1、畢業設計（論文）題目： 對接焊縫的超聲相控陣檢測及圖譜分析 系 別 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O一三 年 六 月 學士學位論文原創性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立完成的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學位申請的論文或成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：2013年5月28日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，

2、同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：對接焊縫的超聲相控陣檢測及圖譜分析 摘要：焊縫連接結構在工業領域得到廣泛的應用，焊接成形過程中可能存在各種內部缺陷，這些缺陷會使鋼材料的性能大幅下降。超聲相控陣可以調節的聲束角度和聚焦深度，實現了復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測。已經被越來越多的工程檢測所采用。然而相控陣形成的有些缺陷圖像特征并不是很明顯，難于直接用肉眼研究觀察得到其特征。 本文通過研

3、究超聲相控陣檢測在缺陷下所呈現出的圖像，并對圖像特征進行分析。通過A 掃描和S 掃描相結合，超聲相控陣的檢測方法能夠有效地識別對接焊縫中的缺陷。本文提出的相控陣圖像圖譜特征分析方法能夠有效對接板焊縫缺陷進行定性，檢測靈敏度和檢測準確性較超聲檢測得到大大提高，這為相控陣檢測方法的推廣應用提供有力的支持。關鍵詞：超聲相控陣 對接焊縫 缺陷檢測 缺陷圖像特征分析 指導老師簽名：DetectionofUltrasonicPhasedArrayforButtWeld and mapping analysisName: Liu Zhihao Class: 090814Supervisor: Lu Chao

4、Abstract：With the advantages of high mechanical properties, welding and good sealing performance, ease of disassembly, light weight, short production cycle, Steel has been widely used in industries such as shipbuilding, aviation, machinery, transportation. Steel welding forming process may exist wit

5、hin a variety of defects, which may cause a substantial decline in performance of the steel material.This article through the study of ultrasonic phased array testing defect in the rendered image, and image features for analysis.Through the combination of A-scan and S-scan ultrasonic phased array te

6、sting method to effectively identify defects in the butt are image grey scale characteristics. Presented phased array image texture feature extraction method of effective combination of weld defect characterization, detection sensitivity and detection accuracy is greatly increased relative to ultras

7、onic testing, this application provides for phased array testing method of strong support.Keywords: Ultrasonic phased array technology, radiographic testing, steel, butt weld, image feature extraction Signature of Supervisor:目錄1 緒論11.1課題研究背景和意義11.2研究現狀21.2.1鋼制焊縫應用21.2.2相控陣檢測的優點3 1.2.3 相控陣的檢測歷史及發展1.3

8、主要研究內容42 超聲相控陣檢測原理72.1超聲相控陣基本原理72.2超聲相控陣檢測系統83 對接焊縫超聲相控陣檢測的要求和方法103.1 鋼制對接焊縫缺陷試塊103.1.1實驗用焊縫缺陷試塊103.1.2試驗用檢測儀器103.2 對接焊縫的檢測方法研究3.3 本章小結4對接焊縫常見缺陷的超聲相控陣圖譜分析18 4.1 常見缺陷的識別與圖譜對比分析5 總結19致 謝20參考文獻211 緒論1.1課題研究背景和意義材料、能源與信息是人類文明的三大支柱，其中材料是物質基礎。在各種材料中，結構材料是人類最早使用且最廣泛使用的基礎材料，人類的生產和生活須臾不可離開結構材料。鋼鐵材料是人類使用最為廣泛的

9、最重要的結構材料之一。鐵在地殼中的豐度約為5%，僅次于氧（49%）、硅（26%）和鋁（7%），而在地心中的含量有可能超過90%，其資源十分豐富。而相對于鋁較高的化學活潑性而言，鐵的化學活潑性適中，這使得鐵礦的開采和鋼鐵的冶煉生產均非常方便，生產成本及銷售價格相當低廉。同時，鋼鐵材料具有各種優良的性能特別是力學性能，可以充分滿足人類生產和生活對結構材料的性能需要。因此，自從3000年以前人類分地區逐步進入鐵器時代以來，鋼鐵材料在人類的生產和生活中一直扮演了最重要的結構材料的角色，我們目前乃至今后相當長的一段時間仍將處于鐵器時代。 雍岐龍. 鋼鐵結構材料中的第二相M. 冶金工業出版社, 2006.

10、焊接是指以適當的物理化學方法，使兩個原本分離的固體產生原子間的結合力，達到實現連接的一種技術方法。鋼制對接焊縫焊接以其強度高、重量輕、塑性和韌性好、材質均應，制造方便、密封性好等優異特點，已經得到了非常廣泛的應用。焊接結構是采用焊接方法加工而成的工程結構， 通常由型鋼和鋼板等制成的筒體、梁、柱、桁架等結構組成， 廣泛應用于鍋爐、容器、管道、機械、橋梁、船舶等制造行業。用焊接方法加工的結構易產生較大的焊接變形和焊接殘余應力， 從而影響結構的承載能力、加工精度和尺寸穩定性。在焊接接頭中存在著一定梳理的缺陷， 如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等， 這些缺陷的存在會降低焊件強度， 引起應力集中， 造

11、成焊接結構破壞。同時， 焊縫成分及金相組織與母材不同， 接頭部位經歷熱循環不同， 使接頭不同區域的性能不同。以上三部分均會影響焊接結構的完整性及安全性， 采用適當的無損檢測方法對焊接結構進行檢測有利于保證焊接結構安全性及可靠性。 李亞江, 王娟. 焊接原理及應用 M. 化學工業出版社, 2009.相控陣超聲波檢測作為一種獨特的技術得到開發和應用，在21世紀初已進入成熟階段。上世紀80年代初，相控陣超聲波技術從醫療領域躍入工業領域。80年代中期，壓電復合材料的研制成功，為復合型相控陣探頭的制作開創新途徑。90年代初，歐美將相控陣技術作為一種新的無損評價（NDE）方法，編入超聲檢測手冊和無損檢測工

12、程師培訓教程。自1895年至1992年，該技術主要用于核反應壓力容器（管接頭）、大鍛件軸類，及汽輪機部件的檢測。文中側重于研究超聲相控陣檢測技術在對接焊縫檢測方面的實際應用，采用超聲相控陣檢測扇形掃查，有效地檢出鋼制對接焊縫中的多種面積型和體積型缺陷。通過對比A，B兩種顯示，為缺陷定位、定量、定性提供豐富的信息源。 李海華. 應用超聲相控陣檢測技術對鋼制對接焊接接頭的檢測實例與分析研究D. 中國石油獨山子石化公司 壓力容器檢驗所, 2008.1.2研究現狀1.2.1 鋼制焊縫的應用由于鐵礦的豐富，開采和鋼鐵的冶煉生產均非常方便，生產成本及銷售價格相當低廉，以及鋼鐵材料各種優良的力學性能，使得鋼

13、鐵工業在整個國民經濟的發展過程中起到了舉足輕重的作用。日本大量將焊接無裂紋鋼用于制造城市液化氣的球罐，焊接這類剛時采用超低氫焊材后，甚至在焊接板厚50mm以下或在0時都可以焊前不預熱。WCF-80鋼是我國繼WCF-62之后，與“七五”末期開發的焊接裂紋敏感性小的高強度焊接結構，這種鋼具有很高的抗冷裂性能和低溫韌性，主要用于大型水電、石化和露天煤礦等。抗拉強度為700MPa的高強度鋼具有良好的沖擊韌性，可用于低溫焊接結構；抗拉強度為800MPa的高強度鋼一般工程機械和礦山機械中使用；而超過1000MPa的高強度鋼一般使用于工程機械高強度耐磨件、核動力設備及航海、航天設備上。對于大型工程機械，歐美

14、、日本等國家以先后逐步采用抗拉強度600950MPa的各類高強度結構鋼和抗拉強度1080MPa、1270MPa的高強度耐磨鋼。我國改革開放以來，通過大量技術引進，其中就有高強度焊接結構鋼這類材料，這類材料在工程上應用十分廣泛。這種鋼通常用在工程機械的主體結構制造中，使用這種材料不僅降低了設備重量，減少能耗和原材料消耗有很大幫助，而且在提高工程機械的檔次和延長設備使用壽命均有重大作用。 隨著制造工藝的進步，我國也開始開發了高質量新鋼種來代替進口鋼種，其中就有工程機械用800MPa高強度鋼、1100MPa和1300MPa高強度耐磨鋼。新鋼種的研制促進了相關配套焊接技術和焊材的開發，產生一批具有國際

15、水平的新技術。為了防止焊接裂紋，高強度鋼一般多采用預熱焊接工藝，但預熱焊對高強度鋼焊接熱影響區組織性能有不利影響（如軟化、脆化等）。如果能在不預熱條件下進行焊接，對簡化焊接工藝，提高焊接接頭區性能和改善工作條件有重要的意義。在不預熱條件下焊接高強度鋼，必須通過正確選擇焊材，嚴格控制焊接線能量等工藝措施，解決高強度鋼焊接裂紋、焊接區強韌匹配、熱影響區脆化軟化等一系列棘手問題。焊接最薄弱的部位一般是焊接熔合區，在這個部位焊接裂紋極易產生和擴展，這成為制約其焊接結構廣泛使用的關鍵因素之一。如果能夠解釋高強度鋼熔合區組織結構和微裂紋起源、擴展原因和預防措施，這都將具有重要的理論價值和現實意義。 李亞江

16、.低合金鋼焊接及工程應用M. 北京,化學工業出版社,2003-5 李亞江.低合金鋼焊接及工程應用M. 北京,化學工業出版社,20035 黃拔岳.關于鋼結構無損檢測常用方法優缺點的分析.福建建材.第6章（總第125期）6 燕會明.超聲相控陣技術及其應用研究.中北大學.2008年1.2.2 相控陣檢測的優點超聲相控陣檢測技術的基礎是有許多輻射單元陣列組成的雷達電磁波相控陣技術。超聲相控陣有多個壓電晶片陣列組成，由電子系統控制激發各晶片，從而控制聚焦方向和焦點位置。超聲相控陣成像技術是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的

17、相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，完成聲成像的技術。由于相控陣陣元的延遲時間可動態改變，所以使用超聲相控陣探頭探傷主要是利用它的聲束角度可控和可動態聚焦兩大特點。超聲相控陣中的每個陣元被相同脈沖采用不同延遲時間激發，通過控制延遲時間控制偏轉角度和焦點。實際上,焦點的快速偏轉使得對試件實施二維成像成為可能。 超聲相控陣檢測技術初期主要應用于醫療領域,醫學超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像;大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫并減少非目標組織的功率吸收。最初,系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因使其在工業無損檢測中的應用受限。然而隨著電

18、子技術和計算機技術的快速發展,超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測,特別是在核工業及航空工業等領域。如核電站主泵隔熱板的檢測;核廢料罐電子束環焊縫的全自動檢測及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測。由于數字電子和DSP技術的發展，使得精確延時越來越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術發展的尤為迅速。超聲相控陣檢測技術具有以下的優點：（1）采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，檢測速度成倍提高：超聲波束方向可自由變換；焦點可以調節甚至實現動態聚焦；探頭固定不動便能實現超聲波扇掃或者線掃；相控陣技術可進行電子掃描，比通常的光柵掃描快一個數量等級；（2）具有良好的聲束可達性，能對復雜幾何形狀的工件進行探查：用一個相

19、控陣探頭，就能涵蓋多種應用，不象普通超聲探頭應用單一有限；對某些檢測，可接近性是“攔路虎”，而對相控陣，只需用一小巧的陣列探頭，就能完成多個單探頭分次往復掃查才能完成的檢測任務（3）通過優化控制焦點尺寸、焦區深度和聲束方向，可使檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高；（4）通常不需要輔助掃查裝置，探頭不與工件直接接觸，數據以電子文件格式存儲，操作靈活簡便且成本低。（5）真實幾何結構成像技術：解決復雜幾何構件檢測難題；現場實時生成幾何形狀圖象；輕松指出缺陷真實特征位置；成像由各聲束A掃數據生成；實際檢測結合工藝軌跡追蹤；可用于所有形式的焊縫檢測；同步顯示A、B、S、C、D、P、3D掃描數據。超

20、聲相控陣檢測成像方式與第一節中提到的其他超聲成像方式相比較，超聲相控陣成像具有綜合的優點，這表現在如下幾個方面：（1）與B型、C型等掃描成像方式相比，相控陣超聲成像使用陣列換能器（探頭），不需要移動探頭就可以實現對被檢測試樣一定聲場范圍內進行計算機控制的聚焦掃查。另外，在B型、C型等掃描成像方式中的聲束時有單探頭發出的，其焦距、焦深等參數都是固定的，在不移動探頭位置的條件下，不能在整個視場內得到清晰一致的成像；而相控陣超聲成像則能通過計算機的程序靈活控制焦點位置、大小、焦深等多種參數，從而可得到均勻一致、高分辨率的清晰成像。（2）超聲全息能得到目標的立體像，但它的靈敏度和分辨率不高，設備復雜昂

21、貴，目前還未得到普遍應用。相控陣超聲成像的檢測靈敏度和分辨率大大高于超聲全息，而且通過對各個方向掃描聲束的探測結果進行計算重建，也可以得到被檢物體的三維成像。如采用二維陣列探頭，則可獲得實時三維成像。（3）超聲顯微鏡的成像因為所用的換能器頻率高，所以分辨率很高，但它只適用于探查物體表面和近表面微觀結構；相控陣超聲一般不用很高的頻率，成像的分辨率雖然相對較低，但可以對較厚的大工件進行內部成像檢測。（4）合成孔徑聚焦技術SAFT成像和ALOK成像都具有分辨率高、信噪比好的優點，是已被證明行之有效的實用化超聲檢測方法。相控陣超聲成像從原理上包含了這兩種成像方式的優點：合成孔徑聚焦成像和ALOK成像都

22、是以單探頭進行移動發射/接收來合成陣列探頭的效應，從而獲得性能的提高，相控陣超聲成像中的陣列傳感器則在物理上就是陣列結構，因此同樣能獲得高分辨率和高信噪比。由于在一定范圍內可免去移動探頭的定位掃查機構，相控陣超聲成像的系統更加簡化、可靠性增強。77 施克仁, 郭寓岷. 相控陣超聲成像檢測M. 1. 高等教育出版社, 2010.1.2.3 相控陣的檢測歷史及發展20世紀20年代，蘇聯科學家S.J.Slkolov就已經開始了超聲成像的研究。其后由于技術上的種種原因，超聲成像研究進展緩慢。之后隨著電子技術和計算機技術的迅速發展，大大推動了超聲成像的研究和應用。目前，在無損檢測領域，已被發展或正在研究

23、的超聲檢測成像方法主要有以下幾種。1、掃描超聲成像：脈沖超聲回波（實際上是超聲回波通過超聲換能器轉換成電信號的波形）在顯示屏上可以由不同的顯示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型掃描顯示。2、超聲全息：基于波前重建原理，即通過物波和參考波干涉形成的圖案（全息圖），然后經過反衍射積分的重建過程，獲得物體的圖像。早期的超聲全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。目前研究比較活躍的聲全息方法是掃描聲全息，大致分為激光束掃描聲全息和計算機重建聲全息兩類。3、超聲顯微鏡：利用聲波對物體內部的聲不連續性（如缺陷、力學特性或微觀組織變化等）進行高分辨率成像檢測的系統和技術。其原理是用高頻（工作頻率可高達2G

24、Hz）超聲波照射樣品，形成樣品的微觀聲學參數分布，能獲得被測物體表面和近表面結構的高分辨率圖像。4、超聲CT：計算機層析超聲成像，它是借鑒X射線CT而發展的超聲成像技術。其用一束超聲波依次沿不同方位角照射物體，并同時檢測物體中目標的散射波（即投影），再由投影來計算反演重建目標的像。目前超聲CT主要有透射型和反射型兩種，而圖像重建也有兩種理論，射線理論和衍射理論。5、ALOK超聲成像（amplitudenandlaufzeitortskurven）技術，即幅度傳播時間位置曲線技術。利用幅度傳播時間位置曲線，通過傳播時間補償和信號疊加的方法，從回撥信號中識別來自缺陷的回波信息而去除噪聲信號，并可給

25、出用B型顯示的缺陷圖像。8 張家平，韋鈺，ALOK成象系統及其定量無損檢測的應用J，無損檢測，V13 1991121-1238 張家平，韋鈺，ALOK成象系統及其定量無損檢測的應用J，無損檢測，V13 1991121-1236、衍射傳播時間技術（TOFD）：依靠超聲波和缺陷端部相互作用發出的衍射波來檢出缺陷并對其進行定量的檢測技術，并可給出A型掃描顯示及D掃描、B掃描灰度圖像顯示。9 9 張亮. 淺析典型缺陷的TOFD圖像J. 華章, 2011(28).7、合成孔徑聚焦技術（SAFT）：采用小孔徑換能器和較低的工作頻率，以獲得高的空間分辨力的一種超聲檢測技術，能在近場區工作，并能實現三維成像的

26、特點。8、超聲相控陣成像：通過控制陣列換能器中各個陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成成像掃描線的技術，可給出A型、B型、C型、P型及3D掃描成像。至今超聲相控陣技術已有近20多年的發展歷史。初期主要應用于醫療領域,醫學超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官進行成像，而大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫并減少非目標組織的功率吸收。最初,系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因使其在工業無損檢測中的應用受限。然而隨著電子技術和計

27、算機技術的快速發展,超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測。10 10 鐘志民, 梅得松. 超聲相控陣技術的發展及應用D. 核工業無損檢測中心, 2002.近年來，超聲相控陣技術以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復合材料、納秒級脈沖信號可控制、數據處理分析、軟件技術和計算機模擬等高新技術在超聲相控陣成像領域中的綜合應用，使得超聲相控陣檢測技術得以快速發展，逐漸應用于工業無損檢測領域。在超聲相控陣成像檢測儀器設備方面，國外有以色列SONOTRONNDT公司、加拿大R/DTECH公司、美國GE公司、日本OLYMPUS公司、英國SONATEST公司、英國TechnologyDe

28、sign公司等致力研發相控陣檢測系統設備，并且已經在各行各業無損檢測領域得到了成功地應用。同時國內也有多家公司在對超聲相控陣檢測設備進行研究，如廣州多浦樂電子科技有限公司、汕頭超聲研究所、武漢中科創新技術股份有限公司，且這些設備已逐步投入生產并在市場中得到推廣應用。1.3主要研究內容 本文利用圖譜分析方法綜合分析了鋼制對接焊縫的典型缺陷的主要形式和特點，主要研究內容如下:1、對象分析:由于鋼制對接焊板的廣泛應用，焊板的焊接質量的評估也顯得尤為重要，所以對于鋼制對接焊板常出現缺陷的部位及其原因的認識也逐漸加深，缺陷的種類很多，最常見的缺陷有五種，分別是氣孔、裂紋、未焊透、未熔合、夾渣。（1）氣孔

29、氣孔可分為三種類型:接頭氣孔、表面氣孔和內部的氣孔。波接頭氣孔:低氫焊條焊接頭的表面和內部氣孔，該解決方案很簡單:焊波時，應允許電弧完全融化，然后再引弧線前進，或直接對焊縫引弧可避免氣孔出現。表面氣孔:材料中含有較高金屬硫、碳、硅的部分容易產生氣孔類缺陷。解決方案:使用低氫焊條或替換容易產生毛孔的母材金屬，消除焊接部位的污物。低氫焊條的使用應合理焊接規范，在焊接過程中的最大電流電極尾部不紅;此外，低氫焊條特別容易受潮，受潮后容易毛孔焊條，焊接前必須在指定的溫度烘烤。內部氣孔一般為球形孔，常出現在焊縫中央。原因:焊接電流過大;電極過快;電弧過長;焊接部位不干凈;焊條保存不當受潮。由于上述原因氣孔

30、的焊接藝和操作方法進行適當的調整，就可以解決問題。(2)裂縫裂紋可按產生原因大致分為三種:毛隙裂縫、剛性裂縫、碳或硫元素引起的裂縫。毛隙裂縫:毛隙裂縫發生焊接部位內部，一般只在焊接部位的毛狀狀裂縫。原因是氫的影響或是金屬冷卻太快引起局部應力集中。解決方案:改用低氫焊條;焊件預熱;降低冷卻速度。剛性裂縫:通常為縱向焊縫通身的裂紋。原因:焊接部分剛性太大;由于焊接造成很大的應力;焊接速度太快;焊接電流過大;焊縫金屬的凝固太快。其解決辦法:采用合理的焊接工序或是在焊接前對焊接工件進行預加熱，降低材料的剛性。對于特別厚或是剛性材料應在合適的電流和焊速下采用低氫焊條進行焊接。由碳和硫元素造成的裂縫:焊接

31、金屬碳和硫元素過高或偏析過大，導致應力集中易產生裂紋。解決辦法:焊前預熱，或使用低氫焊條。(3)未焊透未焊透是指焊接時母材金屬之間應該熔合而未焊上的部分。出現在單面焊的坡口根部及雙面焊的坡口鈍邊，和焊接坡口有關，一般在焊縫的中間，多發生在焊縫根部。未焊透產生原因:由于焊接規范選擇不當或是焊接速度過快，直接導致金屬還未完全熔化就己凝固;另外坡口開口角度過小，鈍邊過大或對口間隙過小，這也將使得熔化的金屬不能很好的熔合;在操作手法上手工焊接時電流太小，運條速度太快，使熔深減小，都可能造成未焊透。(4)未熔合合在一起的現象。焊材與母材之間未完全熔合的情況稱為邊緣未熔合;焊材與焊材之間的未完全融合的情況

32、稱為層間未熔合。由于未熔合的存在，焊縫性能顯著下降，所以未熔合與未焊透相比更具有危害性。未熔合產生的原因:焊接電流過小，焊條焊絲在焊接時偏心或是電弧偏心，使母材或焊縫中金屬在未充分溶化就被接下來填充的金屬所覆蓋。如果母材坡口或焊縫表面臟物未完全清楚時，而焊接時的溫度又不夠高，那么未將其溶化而覆蓋上填充金屬，也會形成層間或邊緣未融合。(5)夾渣。夾渣是非金屬固體物質殘留在金屬焊縫中的現象，夾雜物的一般產生在熔焊過程中。熔渣與鐵水未分開時焊道冷卻后就會產生夾渣。對夾渣的產生可以解釋為:焊接電流小，焊速快，電弧長，方法不對等。不同位置產生夾渣的原因及防止方法也不同。平焊時夾渣產生可以解釋為:焊接時電

33、流小或是電弧長，產生的電弧吹不動熔渣，導致攪拌不充分，熔渣不能浮出金屬熔液;走焊速度過快，熔渣與鐵水未分開時熔池就己經凝固;焊接速度過慢，熔渣過多過厚，熔渣超前于電弧產生夾渣;焊條角度不對，尤其是在用直流焊機時，焊板狀焊件兩端電磁偏吹時不能很快改變焊條角度而產生夾渣。未熔合是焊縫焊材與母材之間或是多焊道時焊縫焊材之間彼此之間未完全熔合。2、檢測要求分析（1）方法選擇本實驗根據標準進行試塊的制作，然后通過射線檢測底片對焊板內的缺陷進行定性，然后對焊板缺陷部位進行超聲相控陣檢測，并對兩者結果進行對比的得到典型缺陷的圖像，并通過圖像紋理特征分析，提取典型缺陷圖像的特征，為缺陷的定性提供幫助。（2）檢

34、測設計1儀器設備選擇實驗采用汕頭市超聲儀器研究所有限公司的CTS-602超聲相控陣檢測儀，顯示屏采用6.5英寸的TFT液晶屏，分辨率達640480；檢測儀的顯示方式主要有常規和相控陣兩種模式，在實驗中將采用相控陣規模式下扇掃的方式，對試件進行檢測。2檢測參數（1）儀器參數CTS-602超聲相控陣檢測儀的顯示方式主要有常規和相控陣兩種模式，常規模式下可進行A 掃描，系統帶寬為0.515MHz，A/D采樣頻率最高為240MHz，BNC接口可以同時接兩個探頭，最大穿透厚度為6000mm(鋼縱波)，連續可調，最小顯示范圍5 mm；相控陣模式下有線掃、扇掃、 C 掃和D 掃等，系統帶寬為110MHz，A

35、/D采樣頻率最高為40MHz，接口只可以接一個探頭，支持16/32/64/128陣元探頭，具備自動探頭識別功能，活動孔徑自動根據探頭設定，最高為32；掃描類型有線掃和扇掃，線掃掃查范圍為-45+45，扇掃掃查范圍為-80+80，掃描線最大有128條，發射可實現單點聚焦，接收可實現硬件實時動態聚焦，最大范圍每掃描線1008焦點，相控陣模式最大穿透厚道為1000mm(鋼縱波)。（2）探頭參數實驗探頭型號采用TL4T8型，由16晶片組成，中心頻率為4.00.4MHz，陣元間距為0.5mm。（3）楔塊參數實驗采用的楔塊型號為8A1，30到70橫波斜塊，探頭尺寸為8 mm9 mm，楔塊角度36。3校準在

36、實驗中，相控陣的探頭采用CSK-A、CSK-A試塊進行探頭校準（探頭零點）4檢測探頭和工件之間用機油進行耦合，掃描方向與焊縫方向平行。5檢測效果評價（1）嚴格按照相關標準制定鋼制對接焊縫缺陷試樣，包括試件的材料、尺寸和焊接工藝等。（2）制定超聲相控陣檢測工藝，并對試件進行檢測，對內部典型缺陷進行檢測并得到其圖像。（3）對缺陷圖像進行紋理分析，得出各種不同的缺陷在超聲相控陣檢測下所得圖像特征并識別，為超聲相控陣缺陷的圖像特征識別與判定提供依據。（4）將射線檢測底片、超聲相控陣檢測與圖像紋理特征與識別結果進行綜合處理，得出剛制對接焊縫典型缺陷的圖像特征并識別。2 超聲相控陣檢測原理2.1超聲相控陣

37、基本原理相控陣技術作為一種高效可視化的超聲檢測技術，利用計算機控制探頭中各個小晶片的激發和接收，對各個晶片施加不同的時間延遲，使各個晶片的波陣面產生波的干涉，以實現整體聲束的偏轉和聚焦。由于相控陣各個陣元的延遲時間可動態改變，所以使用相控陣技術探傷主要是利用其聲束角度可調和可動態聚焦的特點。11 李衍.鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術J.無損探傷.2002,26（3）：1-512 單寶華，喻言，歐進萍.超聲相控陣檢測技術及應用J.無損檢測，2004,26（5）：235-238.1311 李衍.鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術J.無損探傷.2002,26（3）：1-512 單寶華，喻言，歐進萍.超聲相控

38、陣檢測技術及應用J.無損檢測，2004,26（5）：235-238.13 徐西剛，施克仁，陳以方，等.相控陣超聲無損檢測系統的研制J.無損檢測，2004,26（3）：116-119圖2.80所示是相控陣發射超聲波原理圖。發射電路產生觸發脈沖信號，相控陣單元在觸發脈沖的作用下，產生寬度，延時可編程控制的高電壓激勵脈沖。這些不同延時的激勵脈沖分別作用于換能器的各個陣元產生超聲波。如圖2.81（a）所示，由于換能器各個陣元的激勵時序是兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面最后指向探測面正前方的某個曲率中心，即形成垂直聚焦發射。如圖2.81（b）所示，由于相控陣換能器各個陣元的激勵時

39、序是從左到右等間隔增加發射延遲，使得合成波陣面具有一個指向角，即形成傾斜聚焦發射。圖2.82所示是相控陣信號接收原理圖。換能器發射的超聲波遇到缺陷后產生回波信號，回波到達各陣元的時間存在差異。按照回波到達各陣元的時間差對各個陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將待定方向回波信號疊加增強，而其他方向的回波信號減弱甚至抵消。3 對接焊縫超聲相控陣檢測的要求和方法3.1 鋼制對接焊縫缺陷試塊3.1.1實驗用焊縫缺陷試塊試件的設計和制作嚴格按照NB/T47014-16-2011承壓設備焊接工藝評定和壓力容器焊接規程、(JB/T 4730-2005承壓設備無損檢測和壓力容器材料相關檢測標準要求。

40、試件材料均為為Q235，為對接焊板結構，板長300mm，寬300mm，厚度不同。平板焊縫為X形坡口和V形坡口。焊縫中預留了氣孔、夾渣、裂紋、未焊透和未熔合等人工缺陷。具體試樣參數尺寸見下表。14 國家能源局.NB/T4701416-2011.承壓設備焊接工藝評定和壓力容器焊接規程S.2011年7月-14 國家能源局.NB/T4701416-2011.承壓設備焊接工藝評定和壓力容器焊接規程S.2011年7月15 國家發展和改革委員會.JB 4730-2005.承壓設備無損檢測S.2005年7月16 張彥華.焊接結構設計及應用M.北京，化學工業出版社.2009試塊編號試塊厚度表面狀態坡口形式焊板形

41、式JM-HS-1100220熱軋表面X型板-板JM-ZH-1020620熱軋表面X型板-板JM-HS-1102124熱軋表面V型板-板JMHS-1212520熱軋表面V型板-板3.1.2試驗用檢測儀器實驗采用汕頭市超聲儀器研究所有限公司的CTS-602超聲相控陣檢測儀，顯示屏采用6.5英寸的TFT液晶屏，分辨率達640X480;接口共有三種，分別是1個VGA輸出接口、1個USB接口和1個網絡接口，儀器本身的數據存儲器總共可儲存300組數據集，如圖2-9所示。圖2.9 CTS-602超聲相控陣檢測設備圖(1)性能參數檢測儀的顯示方式主要有常規和相控陣兩種模式，常規模式下可進行A掃描，系統帶寬為0

42、.515MHz, A/D采樣頻率最高為240MHz, BNC接口可以同時接兩個探頭，最大穿透厚度為6000mm(鋼縱波)，在范圍內可連續調節，最小顯示范圍可以達到_5 mm;相控陣模式下有線掃、扇掃、C掃和D掃等，系統帶寬為110MHz,A/D采樣頻率最高為40MHz，接口只可以接一個探頭，支持16/32/64/128陣元探頭，具備自動探頭識別功能，活動孔徑自動根據探頭設定，最高為犯;掃描類型有線掃和扇掃，線掃掃查范圍為-45+45，扇掃掃查范圍為-80+80，掃描線最大有128條，發射可實現單點聚焦，接收可實現硬件實時動態聚焦，最大范圍每掃描線1008焦點，相控陣模式最大穿透厚道為1000m

43、m(鋼縱波)。(2)探頭參數 實驗探頭型號采用TL4T8型，由16晶片組成，中心頻率為4.0士0.4MHz，陣元間距為0.5mm。(3)楔塊參數 實驗采用的楔塊型號為8A1, 30到70橫波斜塊，探頭尺寸為8 mm X 9 mm,楔塊角度36。(4)實驗環境在實驗中，相控陣的探頭采用CSK-A、CSK-A標準試塊進行探頭校準(探頭零點)，探頭和工件之間用機油進行耦合，掃描方向與焊縫方向平行。3.2 對接焊縫的檢測方法研究對接接頭焊縫示意圖探頭設置參考實際實驗中選用的相控陣探頭參數，將用于模擬的相控陣探頭陣列類型設置為線性，陣列晶片個數為16，中心頻率為4MHz，探頭與工件接觸方式設置為直接接觸

44、，以油作為偶合劑，兩陣元的中心間距是0.5mm，活動孔徑為8 mm，被動孔徑為13.9 mm。在探頭上裝備產生橫波的楔塊，楔塊材料設為有機玻璃，楔塊角度為36，楔塊具體尺寸如圖4-2 所示。傳感器采用4MHz 的中心頻率，采樣頻率為40MHz，帶寬65%。探頭掃描模式設置為扇形掃查，掃描角度設為3070，并以1為一個步進。測量零點本儀器測量的零點，在深度方向是以探頭與工件的界面（如果有配備楔塊，則以楔塊與工件的界面）為零點，在水平方向上，是以探頭上的中心刻度線為0點。如 REF _Ref266954364 h * MERGEFORMAT 圖 36。探頭中心刻度線探頭中心刻度線探頭中心刻度線探頭

45、中心刻度線圖 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 6 測量零點示意圖校正校正包括兩個方向：垂直和水平，通常先校正垂直方向，再校正水平方向。操作步驟：（1）將探頭放置到標準工件或試塊上，確認耦合良好；（2）根據需求設置掃描設置，請參見 REF _Ref266954715 r h * MERGEFORMAT 2.5 REF _Ref266954715 h * MERGEFORMAT 掃描設置；（3）按“測量”主菜單對應鍵，切換到“測量”主菜單；（4）選中“光標測量1”子菜單，按子菜單調節、鍵，使選項為“RC1”；（5）選中“光標測量2”子菜單，按子菜單調節、鍵，使選項為“DC1”；（6）選中

46、“光標1”子菜單，并再按其對應鍵，切換到“深度”選項；（7）按子菜單調節、鍵，調節使“DC1”數值顯示為標準工件或試塊上參考點的深度；（8）選中“垂直零點”子菜單，調節使標準工件或試塊上參考點在圖像上的位置與“光標1”的深度線一致，此時垂直方向校正完畢；（9）選中“光標1”子菜單，并再按其對應鍵，切換到“水平”選項；（10）按子菜單調節、鍵，調節使“RC1”數值顯示為標準工件或試塊上參考點距離探頭中心刻度線的水平距離；（11）選中“水平零點”子菜單，調節使標準工件或試塊上參考點在圖像上的位置與“光標1”的水平線一致，此時水平方向校正完畢；斜探頭扇掃示意圖如圖放置斜探頭，沿焊縫方向作水平掃查，觀

47、察儀器液晶屏顯示圖像，調節增益使圖像清晰明顯。確定缺陷圖像后調節掃描線至缺陷正中，同時調節波門以框住A型掃描波形，凍住屏幕，讀出掃查數據，并對有價值圖像進行保存，輸出。 3.2本章小結按照相關標準制作鋼制對接焊縫缺陷試件，熟悉檢測儀器的使用方法和重要參數。通過實驗選取典型缺陷試塊作分析。 制定實驗方案，用標準試塊對實驗儀器進行定標，按設計方案對試塊進行掃查。得到相關圖譜。為后續分析作準備。4對接焊縫常見缺陷的超聲相控陣圖譜分析4.1 常見缺陷的識別與圖譜對比分析17 李衍焊縫超聲檢測相控陣參數與缺陷顯示的相關性J中國特種設備安全，2009，25(12)：37-4l17 李衍焊縫超聲檢測相控陣參

48、數與缺陷顯示的相關性J中國特種設備安全，2009，25(12)：37-4l18 危荃,鄔冠華,吳偉,鐘德煌.鈦合金厚板焊縫超聲相控陣信號和圖像的特征與識別.2008.遠東無損檢測新技術論壇優秀論文選登.2008年第30卷第8期.540-542（1）氣孔圖為JM-HS-11002 的焊縫中氣孔檢測結果，鋼板尺寸300*300*20mm，X型坡口超聲相控陣檢測氣孔的顯示圖像形狀上近似為圓球狀或是橢圓狀，圖像輪廓邊緣比較清晰，氣孔中部具有較高亮度。將相控陣探頭前后左右移動，氣孔的A掃信號波形和相控陣圖像變化不明顯，圓球狀或是橢圓狀中部的紅色一直存在。焊縫中的氣孔與焊材交界處一般具有較光滑的邊緣，所以

49、超聲波在碰到氣孔光滑的邊緣時，回波信號還是較強的，所以氣孔圖像中部的亮度是比較高的，而氣孔邊緣對聲波的反射特性差異不大，邊緣各部分反射回波信號沒有明顯差異，故氣孔圖像近似構成一個的圓球狀或橢球狀。對氣孔檢測的反復實驗中，移動相控陣探頭，氣孔的形狀始終比較規則，由于氣孔的體積比較小，所以對底面的反射回波傳播沒有明顯影響。此外，由于相控陣能較為直觀的顯示缺陷的圖像，所以減少了人為因素的影響，所以超聲相控陣對氣孔類型的缺陷定性還是非常準確的，而且超聲相控陣方法相比常規超聲波提供的信息更加直觀、更加豐富，另外在借助左側A超波形圖可進一步驗證相控陣的判斷。圖為JM-HS-11002 的射線檢測對比圖片（

50、2）裂紋圖為JM-HS-11021 的焊縫中裂紋檢測結果，鋼板尺寸300*300*24mm，V型坡口超聲相控陣檢測裂紋的顯示形狀為線條狀，大多數情況下有一定的彎曲，并與焊道方向呈一定夾角，圖像輪廓邊緣較為明顯、亮度較高，與底色反差明顯，端角反射信號波幅強，聲像大，而尖端衍射信號波幅較弱，聲像較小。在焊縫中裂紋部位做好標記，用探頭掃查發現，整個裂紋圖像的顏色呈現先由淺至深、再由深變淺的連續變化。由于超聲相控陣直觀性，所以對裂紋的定性也是非常準確的。而直觀的相控陣裂紋圖像與A超波形圖相結合判定，為裂紋的定性提供了充分可靠的依據。由于裂紋屬于面積型缺陷，回波信號遠比氣孔強烈，所以在圖像中呈現出比較大

51、的示面積，由于裂紋出現位置的不同，有時會伴有底角反射的出現。因為裂紋發生在焊縫根部時底波的反射回波將會影響到檢測結果，裂紋的反射回波和底角反射往往難于區分開來，故容易發生漏檢。面積型缺陷都有取向性問題，當取向不佳時，普通超聲波檢測非常容易漏檢，而相控陣不存在這個問題，但也有其自身的其局限性，相控陣圖像一般得到的都是二維圖像，而事實上的缺陷一般都是三維的，所以目前來說相控陣并不能很好的把這些信息呈現出來。圖為JM-HS-11021的射線檢測對比圖片（3）未焊透圖為JM-HS-12125 的焊縫中未焊透檢測結果，鋼板尺寸300*300*20mm，V型坡口超聲相控陣檢測未焊透的圖像形狀一般呈現比較平

52、直，有時斷斷續續的線條狀，大多數情況下與焊道方向平行，邊緣清晰明顯，由于在未焊透的邊緣會發生強烈的衍射原因，圖像上顯示出強烈的回波信號，所以未焊透圖像的中部有較高亮度，與底色反差明顯。而未焊透邊緣對聲波的反射特性差異不大，邊緣各部分反射回波信號沒有明顯差異，所以，用不同掃查角度對對缺陷掃查時，A超回波信號相差不大，也未有明顯變化。焊縫中未焊透一般出現在比較固定的位置，一般為多層焊層間出現未焊透缺陷。本實驗采用的焊板是V型坡口，這是一次波掃查到的。由于超聲相控陣直觀性，所以對未焊透的定性也是非常準確的。圖為JM-HS-12125的射線檢測對比圖片（4）未熔合圖為JM-HS-12125 的焊縫中未

53、熔合檢測結果，鋼板尺寸300*300*20mm，V型坡口超聲相控陣檢測未熔合的圖像形狀一般是扁橢圓狀或是條狀，并比較平直，輪廓較為清晰，缺陷中部亮度較高。由于未熔合屬于平面狀缺陷，有長度和明顯的自身高度，前后左右移動相控陣探頭，A超橫向掃查測量缺陷長度的尺寸時，波幅基本保持不變，圖像上的圓球形紅點始終存在，旋轉或環繞掃查時，波高迅速降低。大部分情況下比較平直并與焊道方向平行邊緣清晰，而且亮度比較高，與底色反差比較大。未熔合形成后，邊緣與材料一般具有較光滑的邊緣，這時的形成較強的反射回波信號，故中部亮度較高，而未熔合邊緣對聲波的反射特性差異不大，邊緣各部分反射回波信號沒有明顯差異，構成一個近似的

54、扁橢球狀或條狀。在焊縫中出現位置一般都不固定，可發生在焊道層間各個位置，聲波反射也比較強烈，因此移動探頭時，缺陷處波形變化不大，且焊縫中的未熔合有一定的面積，對底波的傳播有一定的影響，因此不同位置的底波有明顯變化。從檢測結果同樣發現，相控陣方法對未熔合缺陷的定性并不是非常準確。一方面，缺陷顯示的圖像非常直觀，由于未熔合的形狀、大小和位置不固定，還是需要通過依靠其它手段才可以地判斷缺陷的性質。圖為JM-HS-12125的射線檢測對比圖片（5）夾渣圖為JM-HS-11002 的焊縫中夾渣檢測結果，鋼板尺寸300*300*20mm，X型坡口夾渣基本上是體積型缺陷，形狀不確定，因此圖像沒有典型形狀，這

55、種缺陷的表面粗糙，界面反射率低，同時還有部分聲波透入夾渣層，形成多次反射，輪廓不是很清晰，邊緣有一些反射波，但是強度不高，缺陷中部亮度較高，缺陷中部亮度較高，因此輔助A掃波形顯示寬度大并帶鋸齒，回波當量較小，由于是體積型缺陷，理論上可以被任何斜探頭檢測到。夾渣屬于體積性缺陷，有長度和明顯的自身高度，前后左右移動相控陣探頭，A超橫向掃查測量缺陷長度的尺寸時，移動探頭時信號明顯滾動，相控陣圖像上的圓球形紅點始終存在，邊緣不清晰，而且亮度與底色反差不大。從檢測結果同樣發現，相控陣方法對夾渣缺陷的定性不是非常準確，一方面，缺陷顯示的圖像非常直觀，由于夾渣的形狀、大小和位置的不固定，還是需要通過依靠其它手段才可以地判斷缺陷的性質。圖為JM-HS-11002的射線檢測對比圖片5 總結5.1實驗總結本文在使用超聲相控陣設備對鋼制對接焊縫中的典型缺陷進行大量的實驗研究，本實驗采用的設備為汕頭市超聲儀器研究所有限公司的CTS-602超聲相控陣檢測儀，探頭型號為TL4T8型，楔塊角度為36，在相控陣模式下的扇掃方式，掃查范圍設為3070，聚焦深度針對不同厚度試塊分別設置為，對試件進行檢測，探頭與工件之間用機油進行耦合，掃描方向與焊縫方向平行，相控陣的探頭采用CSK-A、CSK-A標準試塊進行探頭校準（探頭零點）。（