钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目：钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究究 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控测控技术与仪器技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六 月月 钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究 摘要：钢管桁架是用钢管在其端部焊接而成的格子式结构，各杆件之间以相贯 线型式相交，主管与支管的连接方式可呈 K、T、Y 相贯节点形式。钢管桁架结构截面 具有良好的抗压和抗弯性能，构造简单，且不用节点板.因为它具有外形优美、结构 轻、稳定性好、刚度大等特点，以及其独特的经济实用性能，钢管桁架可适用于不同 形式的结构建筑.目前已广泛应用于吊车梁、屋盖结构、体育场馆、会展中心、塔架 等大型建筑设施中。所以对其节点构造的焊接，以及焊接工艺和无损检测技术都有特 殊的要求。 超声波相控阵检测技术是一种独特的超声检测技术，主要通过调节激发晶片的数 量、序列、时间等参数来调整声束的偏转角度、聚焦深度等变量来实现对检测材料的 覆盖，探查缺陷并生成直观可视的电子扫描图像。强大的软件控制功能可大大提高相 控阵的检测效率，探头晶片排布阵列的多元化也能优化超声成像质量。相控阵检测的 多扫描方式使缺陷的定位更加准确， 检测数据可存储以及可动态回放分析等优点使其 广泛应用于工业检测行业。 关键词：超声波相控阵 钢管桁架 晶片 偏转 聚焦 Research phased array detection steel truss with nodes Abstract:Steel pipe truss is pipe at the end of the welding and the grid type structure, amongthemembersintubularlinearintersect,Theconnectionofmainand branch was K, T, Y tubular joints form. 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.So the joint welding, and welding technology and nondestructive testing technology have 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:Keywords: Ultrasonic phased arraysteel pipe trusswaferdeflectionfocus 目目录录 1绪论 1 1.1 选题的依据及意义.1 1.2 超声相控阵发展及研究现状.2 1.3 相控阵技术用于钢管桁架相贯节点的优势.3 2理论基础 5 2.1 超声相控阵检测原理概述5 2.1.1 相控阵的偏转.5 2.1.2 相控阵的聚焦.6 2.1.3 相控阵的发射和接收.7 2.1.4 相控阵探头及其主要参数.8 2.1.5 相控阵的扫查方式.9 2.1.6 相控阵的扫描模式及图像显示.10 3实验准备 13 3.1 Phascan 超声相控阵仪器简介13 3.2 仪器探头参数设置及校准.13 3.2.1 创建应用设置.13 3.2.2 探头和斜楔的设置.14 3.2.3 聚焦法则设置.15 3.2.4 声速的校准.16 3.2.5 延迟的校准.16 3.2.6 灵敏度的校准.17 3.2.7TCG 曲线的校准.18 3.3 实验材料及状态.18 4钢管桁架相贯节点焊缝的超声检测. 20 4.1 实验难点20 4.2 钢管桁架相贯节点焊缝的相控阵检测实验.20 4.2.1 实验参数分析.20 4.2.2 实验结果分析.22 4.2.3 实验优化验证.23 4.3 钢管桁架相贯节点焊缝的常规超声检测实验.30 4.3.1 实验结果分析.30 4.3.2 实验方案优化.31 4.4 结论.31 5总结 32 参考文献.33 致谢.34 1 钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究 1 1 绪论绪论 1.11.1 选题的依据及意义选题的依据及意义 近年来，随着钢铁产量的供应增长，管桁架被广泛的用于基础设施的建设中。例 如体育馆、商务会所、地铁站台、商务楼等。钢管结构具有外形美、经济、构造简单 等优点。常用钢桁架主要用于承重构件。各式塔架，输电线路塔等，是一种造型优美 的的空间钢桁架。桁架是指由杆件在端部相互连接而组成的格子式结构，管桁架即是 由管子焊接而成的结构。杆件一般只受轴线拉力或压力，应力均匀分布在截面上，结 构自重小。它可以做成各式形状，如简支桁架、拱、框架及塔架等。因而桁架结构在 现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得 到了广泛运用。钢管结构的线条流畅，体形优美。钢管截面惯性半径较大，可减轻体 重，因而经济性优良，相应减少了防腐和防火涂料的费用。 钢管的连接主要采取焊接，即使大型结构的高空安装合拢节点部分采用栓接，也 必须把栓接部件焊到钢管杆件上， 因而焊接技术在钢管结构的施工安装中占有重要的 地位。无论从焊接节点构造，焊接工艺和无损检测技术都有特殊的要求。我国近年来 已经建造了多座管结构形式的大型航站楼、 体育馆屋盖和公路桥拱大部分桁架结构中 的杆件均在节点处采用焊接连接，而在焊接之前，需预先按将要焊接的各杆件焊缝形 状进行腹杆及弦杆的下料切割， 这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切 割。由于桁架结构中各杆件与杆件之间是以相贯线型式相交，杆件端头断面形状比较 复杂， 因此在实际切割加工中一般采用机械自动切割加工和手工切割加工两种方法进 行加工。 主管与支管的连接呈 K、 T、 Y 或复合形相贯节点形式时， 支管端马鞍形曲线。 按国外标准规定，把此类圆管相贯形接头分为四个区，即趾部、两侧部、根部区。相 贯形节点的焊缝可以分为全焊缝、部分焊透和角焊缝三类，依据设计计算承载要求选 择确定。要求全焊透时，支管马鞍形端部（圆管时）的边缘管壁必须切割出一定的坡 口面角度以与弦杆表面之间形成适于焊透的坡口角度， 所须切割的坡口面角度值随支 管与主管斜交角度不同以及接头各区支管母线与主管交点切线的斜面交角度不同而 异，坡口面角度值还与各区位置以及支管与主管的管径比有关。 与此同时，超声相控阵灵活有效的控制声速不仅使之具有很广的应用和发展前 2 景，而且有助于改善检测的可达性和适用性，这也提高了检测的精确性、重现性和检 测结果的可靠性，增加了检测的实时性和直观性，促进了无损检测与评价的应用和发 展，因此超声相控阵的检测方法也是重要的研究课题 3。 1.1.2 2 超声相控阵发展及研究现状超声相控阵发展及研究现状 超声相控阵检测技术的概念源于雷达天线电磁波技术， 至今已有二十多年的发展 历史。医学超声诊断的应用相对来说是比较成熟的。利用其超声高能聚焦特性可用于 杀死癌细胞。早在二十世纪六十年代，相控阵技术用于工业检测时，因受限于电子及 换能器制造技术发展滞后，数字信号处理技术欠成熟等因素。再加上检测系统复杂且 成本较高，所以，该技术在工业无损检测领域未完全普及。直到九十年代，超声相控 阵技术才逐渐被接受。凭借声束可灵活偏转及可动态聚焦等特性，相控阵检测作为一 门新技术进入人们的视野，并进行重点研究。后期，相控阵系统在阵列和成像研发中 取得了成果，形形色色的相控阵仪器被生产并用于缺陷检测。 二十世纪九十年代，在国外超声相控阵检测技术已经逐步发展起来。专利方面， 超声相控阵检测在金属焊缝检测上也获得了相应的专利 1。利用斜探头在声传播方向 上的聚焦特性，通过转换激发多个换能器的阵列来检测焊缝中的缺陷。电站锅炉管座 角焊缝失效部位疲劳裂纹频繁出现 3。为提高缺陷检出率保证检测的可靠性，相控阵 检测技术也被用于此。相控阵检测还可以通过调节声束参数，克服检测对象管壁薄、 曲率大等因素的影响，对小径管对接接头进行检测。还可以用于检测汽轮机的叶片根 部及航空材料等 4。一种名为 FAUST 系统的新型超声相控阵扫描系统，由法国的原子 能协会研制。是一套基于 VXI 总线可以同时使多个阵列换能器工作的系统 5。超声相 控阵技术处于逐渐完善的过程当中， 阵列换能器的制造技术也在提高。 美国人 J.Ritter 研究出的复合晶体换能器由 16 阵元组成，扫描范围为 30-70，且只对部分材料 敏感 6。除此以外，表面波以及板波的相控阵检测也有广泛的应用7。另外，加拿大 RD TECH 公司也有自己的研究成果。该公司研发的检测系统，获得了美国通用公 司的肯定，探头为压电陶瓷型线性阵列，探头最多可容纳 60 个晶片，40-70的扫 查角度 8。其他方面，例如相控阵系统的自适应动态聚焦、二维阵列9.10方面、板波、 表面波换能器 11方面等，都将是日后重点研究的方向。其中，相控阵自适应聚焦的研 究已经引起广泛关注，该系统可根据接收到的缺陷回波信号，自动对聚焦法则进行更 改，优化检测方法，提高缺陷检出率。相控阵全自动检测装置已用于在天然气管道环 焊缝的检测，检测技术还在趋于完善；也用于海洋平台结构的检测 12。 3 相比较在国内，超声相控阵检测技术尚且欠成熟，还处于研究阶段。在工业检测 领域中，由于超声波在固体中传播，波的干涉、变形等因素而造成波传播规律复杂， 仪器研发成本较高的现状，相对来说研究较滞后。而在机械结构失效的检测领域中， 研究较少。通过借鉴国外的技术和设备完成无损检测，对西气东输天然气管道完成全 自动超声检测 13。 针对管道焊缝的相控阵检主要对抑制边界声波产生的扰乱信号进行 研究。一般的压电陶瓷阵列，无法实现 14。在 2003 年，主要研究声波激励控制延时 相位的原理。使检测分辨率提高了一定的水平 15。而在 2005 年，由杨建华教授等人 完成的控制延迟技术，达到了相当精确的地步，并进一步对通道控制提出了构想及实 现办法 16。 1.1.3 3 相控阵技术用于钢管桁架相贯节点的优势相控阵技术用于钢管桁架相贯节点的优势 钢管桁架是用钢管在其端部焊接而成的格子式结构， 由于受其结构复杂性以及现 场设备等因素的限制，焊接大多是由手工焊接进行的。焊接过程当中，可能因为外界 环境的湿度、温度等因素的影响造成焊接时机不当，以及施焊工艺的不合理性都会使 桁架相贯节点焊缝中出现像夹渣、气孔、未焊透、未熔合和裂纹等一些常见的不连续 性缺陷。 我们所熟知的五大常规无损检测方法分别是超声检测、 射线检测、 磁粉检测、 渗透检测、涡流检测。超声检测是目前应用最为广泛、使用频率最高且发展较快的一 种无损检测技术。超声检测利用超声波在工件中的传播特性以及声波反射等特性，根 据仪器接受的超声波的特征，来分析缺陷的特性，可以检测材料的内部及表面缺陷。 射线检测利用射线能与物质发生相互作用的特点， 在胶片上记录透射射线的强度衰减 信息，借助观片灯观察有黑度差异的底片，从而来评价构件质量。磁粉检测是将工件 磁化后，在不连续处磁感线畸变形成漏磁场，吸附工件表面的磁粉形成目视可见的磁 痕，来评价表面及近表面的不连续性。渗透检测基于液体的毛细作用，渗透剂渗入表 面开口缺陷中，显像剂吸附渗透剂再经显像，在适当的条件下观察，来分析缺陷的形 貌特征。涡流检测则是以电磁感原理为基础，通过分析载流线圈产生的交变磁场在导 体中感应的涡流的大小以及相位等参数的变化，来测定线圈阻抗的变化，从而来推断 试件的性能及有无缺陷。因为磁粉检测只适用于检测表面和近表面缺陷，检测灵敏度 受磁化方向的影响。而且，对于表面有覆盖层的工件，对磁粉检测有较大的影响。渗 透检测只能检测表面缺陷，对于表面开口被堵塞的缺陷则难以控制检测操作质量，对 检测人员的要求较高。射线检测可以检测内部及表面缺陷，不能对缺陷进行定位，受 试件结构及现场条件的限制，检测成本高，而且检测效率低，对人体有害。涡流检测 4 只适用于检测表面及近表面的缺陷，涡流效应的影响因素众多，缺陷的定位定量以及 定性还比较困难。综合考虑检测效率、缺陷检出率、经济实用以及检测对象等因素的 影响，对钢管桁架相贯节点的检测，超声检测方法应为首选。 此外，经过大量的实验数据分析，以及强大的理论基础，可以得出结论：超声相 控阵检测与传统的手工超声检测方法相比，相控阵检测可同时形成 A、B、C、D、S 扫描，通过多角度的扫描，可以发现不同角度的缺陷，检测效果好；由于声束的可偏 转性、动态聚焦等优点， 对于厚度较大或者变化较大的工件通过简单的调节仪器及探 头参数，仅单一探头就可实现不同构件的检测；对于像夹渣、未焊透等体积性缺陷， 相控阵检测和常规超声检测检出率都较高； 但对于一些对声束指向性要求较高的面状 缺陷，超声相控阵检测的检出率也高于常规超声检测；但是对于气孔类回波较小的体 积性缺陷，因相控阵扇形声束的覆盖率较高，超声相控阵检测的检出率明显要高于常 规超声检测；总体而言，前者的缺陷检出率要高于后者。超声相控阵检测分辨力好， 可以在不同深度处形成聚焦。现场检测中只需要进行简单的线性扫描，无需做锯齿状 扫描就可以完成全焊缝的扫描。可进行手工、半自动、自动检测，大大提高了检测效 率。检测结果可实现数字化存储、动态回放、永久性保存。 总而言之， 超声相控阵检测技术将其声束偏转的简单灵活性以及动态聚焦性能广 泛应用于工业检测中，使之具有检出率高、操作简单易行、检测效率高、可靠性好以 及重复性好等优点。 5 2 理论基础理论基础 2.12.1 超声相控阵检测原理概述超声相控阵检测原理概述 无论是相控阵检测还是常规超声检测， 超声探头都是超声检测系统的最重要组件 之一。晶片作为探头的重要组成元件，利用其自身能将电能和声能进行相互转变的特 性，来完成超声波的发射和接收。所以探头的性能将直接影响到超声检测的准确性。 常规超声检测一般使用一定尺寸的单个晶片来激发和接受超声波， 而且在被检材料中 声束沿预先设定的单一方向定向辐射。但是，在实际的检测应用当中，对于一些厚壁 工件、粗晶材料和形状复杂的工件来说，一般要求避免拆卸工件而对其进行多角度探 伤以防止缺陷漏检。尤其是粗晶的奥氏体钢的检测，更要保障其检测的可靠性。而相 控阵探头则是由若干个精密复杂、尺寸小、相互独立的晶片单元按一定的阵列排布在 一个探头壳体中制造而成，各个晶片有其相对独立的激发单元。探头的驱动则是通过 软件和电子装置来控制晶片激发高频脉冲的时序和相位。在被检材料中同相位、同波 长的超声波进行相互叠加干涉，形成形状可控的超声场，并在一定深度形成聚焦，对 检测部位形成不同程度的覆盖。超声波的叠加形成不同的波前，就可以形成波束的动 态偏转和聚焦。当探头接受回波信号后，相控阵控制器按接收率变换时间，通过脉冲 信号的形式反馈给探伤仪， 形成可见的 S 扫图像。 系统通过控制各个晶片的时间延时， 然后再根据延时来激发各个晶片，通过软件控制声束的范围、聚焦的深度，大大提高 了常见不定向缺陷的检出率和可靠性。因此，超声相控阵以其检测灵活、可靠性高、 检出率高等特性作为一种行之有效的检测手段， 往往比常规超声检测更能适应不同的 检测技术要求。 超声波的偏转与聚焦特性是相控阵检测系统最突出的两个特点， 超声波的叠加和 干涉以及波的反射都是以惠更斯原理为理论基础而实现的。 2.1.12.1.1 相控阵的偏转相控阵的偏转 通过对系统软件进行参数设置来控制各个晶片的激发顺序， 各个晶片的激发时间 也自然是不一样的，据惠更斯-菲涅尔原理，波动是对振动状态和能量传播的体现, 对于质点连续的弹性介质，介质中质点一个质点的振动都将引起邻近质点的振动，也 会引起较远质点的振动，机械波就这样传播开来。所以，波动中任何质点都可视为新 的波源，然后子波的包迹就会决定一个新的波阵面。这些同相位、同波长的相干波相 6 互干涉进而形成新的波前，声波的连续传播就能对超声波的传播方向进行有效的控 制。正是因为声波独特的可偏转性，相控阵可以对材料被检部位进行灵活的多角度扫 查。如图 2.1 所示。 图 2.1 超声相控阵系统波束偏转示意图 2.1.22.1.2 相控阵的聚焦相控阵的聚焦 相控阵超声波聚焦的原理与其偏转的原理相似， 即各个晶片两端芯片在延时时间 的设置上将关于中心芯片对称， 就可以完成超声相控阵的聚焦， 且随着延时值的增加， 相应的聚焦深度值也会变得越来越小，如图 2.2 所示。 对于实际的超声相控阵检测，为得到预想的波束，各个晶片的激发时间则通过聚 焦法则的计算器来设置，此外，实际检测当中还需要考虑检测对象的几何形状以、材 料的声学特性、以及探头和楔块的特征。可以由软件设置激发顺序和延时时间以控制 声束的序列，进而在检测材料中得到不同的相对独立的波前，而这些波前则又相互干 涉从而又行成一个新的波前， 穿过被检材料的同时得到材料边内部缺陷及非缺陷回波 信号。超声相控阵系统能够对材料被检部位进行不同角度、聚焦深度的扫查，可以说 聚焦法则计算器起主要作用。相控阵探头有无斜楔时的延时律和聚焦律有所不同。无 斜楔探头与工件直接接触，按聚焦律延时结果，对聚焦深度呈抛物线状。如图 2.3 所示。当探头从边缘向中心移动，延时值由小变大。焦距倍增，延时值减半。当声束 偏转呈扇形时， 晶片单元上的延时则由晶片在窗口的位置决定。 随着晶片数目的增加， 相控阵声场的聚焦能力也随之变强。在有效聚焦范围内，有效聚焦深度也会变大。当 然晶片数目视具体检测对象而定。有斜楔的探头，据费马原理也由可以产生不同声束 形状的延时律。 延时值由激励单元位置和程控折射角决定， 近场区外则不能进行聚焦， 需精确控制。如图 2.4 所示。 7 图 2.2 超声相控阵系统波束聚焦示意图 图 2.3 无楔块直接接触线阵探头延时时间与聚焦深度的关系 图 2.4 有斜楔阵列探头延时律与折射角和晶片单元位置的关系 2.1.32.1.3 相控阵的发射和接收相控阵的发射和接收 通过激发晶片来激发超声波，然后超声波的回波信号由各组晶片接收，楔块延迟 由时间的偏移来进行补偿。与传统的超声换能器有所不同的是，相控阵换能器可以同 时把同一个地方的不同信号进行结合， 然后新的波前根据每个晶片的接受时间和振幅 进行精确调整。发射过程中，触发信号被传送至控制器，然后变成具有一定宽度的电 8 脉冲。每个晶片只能接受一个电脉冲，由聚焦定律来界定时间延迟。然后就可以产生 一定角度，并可以在一定深度聚焦的超声波束。使用软件进行计算，各个返回的聚焦 法则通过一个特定的声束角度，声波传播声程上一个特定的点，抑或是一个特殊的聚 焦深度范围的反射，将这些回波信号进行汇合，将形成的脉冲信号传送至探伤仪，再 将这些回波信息以各种不同的方式显示出来。如图 2.5 所示。 图 2.5 超声相控阵系统波束发射和接收示意图 2.1.42.1.4 相控阵探头及其主要参数相控阵探头及其主要参数 根据不同用途的需要，相控阵探头的晶片能够排布成各不相同的阵列样式，如图 2.6 所示： 图 2.6 相控阵探头和阵列类型 线型阵列相控阵探头是目前检测当中应用最为广泛的相控阵探头。有易设计、编 程和模拟方便、直接接触或水浸法容易使用等优点。线型阵列相控阵探头的主要设计 示例参数如图 2.7 所示： 9 图 2.7 线型阵列相控阵探头的主要参数 在上图中各参数意义： H从动窗宽度，指阵列单元长度或探头宽度 g晶片单元间距，相邻两单元的声绝缘宽度 e晶片单元宽度，代表晶片单元的宽度 p晶片单元芯距，相邻两单元中心间距（p=e+g) A主动窗长度，代表探头阵列受激励的总长度(A=ne+g(n-1) 实际相控阵检测中，探头参数需要不断进行优化，对缺陷进行精确定位。参数变 化对声束特性的影响见表 2-1。 表 2-1 线型阵列各参数与探头产生声束的关系 参数变化产生的结果 晶片总数不变，降低 p 和 e加强偏转能力 升高 p 或 e有栅瓣 升高 e有旁瓣，偏转能力降低 P 减小或者是增加 A增强聚焦能力 2.1.52.1.5 相控阵的扫查方式相控阵的扫查方式 与传统超声检测不同的是，相控阵检测因其波束的方向性与扫查方向相结合，使 相控阵扫查构有其特殊的扫查方式。在计算机控制模式下大致可分为电子扫描、动态 深度聚焦扫描、扇形扫描三大类。扫查方式的选择因检测对象和现场检测条件而议。 （1 1）电子扫描电子扫描 电子扫描又称作线性扫查。对同一组中的多个阵元施加同一个聚焦和延时法则， 然后激发第一组阵元。然后以一定的布距依次向前移动一个步进值，以相同的方法激 10 发，直到最后一个阵元。此种扫描方式声束则是以一定方向进行扫描，扫描结束后就 会得到多个序列回波信号，探头固定就可以检测部分区域。示意图如图 2-8(a)所示。 （2 2）扇形扫描）扇形扫描 扇形扫描是在保持阵元固定不变的前提下，对其依次施加不同的聚焦法则。每次 声束的偏转角度都会随之发生改变，从而形成扇形扫描区域。声波由某一点入射，在 晶片阵列、聚焦深度保持不变的前提下，声束在一个扫描范围内进行扫查，且扫描区 域可变。所以，对于一些几何形状复杂、检测空间受限的检测对象，扇形扫查更有利 于缺陷的检出。扇形扫查示意图如图 2.8（b）所示。 （3 3）动态深度聚焦扫描）动态深度聚焦扫描 动态深度聚焦是对声束轴线上不同深度处进行聚焦。实际检测中，发射声波使用 单个聚焦脉冲，晶片的聚焦法则则使用动态控制。接受回波时，则对不同深度进行重 新聚焦。动态聚焦则一般适用于较薄工件的检测。扫描方式如图 2-8（c）。 2.8 超声相控阵的工作方式 2.1.62.1.6 相控阵的相控阵的扫描模式及图像显示扫描模式及图像显示 相控阵扫描模式的选取是超声探伤定量的基础。 常见的相控阵根据扫描方向的差 异，扫描模式有双向扫描、单向扫描、线性扫描、偏向扫描等多种扫描方式。扫描过 程中，根据编码器采集数据位置，以及数据呈现显示不同等特点，相控阵技术的视图 显示一般有 A 显示、B 显示、C 显示、D 显示、 S 显示等等。 如表 2-2 所列出。 而各种显示模式的投影方向和探头的移动方向相关，当探头是沿着步进轴移动时，各 视图的定义如 2.9 图所示： 11 图 2.9 超声相控阵投影示意图 表 2-2 相控阵检测基本视图 A 型显示是最常见的脉冲反射信号显示，通常探头接收到的信号由检波电路将 射频信号转变成视频信号。幅值显示有全波检波、负检波和正检波之分。A 扫描显示 中每一个点代表工件截面上一个特定的点。Y 轴表示反射波波幅。X 轴表示发射声波 传播的时间也有可能是声程或者是真实的深度。 可以综合这两者的信息来判定缺陷特 征。A 显示有自动采集数据及分析处理的功能，可提供大量的缺陷信息。 B 扫描显示的检测面与声束传播方向平行，但与检测表面垂直的剖面。在相控阵 扫描视图中主要用于对缺陷进行定量。X 轴表示探头移动的距离。纵坐标代表波的传 播时间、声程或者真实深度。反射回波的信息作为调制信息，用亮点的显示代表接收 信号。它能够显示缺陷的二维特性，较直观的截面图。 C 扫描显示的是工件的横断面，用电子闸门选定某一深度的超声回波信号。改 变延迟的时间， 就可以获得不同深度的横断面的显示。 X 轴代表探头水平移动的距离， Y 轴显示的是步进方向上的长度。这种扫描方法只能给出投影信息，不能确定缺陷的 实际深度。 D 扫描显示的检测面与声束方向和检测表面都垂直。与 B 扫描显示类似，X 轴 代表探头移动距离，Y 轴代表传播时间或声程或真实深度。 视图类型X 和 Y 轴的意义 A 扫描超声轴和波幅 B 扫描俯视图下的扫描轴和超声轴 C 扫描俯视图下的扫描轴和索引轴 D 扫描前视图下的超声轴和索引轴 S 扫描超声声束和探头 12 S 扫描显示即扇形扫描显示，屏幕视图数据可根据实际检测需要和相控阵探头参 数来具体设置。X 轴代表波束传播方向上距探头的距离显示。Y 轴显示超声声束的相 关信息。 分析相控阵扫查显示结果图时，一般结合多图进行综合分析。 13 3 3 实验准备实验准备 3.13.1 PhascanPhascan 超声相控阵仪器简介超声相控阵仪器简介 本次对钢管桁架相贯节点检测所用的仪器是由多普勒公司自主研发的Phascan超 声相控阵仪器。可以据检测对象的不同对材料进行选择，以及被检部位的形状设置。 探头和楔块的型号可以由仪器内部检测系统自动识别匹配。另外，除了具备相控阵接 头外，还具有两组独立的常规超声通道，可实现 TOFD 检测。用户可以设置多个组同 时进行检测，实现同一探头设置不同的扫查区域，相当于多台仪器同时进行检测，大 大提高了检测效率。根据需要也可对焊缝坡口的形状进行选择。仪器内置聚焦法则计 算器，可实现常见的线性、扇形、深度等扫查方式。对深度、声程、投影等参数进行 聚焦。对应的有多种显示方式供选择。 图像分辨率高，精确灵明度可达到 0.1 度。可通过加载调色板的方式，根据工件 厚度和检测需要来调节颜色的变化范围。在显示屏上，低于或高于某一深度，颜色都 会有明显的对比度。尤其是有缺陷被检出时，缺陷部位与背景明显的色差对比，使缺 陷显示更为清晰。可触屏也使操作更加方便快捷。 相控阵的每个聚焦法则都等同于一个单通道探伤仪，检测精度有了保障。便利的 向导设置功能，向导菜单中包括了各类参数的设置，可通过参数设置进行检测配置。 可以对声速、延迟、灵敏度以及使用曲线进行快速、重复的校准。可以说向导是创建 设置最快捷的方式。另外可对多扫描结果进行综合分析，出具一份缺陷报表。内容包 括仪器及探头等必要参数、缺陷位置信息、扫描图像等信息。检测信息都可以动态存 储，动态分析。 用户可以随着检测对象和实际检测要求的不同，随时对一些参数进行单独、分类 别修改。分步设置也会提醒用户对参数的连续设置。每个步骤在屏幕上都有提供在线 帮助，可根据提示信息，在加深理解的前提下，完成参数的连续设置。 3.23.2 仪器探头参数设置及校准仪器探头参数设置及校准 3.2.13.2.1 创建应用设置创建应用设置 14 图 3.1 创建应用模式 在不知道仪器使用状态的前提下，仪器使用前应进行初始化重置操作。然后进行 超声检测设置，视频滤波开。启动向导设置，增加一个组，设置工件的形状及厚度。 选择组模式为 PA 模式，收发模式为 PE 模式。如图 3.1 所示。 3.2.3.2.2 2 探头和斜楔的设置探头和斜楔的设置 在进行检测前应充分了解探头及斜楔的型号。完成上述步骤后，要对组设置中的 探头/工件模块进行设置。当探头与仪器相连时，多普勒公司的相控阵探头可以由仪 器自动识别探头及斜楔的型号，否则需要自定义手动选择所需型号。然后保存设置并 关闭。设置如图 3.2（a）、（b）所示。 3.2（a）探头参数设置 15 3.2（b）楔块参数设置 3.2.33.2.3 聚焦法则设置聚焦法则设置 完成上述步骤后选择聚焦法则类型为扇形，并设置横波进行深度聚焦。声束的偏 转范围需设置起始与终止角度。可根据不同需求设置声束范围，在实际检测当中一般 设置声束范围为 30-70，中心声束角度为 50。在后面的校准过程中会用到。因 为动态聚焦的特性，此声束范围在检测过程中可随时改变，扫描线在对检出缺陷进行 观察时，扫描线可在声束范围内进行动态扫描。然后选择扫描方式，聚焦法则设置完 毕。如图 3.3 所示。 3.3 聚焦法则设置 16 3.2.3.2.4 4 声速的校准声速的校准 校准步骤中最先进行的是声速的校准。 校准的目的是为了测得材料中声速传播的 真实速度，而且声速校准的准确与否会影响到后面的延迟校准。进行校准前需事先准 备好一块 CSK-A 试块。然后在向导设置中选择校准类型为声速校准。因为是根据试 块上 R5 和 R100 反射弧来校准声速，所以在这里选择参考反射体回波类型为半径， 且反射半径分别设置为 50 和 100。因为要看到反射弧 100 的回波，所以设置坐标范 围应大于 100。增益值的设置应使第一个信号的波幅达到满屏的 80%。然后将探头移 动到试块上合适的位置，找到 R100 回波的最高波，再使 R50 和 R100 反射波等高。 因为只有当回波穿过闸门时，屏幕上才有示数，所以一般设置闸门的阈值为 20%-25%。设置闸门的起始和宽度，分别使信号穿过闸门。在第一个信号处读取位置 1，第二个信号处读取位置二。准确完成上述步骤后，接受校准，若校准结果反映了 材料中的真实横波速度，则系统不会提示重新校准。如图 3-4 所示。 3.2.53.2.5 延迟的校准延迟的校准 延迟校准为声波入射到工件表面建立零位。与声速校准相同，延迟校准在 UT 模 式下进行，在向导中选择延迟校准。这里用 CSK-1A 试块上的1.5 的孔作为参考反 射体，所以回波类型应选择为深度，并设置孔的深度。因为孔深只有 15mm，所以要 调节显示范围在 50 左右。将探头放在试块上合适的位置，前后移动探头，如图并改 变闸门的起始和宽度， 此时发现最下方的屏幕中出现两条绿色平行的误差线也随之改 变。前后移动探头，使红色的包络线在两条误差线之间变化，当包络线完全处于误差 线之间时， 选择接收校准结果。 若反复移动探头未果， 则校准不准确， 选择清除包络， 重复操作。如图 3.5 所示。 图 3.4 声速的校准 17 图 3.5 延迟的校准 3.2.63.2.6 灵敏度的校准灵敏度的校准 灵敏度校准主要使所使用到的聚焦法则规范化，对于同一个反射体，产生的波幅 信号应是相似的。同样在 PA 模式下，在向导中选择校准模式为灵敏度校准。这次校 准在 CSK-IIIA 试块16mm 埋深为 20mm 的孔上进行。调整闸门起始位置和宽度， 使信号穿过闸门的中部。相同的，两条误差线的位置也会根据闸门位置的变化而发生 变化。探头在试块上左右移动时可以看到，一条蓝色的平滑包络线在红色包络线下游 动，并将红色包络线拱起。当包络线的最低点不低于之前设置的闸门阈值，且已经建 立了平滑信号包络， 选择校准， 当红色包络线呈直线状， 完全处于两条误差线之间时， 选择接受。若发现移动探头，不能进行校准时，选择清除包络，重复操作。如图 3.6。 图 3.6 灵敏度的校准 18 3.2.73.2.7 TCGTCG 曲线的校准曲线的校准 TCG 曲线是时间校正增益曲线。反映当一个反射体处于不同的深度时，相应的 回波高度会随着增加增益值的变化而处于近似相同的波高， 例如满屏 80%高。 相控阵 中使用 TCG 而不用 DAC 曲线，是因为相控阵的缺陷波幅显示用颜色的深浅来衡量。 通过颜色的对比来确定缺陷的严重程度。为了方便把波幅规定为统一幅值，进行这种 归一处理 ，可以用相同的幅值表示不同的深度。还是在 PA 操作模式下，向导中选 择校准模式为 TCG 校准。反射体类型选择为深度。将探头放在 CSK-IIIA 试块深度为 10 的孔附近。前后移动探头，改变闸门位置及阈值，使信号始终处于闸门内且穿过 闸门。移动探头，修改增益，以反射信号的最大波幅建立平滑的信号包络。 然后选 择增加点，对孔深为 20、30、40、50 的孔执行同样的步骤。校准后的曲线包络应呈 向上延伸的趋势，若进行误操作，可进行删除点操作。曲线完成后，接受 TCG，校 准完毕。TCG 视图如 3.7 所示。 图 3.7 TCG 曲线的校准 3.33.3 实验材料及状态实验材料及状态 本次实验所用的材料为两个 T 型管试样， 材料都为 45#钢， 接头处以相贯线连接。 号 T 型管表面无锈迹，呈金属光泽，主管开口连接。号 T 型管表面涂漆，主管不 开口。号 T 型管主管的规格为200mm10mm，支管的规格为103mm10mm。号 T 型管主管的规格为90mm8mm，支管的规格为90mm8mm。实验前对工件管表面进行 预处理，清除表面的污物，对于表面有涂漆层的试样应将漆层打磨掉，且不影响探头 19 与工件的耦合。因为探测面为曲面，应选择黏度适宜的耦合剂。此次所使用的耦合剂 为机油，试样表面应没有水迹要保持干燥。 号 T 型管号 T 型管 20 4 钢管桁架相贯节点焊缝的超声检测钢管桁架相贯节点焊缝的超声检测 4.14.1 实验难点实验难点 (1) 焊缝外形不规则。主管与支管是以相贯线的形式连接，焊缝呈空间曲线状。 主管不进行开口，对于这样的封闭结构，因为施焊条件的限制，只能进行单面焊。相 控阵主要的扫查面为支管的弧形外壁，在其外壁垂直于焊缝进行扫查，对探头与检测 面的耦合要求较高。 (2) 管壁较薄。本次实验所用材料的管壁厚度为 10mm 和 8mm。管壁较薄就会造 成一些非缺陷波回波的出现，会对缺陷的判别造成干扰。最常见的就是端角反射波和 幻象波的影响。前者是因为焊缝内成型的不规则而引起的结构反射波。后者是因为探 头重复频率过高。另外，为了使检测尽量采用一次反射波，要控制声束的偏转范围， 保证焊缝的全覆盖。 以上实验难点，常规超声和相控阵检测都存在。 4 4. .2 2 钢管桁架相贯节点焊缝的相控阵检测实验钢管桁架相贯节点焊缝的相控阵检测实验 4.2.14.2.1 实验参数分析实验参数分析 为不影响检测结果，如何选择探头及仪器参数的设置显得尤为重要。通过查阅资 料进行理论分析，为选择提供可靠的依据，然后进行实验验证。主要参数分析如下： （1）因为探头与工件的耦合面是曲面，对于曲率半径较大的圆弧面，探头与工件 只能进行点或者线接触，界面的耦合程度决定了工件中声能的强弱。另外斜楔尺寸越 小，声能更加集中。所以，实验应选择面积最小的斜楔配合探头进行扫查，以减少声 能的损失。 （2） 本次实验所用试样管壁厚分别为 10mm 和 8mm，管壁较薄。 探头紧挨焊缝扫查， 可能有一次直射波检测不到的部位。这时需利用一次反射波，适当地增大声程，对焊 缝实现声束的全覆盖。使检测盲区降到最小，提高缺陷的检出率。这与常规超声检测 厚度较薄的工件使用 K 值较大的探头是一样的道理。扫查过程中，可能出现无论怎样 移动探头，工件中扇扫缺陷回波在扇形界面内呈现不完整显示或者不清晰显示，此时 需调节声束偏转角度来适应检测要求。常规超声检测用探头的折射角一般是固定的， 且折射角在 30-70之间变化。据经验，建议将声束偏转角度设置为 30-70。 21 （3）阵元间距是相控阵探头的一个重要参数。超声声场具有空间分布特性，从图 4.1 可以看出，主瓣声束附近总会存在旁瓣、栅瓣区。实际检测中，栅瓣的声束能量 甚至高于主瓣声束的能量。造成主瓣深度方向上聚焦的畸变，必须消除。每个阵元激 发的信号都经过空间采样而成，当阵元间距等于波长，经时间滤波后，无论如何栅瓣 都位于通带区内。当阵元间距减小时，就可以消除栅瓣的影响。抑制栅瓣的同时，旁 瓣也会降低。阵元间距越大，主瓣宽度可减小，提高空间分辨力。原则上在旁瓣和栅 瓣得到抑制的前提下， 可适当增大阵元间距。 综合考虑在这里选择阵元间距为 0.5mm。 图 4.1 主瓣、旁瓣、栅瓣 （4）阵元大小主要影响相控阵列偏转方向上的声压振幅大小。阵元越大，则声 压越大，信噪比越高。当阵元过大时，也会出现栅瓣。因为此次使用的探头晶片尺寸 为一个定值，边长为 10mm。不作改动。 （5）探头频率与声波衰减以及信号分辨率有关。探头频率值越大，声波的衰减 越厉害，声波在工件中的穿透能力逐渐变弱。但是声场覆盖区域内的声场能量却会随 着探头频率的增加而增加。提高分辨率的同时，缺陷回波显示越来越清晰。另外相控 阵焦点尺寸随频率的减小而增大。焦点尺寸变大，则缺陷显示与实际尺寸不符。主要 表现在， 缺陷回波显示轮廓变得狭长，辨别困难。 在这里可供选择的频率值为 7.5MHz 和 5MHz。所以选择 7.5MHz。 (6) 相控阵检测采用扇形扫查，聚焦深度的设置是关键。聚焦位置需设置在探头 近场区。聚焦声场的轮廓在工件内是呈弧形变化的。在聚焦位置处，能量最高，若在 聚焦深度处恰好有缺陷，则有较清晰的回波显示。探头附近声场范围较宽，而在小于 聚焦深度位置附近的声场呈明显的聚焦趋势。大于聚焦深度位置处的声场呈发散特 性，且此区域内任何深度位置处的声束宽度都大于小于此深度值处声束的宽度。而在 22 实际检测中聚焦深度值可能小于预设值。所以此次对于管壁厚只有 8 毫米的工件，设 置聚焦深度值为 6-8mm。大概为板厚值。 （7）探头阵元数目直接影响着相控阵的聚焦性能。阵元数目越多，聚焦能力越 好，相应的分辨率也会提高。聚焦焦点尺寸的大小与阵元数目成反比。与（5）同理， 焦点尺寸变大，则不能精确确定缺陷的尺寸。在这里选择阵元数为 16。 4 4.2.2.2.2 实验结果分析实验结果分析 实验对号 T 型管相贯节点焊缝进行扫查，采用扇形扫查如图 4.2 所示。图中信 号为焊缝内深度约为 3.5mm 的缺陷回波显示。实验中用到三个探头型号分别为 7.5S16-0.510、5L32-0.510、5L16-0.610。斜楔型号分别为SD10-N60S、 SD2-N60S、SD1-N55。综合 4.2.1 分析选用号探头采用 16 阵元进行扫查，超声 波声束范围设置为 30-70时，缺陷的轮廓可以在扫描声束范围内完整的呈现。说 明对此缺陷的扫描声束范围设置合理，对缺陷部位达到了声束的全覆盖。而且可以清 晰的看到，缺陷部位呈红色显示，对比明显。在检测声束范围内，探头保持不动，手 动移动扫描线，发现缺陷深度也随之变化。从缺陷报表中也可以看出，深度范围始终 在一个值附近浮动。 4-2 探伤缺陷显示 图 4-2 缺陷显示 在扫查过程中，往往在屏幕上会出现多个缺陷显示，如图 4.3 所示。可能是一些 密集型气孔、条形夹渣或者是裂纹等不连续性缺陷的显示。而且在一定范围内小幅度 移动探头，偏转声束内缺陷显示仍不会消失。对于这类不连续性缺陷，也可保持探头 不动，移动扫描线来获得单个缺陷的深度信息。扫描过程中还发现，对于如图 4.4 所 示的缺陷在声束范围内不完全显示，若移动探头还不能使其完全显示，则需改变偏转 3 2 23 声束的起始和区间范围，完成缺陷的完整记录。操作的灵活性也为缺陷的定性提供了 可靠的依据。 4.3 密集性缺陷显示 图 4.4 不完整缺陷显示 扫查过程中，不可避免的会出现一些可疑的回波显示。此类回波为管内壁结构回 波，显示深度值一般与板厚值相近，回波幅度很高且呈狭长的椭圆形状，较为醒目的 是，回波显示内外轮廓有很强的颜色对比显示。很有可能是试样底波的反射。 4.2.34.2.3 实验优化验证实验优化验证 针对以上的理论分析，现对不同参数进行实验验证。具体如下： （1）阵元间距对比。将检测到的同一个缺陷波信号，可设置号探头阵元数与 一样同为 16。用探头、进行对比试验。阵元间距分别为 0.5mm 和 0.6mm 的。且波 幅值都统一达到 80%高进行观察。如图 4.5、4.6 所示。 24 图 4.5 阵元间距为 0.5mm 时的缺陷显示 图 4.6 阵元间距 0.6mm 时的缺陷显示 从以上对比可以看出，阵元间距为 0.6mm 时，缺陷屏幕显示较为干净，无明显的 栅瓣出现。尽管信号附近有杂波出现，可以看出分辨率较前者高。再者，使信号达到 同样的幅值，后者增益值较小，说明阵元间距较大者，声束指向性更好。 （2）频率对比。同样的将探头中阵元数设置为 16 与相同。两者保持其它参数 不变，频率值分别为 7.5MHz 和 5MHz。对同一个缺陷，同样保持信号幅值为 80%高。 观察对比显示。如图 4.5、4.7 所示。 25 图 4.7 频率为 7.5MHz 时的缺陷显示 通过以上对比发现，后者分辨率高于前者。尽管理论上来说后者衰减程度大于前 者，但是后者声能更高。从信号达到相同的波高两者增益值相近就可体现出来。 （3）阵元数的对比。用探头将阵元数分别设置为 8、10、16 进行试验。如图 4.8（a）、（b）、（c）、所示。 图 4.8（a）阵元数为 8 26 图 4.8（b）阵元数为 10 图 4.8（c）阵元数为 16 从以上图中可对比得出：随着阵元数量的增加，分辨率明显提高。而且随着阵元 数目的减小，缺陷显示变得狭长显示为弧形。缺陷表征不准确，缺陷