XX大學畢業設計（論文）題 目：鋼管桁架相貫節點的相控陣檢測方法研究 學 院： 測試與光電工程學院專業名稱： 測控技術與儀器班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二Oxx 年 六 月 鋼管桁架相貫節點的相控陣檢測方法研究摘要：鋼管桁架是用鋼管在其端部焊接而成的格子式結構，各桿件之間以相貫線型式相交，主管與支管的連接方式可呈K、T、Y相貫節點形式。鋼管桁架結構截面具有良好的抗壓和抗彎性能，構造簡單，且不用節點板.因為它具有外形優美、結構輕、穩定性好、剛度大等特點，以及其獨特的經濟實用性能，鋼管桁架可適用于不同形式的結構建筑.目前已廣泛應用于吊車梁、屋蓋結構、體育場館、會展中心、塔架等大型建筑設施中。所以對其節點構造的焊接，以及焊接工藝和無損檢測技術都有特殊的要求。超聲波相控陣檢測技術是一種獨特的超聲檢測技術，主要通過調節激發晶片的數量、序列、時間等參數來調整聲束的偏轉角度、聚焦深度等變量來實現對檢測材料的覆蓋，探查缺陷并生成直觀可視的電子掃描圖像。強大的軟件控制功能可大大提高相控陣的檢測效率，探頭晶片排布陣列的多元化也能優化超聲成像質量。相控陣檢測的多掃描方式使缺陷的定位更加準確，檢測數據可存儲以及可動態回放分析等優點使其廣泛應用于工業檢測行業。關鍵詞：超聲波相控陣 鋼管桁架 晶片 偏轉 聚焦Research phased array detection steel truss with nodesAbstract:Steel pipe truss is pipe at the end of the welding and the grid type structure, among the members in tubular linear intersect, Theconnectionof main and branchwasK,T,Ytubular jointsform.Section of the steel pipe truss structure has good compressive and flexural performance, simple structure and no node plate. Because it has the characteristics of beautiful appearance, light structure, good stability, stiffness of large, and the unique economical and practical performance, the steel tube truss can be applicable to different forms of architecture. Currently, it has been widely applied in crane beam, roof structure, the stadiums, convention and Exhibition Center, the tower of large building facilities.Sothejointwelding,and welding technologyandnondestructive testing technologyhave special requirements.Phased array ultrasonic testing technology is a unique ultrasonic detection technology, mainly through the excitation chip number, sequence, time and other parameters to adjust the sound beam deflection angle, depth of focus and other variables to achieve for material inspection coverage, probing the defects and generate an intuitive visual electronic scanning image.Software is a powerful control functions can greatly improve the detection efficiency of a phased array, diversification of wafer probe arrays can also optimization of ultrasound imaging quality.Phased array inspection of multi scan mode to locate defects more accurately, data detection can stored and dynamic replay analysis advantages make it widely used in industrial inspection industry.Keywords: Ultrasonic phased array steel pipe truss wafer deflection focus目 錄1 緒論11.1 選題的依據及意義11.2 超聲相控陣發展及研究現狀21.3 相控陣技術用于鋼管桁架相貫節點的優勢32 理論基礎5 2.1 超聲相控陣檢測原理概述52.1.1相控陣的偏轉52.1.2相控陣的聚焦62.1.3相控陣的發射和接收72.1.4相控陣探頭及其主要參數82.1.5相控陣的掃查方式92.1.6相控陣的掃描模式及圖像顯示103 實驗準備133.1 Phascan超聲相控陣儀器簡介133.2 儀器探頭參數設置及校準133.2.1創建應用設置133.2.2探頭和斜楔的設置143.2.3聚焦法則設置153.2.4聲速的校準163.2.5延遲的校準163.2.6靈敏度的校準173.2.7TCG曲線的校準183.3 實驗材料及狀態184 鋼管桁架相貫節點焊縫的超聲檢測204.1實驗難點204.2 鋼管桁架相貫節點焊縫的相控陣檢測實驗204.2.1實驗參數分析204.2.2實驗結果分析224.2.3實驗優化驗證234.3 鋼管桁架相貫節點焊縫的常規超聲檢測實驗304.3.1實驗結果分析304.3.2實驗方案優化314.4 結論315 總結32參考文獻33致謝34 鋼管桁架相貫節點的相控陣檢測方法研究1緒論1.1選題的依據及意義 近年來，隨著鋼鐵產量的供應增長，管桁架被廣泛的用于基礎設施的建設中。例如體育館、商務會所、地鐵站臺、商務樓等。鋼管結構具有外形美、經濟、構造簡單等優點。常用鋼桁架主要用于承重構件。各式塔架，輸電線路塔等，是一種造型優美的的空間鋼桁架。桁架是指由桿件在端部相互連接而組成的格子式結構，管桁架即是由管子焊接而成的結構。桿件一般只受軸線拉力或壓力，應力均勻分布在截面上，結構自重小。它可以做成各式形狀，如簡支桁架、拱、框架及塔架等。因而桁架結構在現今的許多大跨度的場館建筑，如會展中心、體育場館或其他一些大型公共建筑中得到了廣泛運用。鋼管結構的線條流暢，體形優美。鋼管截面慣性半徑較大，可減輕體重，因而經濟性優良，相應減少了防腐和防火涂料的費用。鋼管的連接主要采取焊接，即使大型結構的高空安裝合攏節點部分采用栓接，也必須把栓接部件焊到鋼管桿件上，因而焊接技術在鋼管結構的施工安裝中占有重要的地位。無論從焊接節點構造，焊接工藝和無損檢測技術都有特殊的要求。我國近年來已經建造了多座管結構形式的大型航站樓、體育館屋蓋和公路橋拱大部分桁架結構中的桿件均在節點處采用焊接連接，而在焊接之前，需預先按將要焊接的各桿件焊縫形狀進行腹桿及弦桿的下料切割，這就需要對腹桿端頭進行相貫線切割及弦桿的開槽切割。由于桁架結構中各桿件與桿件之間是以相貫線型式相交，桿件端頭斷面形狀比較復雜，因此在實際切割加工中一般采用機械自動切割加工和手工切割加工兩種方法進行加工。主管與支管的連接呈K、T、Y或復合形相貫節點形式時，支管端馬鞍形曲線。按國外標準規定，把此類圓管相貫形接頭分為四個區，即趾部、兩側部、根部區。相貫形節點的焊縫可以分為全焊縫、部分焊透和角焊縫三類，依據設計計算承載要求選擇確定。要求全焊透時，支管馬鞍形端部（圓管時）的邊緣管壁必須切割出一定的坡口面角度以與弦桿表面之間形成適于焊透的坡口角度，所須切割的坡口面角度值隨支管與主管斜交角度不同以及接頭各區支管母線與主管交點切線的斜面交角度不同而異，坡口面角度值還與各區位置以及支管與主管的管徑比有關。 與此同時，超聲相控陣靈活有效的控制聲速不僅使之具有很廣的應用和發展前景，而且有助于改善檢測的可達性和適用性，這也提高了檢測的精確性、重現性和檢測結果的可靠性，增加了檢測的實時性和直觀性，促進了無損檢測與評價的應用和發展，因此超聲相控陣的檢測方法也是重要的研究課題3。1.2超聲相控陣發展及研究現狀超聲相控陣檢測技術的概念源于雷達天線電磁波技術，至今已有二十多年的發展歷史。醫學超聲診斷的應用相對來說是比較成熟的。利用其超聲高能聚焦特性可用于殺死癌細胞。早在二十世紀六十年代，相控陣技術用于工業檢測時，因受限于電子及換能器制造技術發展滯后，數字信號處理技術欠成熟等因素。再加上檢測系統復雜且成本較高，所以，該技術在工業無損檢測領域未完全普及。直到九十年代，超聲相控陣技術才逐漸被接受。憑借聲束可靈活偏轉及可動態聚焦等特性，相控陣檢測作為一門新技術進入人們的視野，并進行重點研究。后期，相控陣系統在陣列和成像研發中取得了成果，形形色色的相控陣儀器被生產并用于缺陷檢測。二十世紀九十年代，在國外超聲相控陣檢測技術已經逐步發展起來。專利方面，超聲相控陣檢測在金屬焊縫檢測上也獲得了相應的專利1。利用斜探頭在聲傳播方向上的聚焦特性，通過轉換激發多個換能器的陣列來檢測焊縫中的缺陷。電站鍋爐管座角焊縫失效部位疲勞裂紋頻繁出現3。為提高缺陷檢出率保證檢測的可靠性，相控陣檢測技術也被用于此。相控陣檢測還可以通過調節聲束參數，克服檢測對象管壁薄、曲率大等因素的影響，對小徑管對接接頭進行檢測。還可以用于檢測汽輪機的葉片根部及航空材料等4。一種名為FAUST系統的新型超聲相控陣掃描系統，由法國的原子能協會研制。是一套基于VXI總線可以同時使多個陣列換能器工作的系統5。超聲相控陣技術處于逐漸完善的過程當中，陣列換能器的制造技術也在提高。美國人J.Ritter研究出的復合晶體換能器由16陣元組成，掃描范圍為30-70，且只對部分材料敏感6。除此以外，表面波以及板波的相控陣檢測也有廣泛的應用7。另外，加拿大RD TECH公司也有自己的研究成果。該公司研發的檢測系統，獲得了美國通用公司的肯定，探頭為壓電陶瓷型線性陣列，探頭最多可容納60個晶片，40-70的掃查角度8。其他方面，例如相控陣系統的自適應動態聚焦、二維陣列9.10方面、板波、表面波換能器11方面等，都將是日后重點研究的方向。其中，相控陣自適應聚焦的研究已經引起廣泛關注，該系統可根據接收到的缺陷回波信號，自動對聚焦法則進行更改，優化檢測方法，提高缺陷檢出率。相控陣全自動檢測裝置已用于在天然氣管道環焊縫的檢測，檢測技術還在趨于完善；也用于海洋平臺結構的檢測12。相比較在國內，超聲相控陣檢測技術尚且欠成熟，還處于研究階段。在工業檢測領域中，由于超聲波在固體中傳播，波的干涉、變形等因素而造成波傳播規律復雜，儀器研發成本較高的現狀，相對來說研究較滯后。而在機械結構失效的檢測領域中，研究較少。通過借鑒國外的技術和設備完成無損檢測，對西氣東輸天然氣管道完成全自動超聲檢測13。針對管道焊縫的相控陣檢主要對抑制邊界聲波產生的擾亂信號進行研究。一般的壓電陶瓷陣列，無法實現14。在2003年，主要研究聲波激勵控制延時相位的原理。使檢測分辨率提高了一定的水平 15。而在2005年，由楊建華教授等人完成的控制延遲技術，達到了相當精確的地步，并進一步對通道控制提出了構想及實現辦法 16。1.3相控陣技術用于鋼管桁架相貫節點的優勢鋼管桁架是用鋼管在其端部焊接而成的格子式結構，由于受其結構復雜性以及現場設備等因素的限制，焊接大多是由手工焊接進行的。焊接過程當中，可能因為外界環境的濕度、溫度等因素的影響造成焊接時機不當，以及施焊工藝的不合理性都會使桁架相貫節點焊縫中出現像夾渣、氣孔、未焊透、未熔合和裂紋等一些常見的不連續性缺陷。我們所熟知的五大常規無損檢測方法分別是超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測。超聲檢測是目前應用最為廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術。超聲檢測利用超聲波在工件中的傳播特性以及聲波反射等特性，根據儀器接受的超聲波的特征，來分析缺陷的特性，可以檢測材料的內部及表面缺陷。射線檢測利用射線能與物質發生相互作用的特點，在膠片上記錄透射射線的強度衰減信息，借助觀片燈觀察有黑度差異的底片，從而來評價構件質量。磁粉檢測是將工件磁化后，在不連續處磁感線畸變形成漏磁場，吸附工件表面的磁粉形成目視可見的磁痕，來評價表面及近表面的不連續性。滲透檢測基于液體的毛細作用，滲透劑滲入表面開口缺陷中，顯像劑吸附滲透劑再經顯像，在適當的條件下觀察，來分析缺陷的形貌特征。渦流檢測則是以電磁感原理為基礎，通過分析載流線圈產生的交變磁場在導體中感應的渦流的大小以及相位等參數的變化，來測定線圈阻抗的變化，從而來推斷試件的性能及有無缺陷。因為磁粉檢測只適用于檢測表面和近表面缺陷，檢測靈敏度受磁化方向的影響。而且，對于表面有覆蓋層的工件，對磁粉檢測有較大的影響。滲透檢測只能檢測表面缺陷，對于表面開口被堵塞的缺陷則難以控制檢測操作質量，對檢測人員的要求較高。射線檢測可以檢測內部及表面缺陷，不能對缺陷進行定位，受試件結構及現場條件的限制，檢測成本高，而且檢測效率低，對人體有害。渦流檢測只適用于檢測表面及近表面的缺陷，渦流效應的影響因素眾多，缺陷的定位定量以及定性還比較困難。綜合考慮檢測效率、缺陷檢出率、經濟實用以及檢測對象等因素的影響，對鋼管桁架相貫節點的檢測，超聲檢測方法應為首選。此外，經過大量的實驗數據分析，以及強大的理論基礎，可以得出結論：超聲相控陣檢測與傳統的手工超聲檢測方法相比，相控陣檢測可同時形成A、B、C、D、S掃描，通過多角度的掃描，可以發現不同角度的缺陷，檢測效果好；由于聲束的可偏轉性、動態聚焦等優點，對于厚度較大或者變化較大的工件通過簡單的調節儀器及探頭參數，僅單一探頭就可實現不同構件的檢測；對于像夾渣、未焊透等體積性缺陷，相控陣檢測和常規超聲檢測檢出率都較高；但對于一些對聲束指向性要求較高的面狀缺陷，超聲相控陣檢測的檢出率也高于常規超聲檢測；但是對于氣孔類回波較小的體積性缺陷，因相控陣扇形聲束的覆蓋率較高，超聲相控陣檢測的檢出率明顯要高于常規超聲檢測；總體而言，前者的缺陷檢出率要高于后者。超聲相控陣檢測分辨力好，可以在不同深度處形成聚焦。現場檢測中只需要進行簡單的線性掃描，無需做鋸齒狀掃描就可以完成全焊縫的掃描。可進行手工、半自動、自動檢測，大大提高了檢測效率。檢測結果可實現數字化存儲、動態回放、永久性保存。總而言之，超聲相控陣檢測技術將其聲束偏轉的簡單靈活性以及動態聚焦性能廣泛應用于工業檢測中，使之具有檢出率高、操作簡單易行、檢測效率高、可靠性好以及重復性好等優點。2 理論基礎2.1 超聲相控陣檢測原理概述無論是相控陣檢測還是常規超聲檢測，超聲探頭都是超聲檢測系統的最重要組件之一。晶片作為探頭的重要組成元件，利用其自身能將電能和聲能進行相互轉變的特性，來完成超聲波的發射和接收。所以探頭的性能將直接影響到超聲檢測的準確性。常規超聲檢測一般使用一定尺寸的單個晶片來激發和接受超聲波，而且在被檢材料中聲束沿預先設定的單一方向定向輻射。但是，在實際的檢測應用當中，對于一些厚壁工件、粗晶材料和形狀復雜的工件來說，一般要求避免拆卸工件而對其進行多角度探傷以防止缺陷漏檢。尤其是粗晶的奧氏體鋼的檢測，更要保障其檢測的可靠性。而相控陣探頭則是由若干個精密復雜、尺寸小、相互獨立的晶片單元按一定的陣列排布在一個探頭殼體中制造而成，各個晶片有其相對獨立的激發單元。探頭的驅動則是通過軟件和電子裝置來控制晶片激發高頻脈沖的時序和相位。在被檢材料中同相位、同波長的超聲波進行相互疊加干涉，形成形狀可控的超聲場，并在一定深度形成聚焦，對檢測部位形成不同程度的覆蓋。超聲波的疊加形成不同的波前，就可以形成波束的動態偏轉和聚焦。當探頭接受回波信號后，相控陣控制器按接收率變換時間，通過脈沖信號的形式反饋給探傷儀，形成可見的S掃圖像。系統通過控制各個晶片的時間延時，然后再根據延時來激發各個晶片，通過軟件控制聲束的范圍、聚焦的深度，大大提高了常見不定向缺陷的檢出率和可靠性。因此，超聲相控陣以其檢測靈活、可靠性高、檢出率高等特性作為一種行之有效的檢測手段，往往比常規超聲檢測更能適應不同的檢測技術要求。超聲波的偏轉與聚焦特性是相控陣檢測系統最突出的兩個特點，超聲波的疊加和干涉以及波的反射都是以惠更斯原理為理論基礎而實現的。2.1.1 相控陣的偏轉通過對系統軟件進行參數設置來控制各個晶片的激發順序，各個晶片的激發時間也自然是不一樣的，據惠更斯-菲涅爾原理，波動是對振動狀態和能量傳播的體現,對于質點連續的彈性介質，介質中質點一個質點的振動都將引起鄰近質點的振動，也會引起較遠質點的振動，機械波就這樣傳播開來。所以，波動中任何質點都可視為新的波源，然后子波的包跡就會決定一個新的波陣面。這些同相位、同波長的相干波相互干涉進而形成新的波前，聲波的連續傳播就能對超聲波的傳播方向進行有效的控制。正是因為聲波獨特的可偏轉性，相控陣可以對材料被檢部位進行靈活的多角度掃查。如圖2.1所示。圖2.1 超聲相控陣系統波束偏轉示意圖2.1.2 相控陣的聚焦相控陣超聲波聚焦的原理與其偏轉的原理相似，即各個晶片兩端芯片在延時時間的設置上將關于中心芯片對稱，就可以完成超聲相控陣的聚焦，且隨著延時值的增加，相應的聚焦深度值也會變得越來越小，如圖2.2所示。對于實際的超聲相控陣檢測，為得到預想的波束，各個晶片的激發時間則通過聚焦法則的計算器來設置，此外，實際檢測當中還需要考慮檢測對象的幾何形狀以、材料的聲學特性、以及探頭和楔塊的特征。可以由軟件設置激發順序和延時時間以控制聲束的序列，進而在檢測材料中得到不同的相對獨立的波前，而這些波前則又相互干涉從而又行成一個新的波前，穿過被檢材料的同時得到材料邊內部缺陷及非缺陷回波信號。超聲相控陣系統能夠對材料被檢部位進行不同角度、聚焦深度的掃查，可以說聚焦法則計算器起主要作用。相控陣探頭有無斜楔時的延時律和聚焦律有所不同。無斜楔探頭與工件直接接觸，按聚焦律延時結果，對聚焦深度呈拋物線狀。如圖2.3所示。當探頭從邊緣向中心移動，延時值由小變大。焦距倍增，延時值減半。當聲束偏轉呈扇形時，晶片單元上的延時則由晶片在窗口的位置決定。隨著晶片數目的增加，相控陣聲場的聚焦能力也隨之變強。在有效聚焦范圍內，有效聚焦深度也會變大。當然晶片數目視具體檢測對象而定。有斜楔的探頭，據費馬原理也由可以產生不同聲束形狀的延時律。延時值由激勵單元位置和程控折射角決定，近場區外則不能進行聚焦，需精確控制。如圖2.4所示。 圖2.2 超聲相控陣系統波束聚焦示意圖圖2.3 無楔塊直接接觸線陣探頭延時時間與聚焦深度的關系圖2.4有斜楔陣列探頭延時律與折射角和晶片單元位置的關系2.1.3 相控陣的發射和接收通過激發晶片來激發超聲波，然后超聲波的回波信號由各組晶片接收，楔塊延遲由時間的偏移來進行補償。與傳統的超聲換能器有所不同的是，相控陣換能器可以同時把同一個地方的不同信號進行結合，然后新的波前根據每個晶片的接受時間和振幅進行精確調整。發射過程中，觸發信號被傳送至控制器，然后變成具有一定寬度的電脈沖。每個晶片只能接受一個電脈沖，由聚焦定律來界定時間延遲。然后就可以產生一定角度，并可以在一定深度聚焦的超聲波束。使用軟件進行計算，各個返回的聚焦法則通過一個特定的聲束角度，聲波傳播聲程上一個特定的點，抑或是一個特殊的聚焦深度范圍的反射，將這些回波信號進行匯合，將形成的脈沖信號傳送至探傷儀，再將這些回波信息以各種不同的方式顯示出來。如圖2.5所示。圖2.5超聲相控陣系統波束發射和接收示意圖2.1.4 相控陣探頭及其主要參數根據不同用途的需要，相控陣探頭的晶片能夠排布成各不相同的陣列樣式，如圖2.6所示：圖2.6 相控陣探頭和陣列類型線型陣列相控陣探頭是目前檢測當中應用最為廣泛的相控陣探頭。有易設計、編程和模擬方便、直接接觸或水浸法容易使用等優點。線型陣列相控陣探頭的主要設計示例參數如圖2.7所示：圖2.7 線型陣列相控陣探頭的主要參數在上圖中各參數意義：H 從動窗寬度，指陣列單元長度或探頭寬度g 晶片單元間距，相鄰兩單元的聲絕緣寬度e 晶片單元寬度，代表晶片單元的寬度p 晶片單元芯距，相鄰兩單元中心間距（p=e+g)A 主動窗長度，代表探頭陣列受激勵的總長度(A=ne+g(n-1)實際相控陣檢測中，探頭參數需要不斷進行優化，對缺陷進行精確定位。參數變化對聲束特性的影響見表2-1。表2-1 線型陣列各參數與探頭產生聲束的關系參數變化產生的結果晶片總數不變，降低p和e加強偏轉能力升高p或e有柵瓣升高e有旁瓣，偏轉能力降低P減小或者是增加A增強聚焦能力2.1.5 相控陣的掃查方式與傳統超聲檢測不同的是，相控陣檢測因其波束的方向性與掃查方向相結合，使相控陣掃查構有其特殊的掃查方式。在計算機控制模式下大致可分為電子掃描、動態深度聚焦掃描、扇形掃描三大類。掃查方式的選擇因檢測對象和現場檢測條件而議。（1）電子掃描 電子掃描又稱作線性掃查。對同一組中的多個陣元施加同一個聚焦和延時法則，然后激發第一組陣元。然后以一定的布距依次向前移動一個步進值，以相同的方法激發，直到最后一個陣元。此種掃描方式聲束則是以一定方向進行掃描，掃描結束后就會得到多個序列回波信號，探頭固定就可以檢測部分區域。示意圖如圖2-8(a)所示。（2）扇形掃描扇形掃描是在保持陣元固定不變的前提下，對其依次施加不同的聚焦法則。每次聲束的偏轉角度都會隨之發生改變，從而形成扇形掃描區域。聲波由某一點入射，在晶片陣列、聚焦深度保持不變的前提下，聲束在一個掃描范圍內進行掃查，且掃描區域可變。所以，對于一些幾何形狀復雜、檢測空間受限的檢測對象，扇形掃查更有利于缺陷的檢出。扇形掃查示意圖如圖2.8（b）所示。（3）動態深度聚焦掃描動態深度聚焦是對聲束軸線上不同深度處進行聚焦。實際檢測中，發射聲波使用單個聚焦脈沖，晶片的聚焦法則則使用動態控制。接受回波時，則對不同深度進行重新聚焦。動態聚焦則一般適用于較薄工件的檢測。掃描方式如圖2-8（c）。2.8超聲相控陣的工作方式2.1.6 相控陣的掃描模式及圖像顯示相控陣掃描模式的選取是超聲探傷定量的基礎。常見的相控陣根據掃描方向的差異，掃描模式有雙向掃描、單向掃描、線性掃描、偏向掃描等多種掃描方式。掃描過程中，根據編碼器采集數據位置，以及數據呈現顯示不同等特點，相控陣技術的視圖顯示一般有 A 顯示、B 顯示、C 顯示、D 顯示、 S 顯示等等。 如表2-2所列出。而各種顯示模式的投影方向和探頭的移動方向相關，當探頭是沿著步進軸移動時，各視圖的定義如2.9圖所示：圖2.9 超聲相控陣投影示意圖表2-2相控陣檢測基本視圖視圖類型X和Y軸的意義A掃描超聲軸和波幅B掃描俯視圖下的掃描軸和超聲軸C掃描俯視圖下的掃描軸和索引軸D掃描前視圖下的超聲軸和索引軸S掃描超聲聲束和探頭A 型顯示是最常見的脈沖反射信號顯示，通常探頭接收到的信號由檢波電路將射頻信號轉變成視頻信號。幅值顯示有全波檢波、負檢波和正檢波之分。A掃描顯示中每一個點代表工件截面上一個特定的點。Y軸表示反射波波幅。X軸表示發射聲波傳播的時間也有可能是聲程或者是真實的深度。可以綜合這兩者的信息來判定缺陷特征。A顯示有自動采集數據及分析處理的功能，可提供大量的缺陷信息。B掃描顯示的檢測面與聲束傳播方向平行，但與檢測表面垂直的剖面。在相控陣掃描視圖中主要用于對缺陷進行定量。X軸表示探頭移動的距離。縱坐標代表波的傳播時間、聲程或者真實深度。反射回波的信息作為調制信息，用亮點的顯示代表接收信號。它能夠顯示缺陷的二維特性，較直觀的截面圖。C 掃描顯示的是工件的橫斷面，用電子閘門選定某一深度的超聲回波信號。改變延遲的時間，就可以獲得不同深度的橫斷面的顯示。X軸代表探頭水平移動的距離，Y軸顯示的是步進方向上的長度。這種掃描方法只能給出投影信息，不能確定缺陷的實際深度。D 掃描顯示的檢測面與聲束方向和檢測表面都垂直。與B掃描顯示類似，X軸代表探頭移動距離，Y軸代表傳播時間或聲程或真實深度。S掃描顯示即扇形掃描顯示，屏幕視圖數據可根據實際檢測需要和相控陣探頭參數來具體設置。X軸代表波束傳播方向上距探頭的距離顯示。Y軸顯示超聲聲束的相關信息。分析相控陣掃查顯示結果圖時，一般結合多圖進行綜合分析。 3 實驗準備3.1 Phascan超聲相控陣儀器簡介本次對鋼管桁架相貫節點檢測所用的儀器是由多普勒公司自主研發的Phascan超聲相控陣儀器。可以據檢測對象的不同對材料進行選擇，以及被檢部位的形狀設置。探頭和楔塊的型號可以由儀器內部檢測系統自動識別匹配。另外，除了具備相控陣接頭外，還具有兩組獨立的常規超聲通道，可實現TOFD檢測。用戶可以設置多個組同時進行檢測，實現同一探頭設置不同的掃查區域，相當于多臺儀器同時進行檢測，大大提高了檢測效率。根據需要也可對焊縫坡口的形狀進行選擇。儀器內置聚焦法則計算器，可實現常見的線性、扇形、深度等掃查方式。對深度、聲程、投影等參數進行聚焦。對應的有多種顯示方式供選擇。圖像分辨率高，精確靈明度可達到0.1度。可通過加載調色板的方式，根據工件厚度和檢測需要來調節顏色的變化范圍。在顯示屏上，低于或高于某一深度，顏色都會有明顯的對比度。尤其是有缺陷被檢出時，缺陷部位與背景明顯的色差對比，使缺陷顯示更為清晰。可觸屏也使操作更加方便快捷。相控陣的每個聚焦法則都等同于一個單通道探傷儀，檢測精度有了保障。便利的向導設置功能，向導菜單中包括了各類參數的設置，可通過參數設置進行檢測配置。可以對聲速、延遲、靈敏度以及使用曲線進行快速、重復的校準。可以說向導是創建設置最快捷的方式。另外可對多掃描結果進行綜合分析，出具一份缺陷報表。內容包括儀器及探頭等必要參數、缺陷位置信息、掃描圖像等信息。檢測信息都可以動態存儲，動態分析。用戶可以隨著檢測對象和實際檢測要求的不同，隨時對一些參數進行單獨、分類別修改。分步設置也會提醒用戶對參數的連續設置。每個步驟在屏幕上都有提供在線幫助，可根據提示信息，在加深理解的前提下，完成參數的連續設置。3.2 儀器探頭參數設置及校準3.2.1 創建應用設置圖3.1創建應用模式在不知道儀器使用狀態的前提下，儀器使用前應進行初始化重置操作。然后進行超聲檢測設置，視頻濾波開。啟動向導設置，增加一個組，設置工件的形狀及厚度。選擇組模式為PA模式，收發模式為PE模式。如圖3.1所示。3.2.2 探頭和斜楔的設置在進行檢測前應充分了解探頭及斜楔的型號。完成上述步驟后，要對組設置中的探頭/工件模塊進行設置。當探頭與儀器相連時，多普勒公司的相控陣探頭可以由儀器自動識別探頭及斜楔的型號，否則需要自定義手動選擇所需型號。然后保存設置并關閉。設置如圖3.2（a）、（b）所示。3.2（a）探頭參數設置3.2（b）楔塊參數設置3.2.3聚焦法則設置完成上述步驟后選擇聚焦法則類型為扇形，并設置橫波進行深度聚焦。聲束的偏轉范圍需設置起始與終止角度。可根據不同需求設置聲束范圍，在實際檢測當中一般設置聲束范圍為30-70，中心聲束角度為50。在后面的校準過程中會用到。因為動態聚焦的特性，此聲束范圍在檢測過程中可隨時改變，掃描線在對檢出缺陷進行觀察時，掃描線可在聲束范圍內進行動態掃描。然后選擇掃描方式，聚焦法則設置完畢。如圖3.3所示。 3.3聚焦法則設置3.2.4 聲速的校準校準步驟中最先進行的是聲速的校準。校準的目的是為了測得材料中聲速傳播的真實速度，而且聲速校準的準確與否會影響到后面的延遲校準。進行校準前需事先準備好一塊CSK-A試塊。然后在向導設置中選擇校準類型為聲速校準。因為是根據試塊上R5和R100反射弧來校準聲速，所以在這里選擇參考反射體回波類型為半徑，且反射半徑分別設置為50和100。因為要看到反射弧100的回波，所以設置坐標范圍應大于100。增益值的設置應使第一個信號的波幅達到滿屏的80%。然后將探頭移動到試塊上合適的位置，找到R100回波的最高波，再使R50和R100反射波等高。因為只有當回波穿過閘門時，屏幕上才有示數，所以一般設置閘門的閾值為20%-25%。設置閘門的起始和寬度，分別使信號穿過閘門。在第一個信號處讀取位置1，第二個信號處讀取位置二。準確完成上述步驟后，接受校準，若校準結果反映了材料中的真實橫波速度，則系統不會提示重新校準。如圖3-4所示。3.2.5 延遲的校準 延遲校準為聲波入射到工件表面建立零位。與聲速校準相同，延遲校準在UT模式下進行，在向導中選擇延遲校準。這里用CSK-1A試塊上的1.5的孔作為參考反射體，所以回波類型應選擇為深度，并設置孔的深度。因為孔深只有15mm，所以要調節顯示范圍在50左右。將探頭放在試塊上合適的位置，前后移動探頭，如圖并改變閘門的起始和寬度，此時發現最下方的屏幕中出現兩條綠色平行的誤差線也隨之改變。前后移動探頭，使紅色的包絡線在兩條誤差線之間變化，當包絡線完全處于誤差線之間時，選擇接收校準結果。若反復移動探頭未果，則校準不準確，選擇清除包絡，重復操作。如圖3.5所示。圖3.4聲速的校準圖3.5延遲的校準3.2.6 靈敏度的校準 靈敏度校準主要使所使用到的聚焦法則規范化，對于同一個反射體，產生的波幅信號應是相似的。同樣在PA模式下，在向導中選擇校準模式為靈敏度校準。這次校準在CSK-IIIA試塊16mm埋深為20mm的孔上進行。調整閘門起始位置和寬度，使信號穿過閘門的中部。相同的，兩條誤差線的位置也會根據閘門位置的變化而發生變化。探頭在試塊上左右移動時可以看到，一條藍色的平滑包絡線在紅色包絡線下游動，并將紅色包絡線拱起。當包絡線的最低點不低于之前設置的閘門閾值，且已經建立了平滑信號包絡，選擇校準，當紅色包絡線呈直線狀，完全處于兩條誤差線之間時，選擇接受。若發現移動探頭，不能進行校準時，選擇清除包絡，重復操作。如圖3.6。圖3.6 靈敏度的校準3.2.7 TCG曲線的校準TCG曲線是時間校正增益曲線。反映當一個反射體處于不同的深度時，相應的回波高度會隨著增加增益值的變化而處于近似相同的波高，例如滿屏80%高。相控陣中使用TCG而不用DAC曲線，是因為相控陣的缺陷波幅顯示用顏色的深淺來衡量。通過顏色的對比來確定缺陷的嚴重程度。為了方便把波幅規定為統一幅值，進行這種歸一處理 ，可以用相同的幅值表示不同的深度。還是在PA操作模式下，向導中選擇校準模式為TCG校準。反射體類型選擇為深度。將探頭放在CSK-IIIA試塊深度為10的孔附近。前后移動探頭，改變閘門位置及閾值，使信號始終處于閘門內且穿過閘門。移動探頭，修改增益，以反射信號的最大波幅建立平滑的信號包絡。 然后選擇增加點，對孔深為20、30、40、50的孔執行同樣的步驟。校準后的曲線包絡應呈向上延伸的趨勢，若進行誤操作，可進行刪除點操作。曲線完成后，接受TCG，校準完畢。TCG視圖如3.7所示。圖3.7 TCG曲線的校準3.3實驗材料及狀態本次實驗所用的材料為兩個T型管試樣，材料都為45#鋼，接頭處以相貫線連接。號T型管表面無銹跡，呈金屬光澤，主管開口連接。號T型管表面涂漆，主管不開口。號T型管主管的規格為200mm10mm，支管的規格為103mm10mm。號T型管主管的規格為90mm8mm，支管的規格為90mm8mm。實驗前對工件管表面進行預處理，清除表面的污物，對于表面有涂漆層的試樣應將漆層打磨掉，且不影響探頭與工件的耦合。因為探測面為曲面，應選擇黏度適宜的耦合劑。此次所使用的耦合劑為機油，試樣表面應沒有水跡要保持干燥。號T型管 號T型管4 鋼管桁架相貫節點焊縫的超聲檢測4.1實驗難點 (1) 焊縫外形不規則。主管與支管是以相貫線的形式連接，焊縫呈空間曲線狀。主管不進行開口，對于這樣的封閉結構，因為施焊條件的限制，只能進行單面焊。相控陣主要的掃查面為支管的弧形外壁，在其外壁垂直于焊縫進行掃查，對探頭與檢測面的耦合要求較高。 (2) 管壁較薄。本次實驗所用材料的管壁厚度為10mm和8mm。管壁較薄就會造成一些非缺陷波回波的出現，會對缺陷的判別造成干擾。最常見的就是端角反射波和幻象波的影響。前者是因為焊縫內成型的不規則而引起的結構反射波。后者是因為探頭重復頻率過高。另外，為了使檢測盡量采用一次反射波，要控制聲束的偏轉范圍，保證焊縫的全覆蓋。 以上實驗難點，常規超聲和相控陣檢測都存在。4.2 鋼管桁架相貫節點焊縫的相控陣檢測實驗4.2.1實驗參數分析為不影響檢測結果，如何選擇探頭及儀器參數的設置顯得尤為重要。通過查閱資料進行理論分析，為選擇提供可靠的依據，然后進行實驗驗證。主要參數分析如下： （1）因為探頭與工件的耦合面是曲面，對于曲率半徑較大的圓弧面，探頭與工件只能進行點或者線接觸，界面的耦合程度決定了工件中聲能的強弱。另外斜楔尺寸越小，聲能更加集中。所以，實驗應選擇面積最小的斜楔配合探頭進行掃查，以減少聲能的損失。 （2）本次實驗所用試樣管壁厚分別為10mm和8mm，管壁較薄。探頭緊挨焊縫掃查，可能有一次直射波檢測不到的部位。這時需利用一次反射波，適當地增大聲程，對焊縫實現聲束的全覆蓋。使檢測盲區降到最小，提高缺陷的檢出率。這與常規超聲檢測厚度較薄的工件使用K值較大的探頭是一樣的道理。掃查過程中，可能出現無論怎樣移動探頭，工件中扇掃缺陷回波在扇形界面內呈現不完整顯示或者不清晰顯示，此時需調節聲束偏轉角度來適應檢測要求。常規超聲檢測用探頭的折射角一般是固定的，且折射角在30-70之間變化。據經驗，建議將聲束偏轉角度設置為30-70。 （3）陣元間距是相控陣探頭的一個重要參數。超聲聲場具有空間分布特性，從圖4.1可以看出，主瓣聲束附近總會存在旁瓣、柵瓣區。實際檢測中，柵瓣的聲束能量甚至高于主瓣聲束的能量。造成主瓣深度方向上聚焦的畸變，必須消除。每個陣元激發的信號都經過空間采樣而成，當陣元間距等于波長，經時間濾波后，無論如何柵瓣都位于通帶區內。當陣元間距減小時，就可以消除柵瓣的影響。抑制柵瓣的同時，旁瓣也會降低。陣元間距越大，主瓣寬度可減小，提高空間分辨力。原則上在旁瓣和柵瓣得到抑制的前提下，可適當增大陣元間距。綜合考慮在這里選擇陣元間距為0.5mm。圖4.1主瓣、旁瓣、柵瓣（4）陣元大小主要影響相控陣列偏轉方向上的聲壓振幅大小。陣元越大，則聲壓越大，信噪比越高。當陣元過大時，也會出現柵瓣。因為此次使用的探頭晶片尺寸為一個定值，邊長為10mm。不作改動。（5）探頭頻率與聲波衰減以及信號分辨率有關。探頭頻率值越大，聲波的衰減越厲害，聲波在工件中的穿透能力逐漸變弱。但是聲場覆蓋區域內的聲場能量卻會隨著探頭頻率的增加而增加。提高分辨率的同時，缺陷回波顯示越來越清晰。另外相控陣焦點尺寸隨頻率的減小而增大。焦點尺寸變大，則缺陷顯示與實際尺寸不符。主要表現在，缺陷回波顯示輪廓變得狹長，辨別困難。在這里可供選擇的頻率值為7.5MHz和5MHz。所以選擇7.5MHz。(6) 相控陣檢測采用扇形掃查，聚焦深度的設置是關鍵。聚焦位置需設置在探頭近場區。聚焦聲場的輪廓在工件內是呈弧形變化的。在聚焦位置處，能量最高，若在聚焦深度處恰好有缺陷，則有較清晰的回波顯示。探頭附近聲場范圍較寬，而在小于聚焦深度位置附近的聲場呈明顯的聚焦趨勢。大于聚焦深度位置處的聲場呈發散特性，且此區域內任何深度位置處的聲束寬度都大于小于此深度值處聲束的寬度。而在實際檢測中聚焦深度值可能小于預設值。所以此次對于管壁厚只有8毫米的工件，設置聚焦深度值為6-8mm。大概為 板厚值。（7）探頭陣元數目直接影響著相控陣的聚焦性能。陣元數目越多，聚焦能力越好，相應的分辨率也會提高。聚焦焦點尺寸的大小與陣元數目成反比。與（5）同理，焦點尺寸變大，則不能精確確定缺陷的尺寸。在這里選擇陣元數為16。4.2.2實驗結果分析 實驗對號T型管相貫節點焊縫進行掃查，采用扇形掃查如圖4.2所示。圖中信號為焊縫內深度約為3.5mm的缺陷回波顯示。實驗中用到三個探頭型號分別為7.5S16-0.510、5L32-0.510、5L16-0.610。斜楔型號分別為SD10-N60S、SD2-N60S、SD1-N55。綜合4.2.1分析選用號探頭采用16陣元進行掃查，超聲波聲束范圍設置為30-70時，缺陷的輪廓可以在掃描聲束范圍內完整的呈現。說明對此缺陷的掃描聲束范圍設置合理，對缺陷部位達到了聲束的全覆蓋。而且可以清晰的看到，缺陷部位呈紅色顯示，對比明顯。在檢測聲束范圍內，探頭保持不動，手動移動掃描線，發現缺陷深度也隨之變化。從缺陷報表中也可以看出，深度范圍始終在一個值附近浮動。4-2探傷缺陷顯示圖4-2缺陷顯示在掃查過程中，往往在屏幕上會出現多個缺陷顯示，如圖4.3所示。可能是一些密集型氣孔、條形夾渣或者是裂紋等不連續性缺陷的顯示。而且在一定范圍內小幅度移動探頭，偏轉聲束內缺陷顯示仍不會消失。對于這類不連續性缺陷，也可保持探頭不動，移動掃描線來獲得單個缺陷的深度信息。掃描過程中還發現，對于如圖4.4所示的缺陷在聲束范圍內不完全顯示，若移動探頭還不能使其完全顯示，則需改變偏轉聲束的起始和區間范圍，完成缺陷的完整記錄。操作的靈活性也為缺陷的定性提供了可靠的依據。4.3密集性缺陷顯示圖4.4不完整缺陷顯示掃查過程中，不可避免的會出現一些可疑的回波顯示。此類回波為管內壁結構回波，顯示深度值一般與板厚值相近，回波幅度很高且呈狹長的橢圓形狀，較為醒目的是，回波顯示內外輪廓有很強的顏色對比顯示。很有可能是試樣底波的反射。4.2.3實驗優化驗證 針對以上的理論分析，現對不同參數進行實驗驗證。具體如下： （1）陣元間距對比。將檢測到的同一個缺陷波信號，可設置號探頭陣元數與一樣同為16。用探頭、進行對比試驗。陣元間距分別為0.5mm和0.6mm的。且波幅值都統一達到80%高進行觀察。如圖4.5、4.6所示。圖4.5陣元間距為0.5mm時的缺陷顯示 圖4.6陣元間距0.6mm時的缺陷顯示 從以上對比可以看出，陣元間距為0.6mm時，缺陷屏幕顯示較為干凈，無明顯的柵瓣出現。盡管信號附近有雜波出現，可以看出分辨率較前者高。再者，使信號達到同樣的幅值，后者增益值較小，說明陣元間距較大者，聲束指向性更好。 （2）頻率對比。同樣的將探頭中陣元數設置為16與相同。兩者保持其它參數不變，頻率值分別為7.5MHz和5MHz。對同一個缺陷，同樣保持信號幅值為80%高。觀察對比顯示。如圖4.5、4.7所示。圖4.7頻率為7.5MHz時的缺陷顯示 通過以上對比發現，后者分辨率高于前者。盡管理論上來說后者衰減程度大于前者，但是后者聲能更高。從信號達到相同的波高兩者增益值相近就可體現出來。 （3）陣元數的對比。用探頭將陣元數分別設置為8、10、16進行試驗。如圖4.8（a）、（b）、（c）、所示。圖4.8（a）陣元數為8圖4.8（b）陣元數為10圖4.8（c）陣元數為16 從以上圖中可對比得出：隨著陣元數量的增加，分辨率明顯提高。而且隨著陣元數目的減小，缺陷顯示變得狹長顯示為弧形。缺陷表征不準確，缺陷顯示大于實際尺寸，造成誤判。 （4） 聚焦深度對比。用探頭掃查，對同一個