曲面工件柔性线阵聚焦和仿真方法

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随着工业制造技术的发展，铸锻件的型廓也越来越复杂，如飞机发动机的叶片和轮盘、插管件铸锻焊结构等[1-2]。由于曲面构件结构复杂，受热加工生产过程影响易出现各类缺陷，如铸锻焊过程中产生的气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及长期使用过程中产生的应力腐蚀和疲劳缺陷，因此对其进行质量控制尤为重要。超声无损检测作为一种重要的无损检测方法，广泛应用于曲面构件的检测中。

超声相控阵技术能实现声场动态聚焦与偏转，在不移动换能器或稍微移动换能器的情况下就能够实现高效率和高灵敏度的无损检测，近些年在超声检测领域发展迅速[3-5]。平面类型工件已有较为完善的检测方法，现今的研究热点逐步围绕探索曲面铸锻焊工件的快速有效检测展开。郭伟灿等[6-7]针对管状设备检测，设计了凸面相控阵声场延时聚焦计算模型，并利用凸面相控阵探头进行检测，但需要采用水浸耦合方式，检测过程复杂。Olympic公司为L型构件R区检测设计了专门的相控阵弧形阵列换能器，但该换能器只能用于R角区的检测，局限性较大。张冬梅等[8]利用弧阵换能器和线阵换能器进行了R区检测的超声相控阵试验，结果显示方法可行，但各种换能器都需要特制的耦合楔块，工艺复杂。

针对曲面工件的无损检测难题，考虑检测时间、经济成本等因素，结合相控阵检测的优点及柔性材料的特点，提出了一种柔性相控阵换能器检测曲面工件的方法。此方法针对曲面工件的结构特点，分析了柔性相控阵换能器的检测原理，并设计了柔性相控阵阵列延迟聚焦法则。然后在理论研究的基础上，利用有限元方法模拟验证了聚焦法则，并使用仿真试验检测带有人工缺陷的曲面工件。结果表明，此方法能满足曲面工件内部微小缺陷的检测需求。

1 柔性相控阵延迟聚焦法则

超声相控阵换能器是由多个相互独立的压电晶片组成的一维或二维阵列，晶片又称为阵元，每个阵元都可设置自己独立的发射和接收电路，通过计算机按照一定规则和时序控制所有阵元或部分阵元的超声发射和接收，达到合成声束的偏转、聚焦和扫描效果。

在超声柔性相控阵换能器检测过程中，辐射声束和接收声束是整个检测系统的核心内容，声束收发过程就是按照各阵元所需的延迟时间来精确控制声束偏转聚焦的，从而实现合成声束对整个检测区域的全扫描过程。计算各个阵元的延迟时间是其中关键一步，可以基于惠更斯原理推导超声波束延迟聚焦法则，计算各个阵元的延迟时间。曲面柔性相控阵聚焦原理示意如图1所示。

图1 曲面柔性相控阵聚焦原理示意

R为曲面半径，探头以M个阵元为一组，形成一个激发孔径，从左到右依次编号为1到M，P为第m个阵元的中心，B为激发孔径的中心，F为声束聚焦点，α为声束偏转角，θ为定义的转角。柔性相控阵换能器与待检测工件之间不需要耦合剂，其阵元被包裹在柔性保护膜中，换能器能适应曲面曲率变化与工件表面紧密贴合，从而保证良好的辐射声场质量。探头每次以线扫描方式进行检测，一次扫描结束，再按照相应的延迟聚焦法则激励阵元组，进行下一次扫描，直至完成整个曲面区域的扫描。设阵元中心距为s，且在扫描过程中保持不变。超声波在试件中的传播速度为c。

(1)

(2)

因此，只需要计算出声波在待测工件中的传播路径PF就能计算出各个阵元的延迟时间。

计算第m个阵元辐射声场路径PF为

L=

(3)

式中

(4)

(5)

因此，根据以上推导的延迟聚焦计算公式求解柔性相控阵探头各个阵元的延迟时间，然后多通道电子控制系统根据其延迟时间进行信号激励，实现一定偏转角度和聚焦深度的合成声场，进而采用线性扫描方式检测待测工件，能够有效提高检测效率。

2 有限元仿真

基于以上理论，建立了有限元仿真模型，进一步研究合成声场在曲面检测区域内的传播特性及缺陷检测能力。

以半径R为40 mm，圆心角为60°的曲面工件为例，其材料为钢，密度ρ=7 900 kg·m-3，声速c=5 890 m·s-1。设置偏转角α为0°，30°，聚焦深度BF分别为10 ，15 mm，曲面检测各个阵元的延迟时间如图2所示，声束聚焦传播模型如图3所示。

图4为通过图2中各个阵元延迟时间进行仿真的不同聚焦深度与偏转角的合成声场声压分布，与图3中声束聚焦传播模型一一对应。结果显示：利用延迟聚焦法则计算的各个阵元的延迟时间进行信号激励、仿真模拟，能得到设定的偏转角和聚焦深度的合成声场，进而验证了柔性相控阵换能器能够基于其延迟聚焦法则实现超声波束的动态偏转与聚焦。

图2 曲面检测各阵元的延迟时间

图3 声束聚焦传播模型

图4 不同聚焦深度与偏转角的合成声场声压分布

3 缺陷仿真试验

为了研究相控阵换能器对不同孔径缺陷的检测能力，在聚焦深度BF=15 mm，偏转角α=30°位置设置孔缺陷，声束聚焦传播模型如图3(d)所示，缺陷位置位于图4(d)的焦点处。缺陷半径r分别为0.05，0.15，0.30 mm，进行3组对比仿真试验，对曲面区域进行三角形网格划分，最大单元尺寸为0.2 mm，最小单元尺寸为0.018 mm，时间步长为0.1 ns，计算总时长为7 μs。同一聚焦深度不同孔径的缺陷检测仿真结果如图5所示。

图5 同一聚焦深度不同孔径的缺陷检测仿真结果

图5的仿真结果说明，合成声场检测到半径r分别为0.05,0.15,0.30 mm的孔缺陷时,都会产生明显的回波信号，且缺陷半径越大，回波信号峰值越大。结果表明：基于惠更斯原理和延迟时间的计算方法，采用柔性相控阵检测技术能实现曲面工件超声波束动态聚焦偏转及对微小缺陷的高精度检测。

4 结论

(1) 采用柔性相控阵技术对曲面工件进行线性扫描，能实现合成波束的动态聚焦与偏转，从而对整个待测试件进行多方位、多角度检测，能提高检测效率、简化扫描结构、解决空间限制等难题。

(2) 柔性相控阵换能器能够适应待测曲面曲率的变化，与待测工件表面紧密耦合，能保证辐射声场的质量，有效地提高缺陷的检测精度。研究曲面检测的超声柔性相控阵技术，为复杂曲面铸锻工件的无损检测提供了新思路，具有良好的应用前景。