声检测

李 衍 无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会

柔性相控阵换能器用于复杂焊接结构的超声检测

李 衍 无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会

介绍灵巧的两维和三维柔性相控阵换能器，用于检测几何形状复杂的焊接结构中裂纹类面状缺陷的方法特征和优势。新的实时功能，能重建内外表面轮廓；全点聚焦（FTP）法，能有效改善内表面开口裂纹的成像效果。期盼此法对承压设备复杂结构的超声检测，开辟新通道。

超声波 柔性相控阵换能器 焊接结构 形状复杂 裂纹检测 成像算法

对几何形状有变化或不规则的焊接结构进行超声检测时，用接触式探头的常规方法，会受到探头与工件耦合条件的限制。而且，无论用接触法或水浸法，其检测有效性，都会因声传播囿于声波与表面间较复杂的相互作用，而受到干扰。 近年来，为检测不规则或复杂形状工件，欧美(特别是法国和加拿大)开创了用柔性阵列探测的方法[1]。

本文介绍柔性相控阵换能器在工业应用上的最新进展和所获成果，突出其对形状复杂焊接结构中的缺陷有效定位、定量的优势。另外，还介绍如何借助于嵌入式轮廓测量仪，从工件外面和内面进行几何形状测量，实时重建工件图像，并给出工件底面开口缺陷的超声回波典型图像。最后，以典型实物模型为例，结合柔性相控阵的特性，对高级的缺陷成像重建算法进行评价。

1 两维柔性相控阵换能器[2,3]

1.1 原理

柔性相控阵换能器由32个直线状压电晶片组成，

机械装配成可变形结构，弯曲半径为15mm（见图1)。此超声传感器连接另外两个装置：一个是能将压电晶片压合在被检工件表面的机械装置，另一个是换能器耦合不规则表面轮廓的测量仪器。轮廓测量随后由计算耦合表面轮廓的延时律的算法实时处理。此技术能有效控制声束特性(包括方向、聚焦深度，转角)。

图1 两维柔性阵列换能器和X128平行通道数据采集系统

换能器固定在机械臂上，由步进电机驱动。而实时UT采集系统控制扫查、每个阵元的电子激发、自适应过程和数据存储。延时律的实时计算，由系统的FPGA（Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列）组件进行。这些延时律要考虑聚焦特性和轮廓测量仪给出的被检工件表面的实际形变。为计算和应用一个延时律，重复率可达每秒1000次。使用采集系统嵌入计算的具体操作模式，要求有硬件多通道采集系统。

1.2 两维不规则几何条件下的检测试验

为验证柔性探头实时自适应模式的能力，用内设人工反射体的、有复杂表面轮廓的实物模型（即专用试块，见图2）作了检测试验。此专用试块代表有不规则表面的焊接件，对实物表面轮廓有实测值。专用试块中，在不同位置钻了两组长横孔，每组4孔，孔径均为2mm，深度各为20、30、40、50mm。第一组作为参考反射体的4个横孔位于平表面下，第二组4个横孔则位于不规则表面下。耦合部位是平面时，也用2D柔性换能器作了验证。

图2 用柔性相控阵换能器对专用试块进行检测

为在一个探头位置覆盖有效检测区域，用纵波进行数据采集，让声波在40mm深度，0°～55°范围内，汇聚30个焦点，依次扫查。按此布置，嵌入过程的重复频率，用30个延时律时约为300Hz。此重复频率与探头在不规则表面上的位移和数据采集分辨力相匹配。图2即表示探头在两个探测位置的超声传播和显示特征。两种情况下，4个横孔均可获得良好的检测灵敏度，并能准确定位。此结果表明：柔性相控阵探头的自适应过程，能控制住不同聚焦声束在平表面和不规则表面轮廓下的特性（包括方向、焦深和转角)。

1.3 内外几何状态的实时重建

为使几何形状复杂的焊接结构，能重建完整的2D几何图像，又开发了新的实时功能。此功能先使用轮廓测量仪重建外部几何图像，随后，又控制纵波0°聚焦声束进行扫查，一一测出局部厚度（依据底面回波的传播时间），再导出工件内部（即底面轮廓）的几何图像。

图3即表示对实际对接焊缝的实物模型——焊接试板，实时重建表面几何图形的应用实例。被检工件外部和内部表面轮廓重建精度较好，外部轮廓达±0.1 mm，内部轮廓达±0.4mm。重建的几何图形可作为CAD文档保存，并可在CIVA软件中作其它应用。

图3 用2D柔性相控阵实时重建形状复杂焊接件上下表面轮廓图像

2 三维柔性相控阵换能器[4]

为将柔性相控阵的应用范围扩展到三维几何体，又研制了3D传感器，其超声发射声阑由压电晶片镶嵌在软树脂中的矩阵分布构成。

该3D阵列(见图4)由12×7阵元（1.8×2.5mm2）组成，镶嵌在直径50mm的软树脂中。探头有效声阑为32×26mm。机械部件由3×3矩阵活塞组成，矩阵活塞将阵列压在被检焊接件表面，通过位移传感器测量表面变形。3D柔性相控阵探头也由IMASONIC公司制造。

前面提到的多路超声检测数据采集系统，也可用于监控由变形测量仪器输出的信号和电压。

图4 管接头焊接实物模型用三维柔性相控阵探头进行检测

2.1 用机械手对3D几何体作检测试验

图5所示是管路中接管连接处的上部（仅几何形状尺寸），无焊口的不锈钢实物模型。该模型中，离表面40mm距离处，钻有一定直径的平底孔，位于内轮廓为圆锥形的部位。

为确保复杂的3D轨迹有效，数据采集由机械手进行。这些采集均用0°纵波（局部垂直方向）进行，检出位于圆柱形或圆锥形接头下的平底孔。

图5 管接头实物模型和柔性相控阵检测布置

图6表示用50°声束绕接管圆周作斜角扫查检测缺陷（平底孔）的实验结果。

图6 管接头中平底孔的检测、定位和定量

如图6（a）所示，实验结果可用原始B扫描显示图像表示，但也可对每个检测位置用主声束方向确定的入射平面重建图像表示。图6（b）即为用超声纵波检测平底孔（孔径3mm，孔高10mm)的3D几何重建图像的实验结果。此3D显示便于回波（来自缺陷和工件底面）评定，也便于对缺陷进行准确定位（深度位置和角向位置)。底面强回波呈现在一定的扇形扫查宽度范围内（底面与圆锥形外表面平行)。

实验结果验证了柔性阵列机械部分的有效性，也验证了矩阵声阑和嵌入过程的有效性，验证了重建3D几何表面轮廓图像以及计算自适应延时律的有效性。

2.2 几何形状复杂多变的实物模型中缺陷的检测和定性

图7所示实物模型再现了核电站管路中部分混合区外观。用3D传感器检测双三通焊接接头。与电力公司合作，研究了用柔性矩阵探头检测这一区域的工艺。检测区域相当于焊接接头施焊前内部的几何形状（焊缝两侧各15mm)。图7也示出附有楔块的探头与检测区的形状复杂表面不匹配的情况。

图7 三通管接头3D柔性相控阵的检测布置

图8表示实物模型的几何特征。在十分窄小的被检表面下，加工了4条线槽（处于与接管1相连接的另一管体圆弧面上)。遇此检测面，常规的有楔块换能器不适于放置。线槽定位的参考点是焊缝根部边缘。4条线槽均为2mm高，位置离焊缝根部边缘0～9mm[见图8(a)]。

为使声束覆盖探头一个机械位置的检测区，数据采集用深度15mm、横波30°～65°范围内的20个焦点进行。要求通过轴向扫查，使信号幅度最优。

为能适应不规则表面（需要曲面半径为20mm)，并能用60°以上横波检测相关区域，研制了专用3D柔性相控阵换能器。鉴于可接近性问题，探头的机械部分应适当缩小。

图8 形状复杂焊接件用3D柔性相控阵检测的部位和检测布置

图9表示用3D柔性相控阵探头对2条离焊缝根部边缘分别为9mm和6mm的线槽作S扫查的检测结果，展示了重建的B型显示图像（上）和对应于线槽最大检出信号的A型显示不检波图形（下）。

图9 两横向位置不同的拟裂纹缺陷——线槽的柔性相控阵S扫查检测结果

检测结果表明：用柔性矩阵相控阵换能器检测，这两条横向位置不同的线槽均可以良好的信噪比被检出。检出E1槽的最佳灵敏度是基准线-9dB(横波45°)，检出E2槽的最佳灵敏度是基准线-10dB(横波50°)。另外，数据采集结果能侧重于端部衍射回波，因而可用于裂纹类缺陷测高(2mm)。

以上结果证明：所研制的柔性矩阵相控阵换能器，具有足够的指向性检出焊缝根部及其热影响区的拟裂纹缺陷——线槽；柔性矩阵相控阵探头发射的超声波束，能覆盖此典型实物模型的整个检测区域。

3 用后处理算法使形状复杂焊接结构中的拟裂纹成像

3.1 工件内表面开口裂纹的超声检测模式

为有助于理解相控阵后处理算法，有必要回顾一下有关工件内表面开口裂纹超声检测的典型模式[5]：

1）端点衍射-端角反射法检测超声衍射、反射途径和不检波波形示例见图10。

2）波型变换（MC）法检测超声传播、变型和反射途径示例见图11。

图10 内表面开口裂纹的端点衍射-端角反射法检测

图11 内表面开口裂纹的MC法检测

3.2 FTP*成像算法

按一般观点，综合成像FTP算法是评估测量检测区某一点散射可能性的图像。FTP算法基本上由散射体位置获此类评估值最大时的接收信号的相干累加组成[6,7]。在超声无损检测领域，合成聚焦信号的这一概念，最早引述时称为合成孔径聚焦算法（SAFT算法)。下面展示的实验结果，是将FTP算法用于FMC**数据时得到的，即整套基本信号对应于柔性探头所有发收阵元对。

为改善工件近底面裂纹类缺陷的成像，FTP算法已推广到多模式的回波图像，如考虑了涉及缺陷与底面构成镜面反射的所谓端角效应。另外，也考虑了每次相互作用时纵波（L波）与横波（T波）之间的波型转换。以下，由缺陷和底面一系列相互作用或波型转换表征的给定波程，均称为“模式”。

*FTP：法语Focalisation en Tous Points缩写，意即全点聚焦。

**FMC：Full Matrix Capture acquisition缩写，意即全矩阵捕获采集。

3.3 形状复杂焊接结构中的拟裂纹——线槽成像

如图12所示，为应对检测焊接结构中常见的不等厚对接或削薄对接的复杂形态，在底面形状较复杂的模拟焊接试块上作了检测试验，试块退拔形底面离焊根一定距离处，用电火花加工了一个高10mm的开口线槽；用2D柔性相控阵探头（24阵元，2MHz）检测，获取FMC数据。

探头置于图示位置，让45°横波或纵波声束聚焦在线槽底端，则声波与线槽相互作用的模式图示于下部。在FTP算法中，超声传播时间的计算考虑了入射表面和底面的复杂几何形状。图12（a）是TT模式，不涉及底面反射。图12(b)、(c)、(d）则分别对应于三种端角效应模式，即LLT、TLL和LTT,，均涉及底面的一次反射。

图12 形状复杂工件中底面开口槽的相控阵S扫查图像

图12(a)突出对应于线槽两端的两点。更令人关注的是对应于LLT和LTT重建的(b)和(d)图像。利用这些端角模式，线槽可沿其整个长度成像。这是经典法做不到的、相当有价值的检测结果。当探头位置对应聚焦纵波45°于线槽底端时，线槽成像优于涉及入射纵波在底面上的模式成像（TLL模式重建失败)。

4 结论

1）灵巧的2D和3D柔性相控阵换能器的推出，为超声检测几何形状复杂的焊接结构提供了有效技术。对2D和3D几何来说，检测实际焊接件所得实验结果表明：对多种缺陷的检测能力显示了良好的信噪比。而且，数据采集系统的嵌入式功能，对相控阵传感器的实时界面连接提供了很多透明数据，这样实施起来就很容易，因为不需要硬件作修整。比如，新的实时功能就可对形状复杂焊接件的检测，重建内外表面轮廓图像。

2）本文最后一部分，介绍了FTP重建算法用于以2D柔性相控阵换能器进行FMC数据采集的情况。对靠近焊接件底面的裂纹类缺陷，实验结果验证了该算法对较复杂的波程要比直接回波更有意义，能有效改善此类缺陷的成像效果。

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）