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超声相控阵技术在焊缝检测中的应用
摘要：简述了超声相控检测方法诞生的背景以及相对传统超声检测方法的技术的优势，着重介绍了超声相控阵技术在对接焊缝以及T型角焊缝缺陷检测中的应用，并对超声相控阵技术应用前景进展了展望。
关键字：超声相控阵技术 对接焊缝 T型角焊缝 缺陷检测
Abstract: Outlined the advantages of ultrasonic phased detection methods compared with conventional ultrasonic detection methods and its technical background. Highlighted the application of ultrasonic phased array technology in the butt welds and T-type fillet weld defect detection, and prospected the phased array technology.
Keywords: Ultrasonic phased array technology butt weld T-type fillet weld
defect detection
1 超声相控阵检测方法
随着科学技术的开展，超声波检测开展为两种检测方法：传统超声检测〔UA〕
和超声相控阵检测(UPA)。 传统超声检测的探头中只有一个晶片，通过加不同角度的楔块，使得声束偏转角度改变。这种方法起源于二十世纪四十年代，在五十年代时广泛应用于一些先进国家的机械制造和造船工业等领域中[1]。五十年代初期的研究侧重于超声探头制作和材料的改进方面，提高了成像的分辨率[2]。五十年代后期侧重于超声检测仪的研制及超声检测标准的制定。六十年代，德国KrautKramer 公司成功研制了小型超声波检测仪，是超声波检测技术的一次飞跃[3][4][5]。八十年代，微处理器在检测系统的成功应用标志着数字超声检测时代的到来。随着计算机技术和大规模集成电路以及信号处理技术的开展，超声检测由手动检测向全自动检测方向开展，进一步提高了检测效率
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[6]。随着检测要求的提高，传统超声检测的灵敏度也需要提高。
提高超声波检测的灵敏度，增大检测声束能量是关键。容易想到两种方法，
第一种方法就是提高探头的中心频率。但是探头的中心频率越高，声波在介质中
的衰减越严重，检测效果更不佳。所以，探头的中心频率不能太高。另一种方法
是使用几何透镜、物理透镜，或者直接将探头外表做成具有一定曲率的凹面，以
实现发射声束在检测区域内聚焦，从而减小了声束的扩散角[7]。但是，上述方法只能够实现定点聚焦。而在超声检测中不是检测固定区域，而是要经常调整检测区域，那么需相应地调整聚焦方向和焦点位置。假设应用上述方法调焦，那么需要根据检测区域的位置更换透镜或更换不同曲率的超声探头。这样使检测变得复杂，同时也降低了检测速度。于是，提出了超声相控阵无损检测方法[8][9][10]。如图1所示，为超声相控阵检测几何缺陷原理示意图。
图1 超声相控阵检测原理示意图
超声相控阵技术是基于惠更斯原理。相控阵探头是由多个晶片组成的阵列，
阵列的阵元在电信号的鼓励下以可控的相位发射出超声波，并使超声波束在确定
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的声域处聚焦或偏转，超声回波转化成电信号再以可控的相位叠加合成，以实现
缺陷的检测[11][12]。超声相控阵探头最显著的特点是可以灵活而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点位置通过电控而能在一定的范围内实现动态连续可调，而且在探头不动的情况下，可快速平移声束。与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术的优势是[13][14]：
1、快速。相控阵线性扫查比常规探头的光栅扫查要快很多，提高了检测效率，同时也节省了费用。
2、灵活。单个相控阵探头根据检测要求采用不同的扫查方式就可以检测不同的部件。
3、可进展复杂检测。通过检测方案设计，相控阵可以检测几何形面复杂的试块，例如检测焊缝和槽等。
4、阵列尺寸小。小晶片阵列的探头在检测中易于应用，例如，用在检测空间受到限制的管道，叶轮等工件中。
5、机械可靠性强。检测时，假设在工件上移动量越少，那么检测系统将越可靠。相控阵检测用电子扫查代替机械扫查，既减