毕业论文-对接焊缝的超声相控阵检测及图谱分析

1、毕业设计（论文）题目： 对接焊缝的超声相控阵检测及图谱分析 系 别 测试与光电工程学院专业名称 测控技术与仪器班级学号 学生姓名 指导教师 二O一三 年 六 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：2013年5月28日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，

2、同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：对接焊缝的超声相控阵检测及图谱分析 摘要：焊缝连接结构在工业领域得到广泛的应用，焊接成形过程中可能存在各种内部缺陷，这些缺陷会使钢材料的性能大幅下降。超声相控阵可以调节的声束角度和聚焦深度，实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测。已经被越来越多的工程检测所采用。然而相控阵形成的有些缺陷图像特征并不是很明显，难于直接用肉眼研究观察得到其特征。 本文通过研

3、究超声相控阵检测在缺陷下所呈现出的图像，并对图像特征进行分析。通过A 扫描和S 扫描相结合，超声相控阵的检测方法能够有效地识别对接焊缝中的缺陷。本文提出的相控阵图像图谱特征分析方法能够有效对接板焊缝缺陷进行定性，检测灵敏度和检测准确性较超声检测得到大大提高，这为相控阵检测方法的推广应用提供有力的支持。关键词：超声相控阵 对接焊缝 缺陷检测 缺陷图像特征分析 指导老师签名：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:目录1 绪论11.1课题研究背景和意义11.2研究现状21.2.1钢制焊缝应用21.2.2相控阵检测的优点3 1.2.3 相控阵的检测历史及发展1.3

8、主要研究内容42 超声相控阵检测原理72.1超声相控阵基本原理72.2超声相控阵检测系统83 对接焊缝超声相控阵检测的要求和方法103.1 钢制对接焊缝缺陷试块103.1.1实验用焊缝缺陷试块103.1.2试验用检测仪器103.2 对接焊缝的检测方法研究3.3 本章小结4对接焊缝常见缺陷的超声相控阵图谱分析18 4.1 常见缺陷的识别与图谱对比分析5 总结19致 谢20参考文献211 绪论1.1课题研究背景和意义材料、能源与信息是人类文明的三大支柱，其中材料是物质基础。在各种材料中，结构材料是人类最早使用且最广泛使用的基础材料，人类的生产和生活须臾不可离开结构材料。钢铁材料是人类使用最为广泛的

9、最重要的结构材料之一。铁在地壳中的丰度约为5%，仅次于氧（49%）、硅（26%）和铝（7%），而在地心中的含量有可能超过90%，其资源十分丰富。而相对于铝较高的化学活泼性而言，铁的化学活泼性适中，这使得铁矿的开采和钢铁的冶炼生产均非常方便，生产成本及销售价格相当低廉。同时，钢铁材料具有各种优良的性能特别是力学性能，可以充分满足人类生产和生活对结构材料的性能需要。因此，自从3000年以前人类分地区逐步进入铁器时代以来，钢铁材料在人类的生产和生活中一直扮演了最重要的结构材料的角色，我们目前乃至今后相当长的一段时间仍将处于铁器时代。 雍岐龙. 钢铁结构材料中的第二相M. 冶金工业出版社, 2006.

10、焊接是指以适当的物理化学方法，使两个原本分离的固体产生原子间的结合力，达到实现连接的一种技术方法。钢制对接焊缝焊接以其强度高、重量轻、塑性和韧性好、材质均应，制造方便、密封性好等优异特点，已经得到了非常广泛的应用。焊接结构是采用焊接方法加工而成的工程结构， 通常由型钢和钢板等制成的筒体、梁、柱、桁架等结构组成， 广泛应用于锅炉、容器、管道、机械、桥梁、船舶等制造行业。用焊接方法加工的结构易产生较大的焊接变形和焊接残余应力， 从而影响结构的承载能力、加工精度和尺寸稳定性。在焊接接头中存在着一定梳理的缺陷， 如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等， 这些缺陷的存在会降低焊件强度， 引起应力集中， 造

11、成焊接结构破坏。同时， 焊缝成分及金相组织与母材不同， 接头部位经历热循环不同， 使接头不同区域的性能不同。以上三部分均会影响焊接结构的完整性及安全性， 采用适当的无损检测方法对焊接结构进行检测有利于保证焊接结构安全性及可靠性。 李亚江, 王娟. 焊接原理及应用 M. 化学工业出版社, 2009.相控阵超声波检测作为一种独特的技术得到开发和应用，在21世纪初已进入成熟阶段。上世纪80年代初，相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。80年代中期，压电复合材料的研制成功，为复合型相控阵探头的制作开创新途径。90年代初，欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价（NDE）方法，编入超声检测手册和无损检测工

12、程师培训教程。自1895年至1992年，该技术主要用于核反应压力容器（管接头）、大锻件轴类，及汽轮机部件的检测。文中侧重于研究超声相控阵检测技术在对接焊缝检测方面的实际应用，采用超声相控阵检测扇形扫查，有效地检出钢制对接焊缝中的多种面积型和体积型缺陷。通过对比A，B两种显示，为缺陷定位、定量、定性提供丰富的信息源。 李海华. 应用超声相控阵检测技术对钢制对接焊接接头的检测实例与分析研究D. 中国石油独山子石化公司 压力容器检验所, 2008.1.2研究现状1.2.1 钢制焊缝的应用由于铁矿的丰富，开采和钢铁的冶炼生产均非常方便，生产成本及销售价格相当低廉，以及钢铁材料各种优良的力学性能，使得钢

13、铁工业在整个国民经济的发展过程中起到了举足轻重的作用。日本大量将焊接无裂纹钢用于制造城市液化气的球罐，焊接这类刚时采用超低氢焊材后，甚至在焊接板厚50mm以下或在0时都可以焊前不预热。WCF-80钢是我国继WCF-62之后，与“七五”末期开发的焊接裂纹敏感性小的高强度焊接结构，这种钢具有很高的抗冷裂性能和低温韧性，主要用于大型水电、石化和露天煤矿等。抗拉强度为700MPa的高强度钢具有良好的冲击韧性，可用于低温焊接结构；抗拉强度为800MPa的高强度钢一般工程机械和矿山机械中使用；而超过1000MPa的高强度钢一般使用于工程机械高强度耐磨件、核动力设备及航海、航天设备上。对于大型工程机械，欧美

14、、日本等国家以先后逐步采用抗拉强度600950MPa的各类高强度结构钢和抗拉强度1080MPa、1270MPa的高强度耐磨钢。我国改革开放以来，通过大量技术引进，其中就有高强度焊接结构钢这类材料，这类材料在工程上应用十分广泛。这种钢通常用在工程机械的主体结构制造中，使用这种材料不仅降低了设备重量，减少能耗和原材料消耗有很大帮助，而且在提高工程机械的档次和延长设备使用寿命均有重大作用。 随着制造工艺的进步，我国也开始开发了高质量新钢种来代替进口钢种，其中就有工程机械用800MPa高强度钢、1100MPa和1300MPa高强度耐磨钢。新钢种的研制促进了相关配套焊接技术和焊材的开发，产生一批具有国际

15、水平的新技术。为了防止焊接裂纹，高强度钢一般多采用预热焊接工艺，但预热焊对高强度钢焊接热影响区组织性能有不利影响（如软化、脆化等）。如果能在不预热条件下进行焊接，对简化焊接工艺，提高焊接接头区性能和改善工作条件有重要的意义。在不预热条件下焊接高强度钢，必须通过正确选择焊材，严格控制焊接线能量等工艺措施，解决高强度钢焊接裂纹、焊接区强韧匹配、热影响区脆化软化等一系列棘手问题。焊接最薄弱的部位一般是焊接熔合区，在这个部位焊接裂纹极易产生和扩展，这成为制约其焊接结构广泛使用的关键因素之一。如果能够解释高强度钢熔合区组织结构和微裂纹起源、扩展原因和预防措施，这都将具有重要的理论价值和现实意义。 李亚江

16、.低合金钢焊接及工程应用M. 北京,化学工业出版社,2003-5 李亚江.低合金钢焊接及工程应用M. 北京,化学工业出版社,20035 黄拔岳.关于钢结构无损检测常用方法优缺点的分析.福建建材.第6章（总第125期）6 燕会明.超声相控阵技术及其应用研究.中北大学.2008年1.2.2 相控阵检测的优点超声相控阵检测技术的基础是有许多辐射单元阵列组成的雷达电磁波相控阵技术。超声相控阵有多个压电晶片阵列组成，由电子系统控制激发各晶片，从而控制聚焦方向和焦点位置。超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的

17、相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成声成像的技术。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变，所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点。超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发，通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。 超声相控阵检测技术初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电

18、子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。超声相控阵检测技术具有以下的优点：（1）采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高：超声波束方向可自由变换；焦点可以调节甚至实现动态聚焦；探头固定不动便能实现超声波扇扫或者线扫；相控阵技术可进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级；（2）具有良好的声束可达性，能对复杂几何形状的工件进行探查：用一个相

19、控阵探头，就能涵盖多种应用，不象普通超声探头应用单一有限；对某些检测，可接近性是“拦路虎”，而对相控阵，只需用一小巧的阵列探头，就能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务（3）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高；（4）通常不需要辅助扫查装置，探头不与工件直接接触，数据以电子文件格式存储，操作灵活简便且成本低。（5）真实几何结构成像技术：解决复杂几何构件检测难题；现场实时生成几何形状图象；轻松指出缺陷真实特征位置；成像由各声束A扫数据生成；实际检测结合工艺轨迹追踪；可用于所有形式的焊缝检测；同步显示A、B、S、C、D、P、3D扫描数据。超

20、声相控阵检测成像方式与第一节中提到的其他超声成像方式相比较，超声相控阵成像具有综合的优点，这表现在如下几个方面：（1）与B型、C型等扫描成像方式相比，相控阵超声成像使用阵列换能器（探头），不需要移动探头就可以实现对被检测试样一定声场范围内进行计算机控制的聚焦扫查。另外，在B型、C型等扫描成像方式中的声束时有单探头发出的，其焦距、焦深等参数都是固定的，在不移动探头位置的条件下，不能在整个视场内得到清晰一致的成像；而相控阵超声成像则能通过计算机的程序灵活控制焦点位置、大小、焦深等多种参数，从而可得到均匀一致、高分辨率的清晰成像。（2）超声全息能得到目标的立体像，但它的灵敏度和分辨率不高，设备复杂昂

21、贵，目前还未得到普遍应用。相控阵超声成像的检测灵敏度和分辨率大大高于超声全息，而且通过对各个方向扫描声束的探测结果进行计算重建，也可以得到被检物体的三维成像。如采用二维阵列探头，则可获得实时三维成像。（3）超声显微镜的成像因为所用的换能器频率高，所以分辨率很高，但它只适用于探查物体表面和近表面微观结构；相控阵超声一般不用很高的频率，成像的分辨率虽然相对较低，但可以对较厚的大工件进行内部成像检测。（4）合成孔径聚焦技术SAFT成像和ALOK成像都具有分辨率高、信噪比好的优点，是已被证明行之有效的实用化超声检测方法。相控阵超声成像从原理上包含了这两种成像方式的优点：合成孔径聚焦成像和ALOK成像都

22、是以单探头进行移动发射/接收来合成阵列探头的效应，从而获得性能的提高，相控阵超声成像中的阵列传感器则在物理上就是阵列结构，因此同样能获得高分辨率和高信噪比。由于在一定范围内可免去移动探头的定位扫查机构，相控阵超声成像的系统更加简化、可靠性增强。77 施克仁, 郭寓岷. 相控阵超声成像检测M. 1. 高等教育出版社, 2010.1.2.3 相控阵的检测历史及发展20世纪20年代，苏联科学家S.J.Slkolov就已经开始了超声成像的研究。其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。之后随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用。目前，在无损检测领域，已被发展或正在研究

23、的超声检测成像方法主要有以下几种。1、扫描超声成像：脉冲超声回波（实际上是超声回波通过超声换能器转换成电信号的波形）在显示屏上可以由不同的显示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型扫描显示。2、超声全息：基于波前重建原理，即通过物波和参考波干涉形成的图案（全息图），然后经过反衍射积分的重建过程，获得物体的图像。早期的超声全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。目前研究比较活跃的声全息方法是扫描声全息，大致分为激光束扫描声全息和计算机重建声全息两类。3、超声显微镜：利用声波对物体内部的声不连续性（如缺陷、力学特性或微观组织变化等）进行高分辨率成像检测的系统和技术。其原理是用高频（工作频率可高达2G

24、Hz）超声波照射样品，形成样品的微观声学参数分布，能获得被测物体表面和近表面结构的高分辨率图像。4、超声CT：计算机层析超声成像，它是借鉴X射线CT而发展的超声成像技术。其用一束超声波依次沿不同方位角照射物体，并同时检测物体中目标的散射波（即投影），再由投影来计算反演重建目标的像。目前超声CT主要有透射型和反射型两种，而图像重建也有两种理论，射线理论和衍射理论。5、ALOK超声成像（amplitudenandlaufzeitortskurven）技术，即幅度传播时间位置曲线技术。利用幅度传播时间位置曲线，通过传播时间补偿和信号叠加的方法，从回拨信号中识别来自缺陷的回波信息而去除噪声信号，并可给

25、出用B型显示的缺陷图像。8 张家平，韦钰，ALOK成象系统及其定量无损检测的应用J，无损检测，V13 1991121-1238 张家平，韦钰，ALOK成象系统及其定量无损检测的应用J，无损检测，V13 1991121-1236、衍射传播时间技术（TOFD）：依靠超声波和缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量的检测技术，并可给出A型扫描显示及D扫描、B扫描灰度图像显示。9 9 张亮. 浅析典型缺陷的TOFD图像J. 华章, 2011(28).7、合成孔径聚焦技术（SAFT）：采用小孔径换能器和较低的工作频率，以获得高的空间分辨力的一种超声检测技术，能在近场区工作，并能实现三维成像的

26、特点。8、超声相控阵成像：通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，可给出A型、B型、C型、P型及3D扫描成像。至今超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官进行成像，而大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计

27、算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。10 10 钟志民, 梅得松. 超声相控阵技术的发展及应用D. 核工业无损检测中心, 2002.近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号可控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测领域。在超声相控阵成像检测仪器设备方面，国外有以色列SONOTRONNDT公司、加拿大R/DTECH公司、美国GE公司、日本OLYMPUS公司、英国SONATEST公司、英国TechnologyDe

28、sign公司等致力研发相控阵检测系统设备，并且已经在各行各业无损检测领域得到了成功地应用。同时国内也有多家公司在对超声相控阵检测设备进行研究，如广州多浦乐电子科技有限公司、汕头超声研究所、武汉中科创新技术股份有限公司，且这些设备已逐步投入生产并在市场中得到推广应用。1.3主要研究内容 本文利用图谱分析方法综合分析了钢制对接焊缝的典型缺陷的主要形式和特点，主要研究内容如下:1、对象分析:由于钢制对接焊板的广泛应用，焊板的焊接质量的评估也显得尤为重要，所以对于钢制对接焊板常出现缺陷的部位及其原因的认识也逐渐加深，缺陷的种类很多，最常见的缺陷有五种，分别是气孔、裂纹、未焊透、未熔合、夹渣。（1）气孔

29、气孔可分为三种类型:接头气孔、表面气孔和内部的气孔。波接头气孔:低氢焊条焊接头的表面和内部气孔，该解决方案很简单:焊波时，应允许电弧完全融化，然后再引弧线前进，或直接对焊缝引弧可避免气孔出现。表面气孔:材料中含有较高金属硫、碳、硅的部分容易产生气孔类缺陷。解决方案:使用低氢焊条或替换容易产生毛孔的母材金属，消除焊接部位的污物。低氢焊条的使用应合理焊接规范，在焊接过程中的最大电流电极尾部不红;此外，低氢焊条特别容易受潮，受潮后容易毛孔焊条，焊接前必须在指定的温度烘烤。内部气孔一般为球形孔，常出现在焊缝中央。原因:焊接电流过大;电极过快;电弧过长;焊接部位不干净;焊条保存不当受潮。由于上述原因气孔

30、的焊接艺和操作方法进行适当的调整，就可以解决问题。(2)裂缝裂纹可按产生原因大致分为三种:毛隙裂缝、刚性裂缝、碳或硫元素引起的裂缝。毛隙裂缝:毛隙裂缝发生焊接部位内部，一般只在焊接部位的毛状状裂缝。原因是氢的影响或是金属冷却太快引起局部应力集中。解决方案:改用低氢焊条;焊件预热;降低冷却速度。刚性裂缝:通常为纵向焊缝通身的裂纹。原因:焊接部分刚性太大;由于焊接造成很大的应力;焊接速度太快;焊接电流过大;焊缝金属的凝固太快。其解决办法:采用合理的焊接工序或是在焊接前对焊接工件进行预加热，降低材料的刚性。对于特别厚或是刚性材料应在合适的电流和焊速下采用低氢焊条进行焊接。由碳和硫元素造成的裂缝:焊接

31、金属碳和硫元素过高或偏析过大，导致应力集中易产生裂纹。解决办法:焊前预热，或使用低氢焊条。(3)未焊透未焊透是指焊接时母材金属之间应该熔合而未焊上的部分。出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边，和焊接坡口有关，一般在焊缝的中间，多发生在焊缝根部。未焊透产生原因:由于焊接规范选择不当或是焊接速度过快，直接导致金属还未完全熔化就己凝固;另外坡口开口角度过小，钝边过大或对口间隙过小，这也将使得熔化的金属不能很好的熔合;在操作手法上手工焊接时电流太小，运条速度太快，使熔深减小，都可能造成未焊透。(4)未熔合合在一起的现象。焊材与母材之间未完全熔合的情况称为边缘未熔合;焊材与焊材之间的未完全融合的情况

32、称为层间未熔合。由于未熔合的存在，焊缝性能显著下降，所以未熔合与未焊透相比更具有危害性。未熔合产生的原因:焊接电流过小，焊条焊丝在焊接时偏心或是电弧偏心，使母材或焊缝中金属在未充分溶化就被接下来填充的金属所覆盖。如果母材坡口或焊缝表面脏物未完全清楚时，而焊接时的温度又不够高，那么未将其溶化而覆盖上填充金属，也会形成层间或边缘未融合。(5)夹渣。夹渣是非金属固体物质残留在金属焊缝中的现象，夹杂物的一般产生在熔焊过程中。熔渣与铁水未分开时焊道冷却后就会产生夹渣。对夹渣的产生可以解释为:焊接电流小，焊速快，电弧长，方法不对等。不同位置产生夹渣的原因及防止方法也不同。平焊时夹渣产生可以解释为:焊接时电

33、流小或是电弧长，产生的电弧吹不动熔渣，导致搅拌不充分，熔渣不能浮出金属熔液;走焊速度过快，熔渣与铁水未分开时熔池就己经凝固;焊接速度过慢，熔渣过多过厚，熔渣超前于电弧产生夹渣;焊条角度不对，尤其是在用直流焊机时，焊板状焊件两端电磁偏吹时不能很快改变焊条角度而产生夹渣。未熔合是焊缝焊材与母材之间或是多焊道时焊缝焊材之间彼此之间未完全熔合。2、检测要求分析（1）方法选择本实验根据标准进行试块的制作，然后通过射线检测底片对焊板内的缺陷进行定性，然后对焊板缺陷部位进行超声相控阵检测，并对两者结果进行对比的得到典型缺陷的图像，并通过图像纹理特征分析，提取典型缺陷图像的特征，为缺陷的定性提供帮助。（2）检

34、测设计1仪器设备选择实验采用汕头市超声仪器研究所有限公司的CTS-602超声相控阵检测仪，显示屏采用6.5英寸的TFT液晶屏，分辨率达640480；检测仪的显示方式主要有常规和相控阵两种模式，在实验中将采用相控阵规模式下扇扫的方式，对试件进行检测。2检测参数（1）仪器参数CTS-602超声相控阵检测仪的显示方式主要有常规和相控阵两种模式，常规模式下可进行A 扫描，系统带宽为0.515MHz，A/D采样频率最高为240MHz，BNC接口可以同时接两个探头，最大穿透厚度为6000mm(钢纵波)，连续可调，最小显示范围5 mm；相控阵模式下有线扫、扇扫、 C 扫和D 扫等，系统带宽为110MHz，A

35、/D采样频率最高为40MHz，接口只可以接一个探头，支持16/32/64/128阵元探头，具备自动探头识别功能，活动孔径自动根据探头设定，最高为32；扫描类型有线扫和扇扫，线扫扫查范围为-45+45，扇扫扫查范围为-80+80，扫描线最大有128条，发射可实现单点聚焦，接收可实现硬件实时动态聚焦，最大范围每扫描线1008焦点，相控阵模式最大穿透厚道为1000mm(钢纵波)。（2）探头参数实验探头型号采用TL4T8型，由16晶片组成，中心频率为4.00.4MHz，阵元间距为0.5mm。（3）楔块参数实验采用的楔块型号为8A1，30到70横波斜块，探头尺寸为8 mm9 mm，楔块角度36。3校准在

36、实验中，相控阵的探头采用CSK-A、CSK-A试块进行探头校准（探头零点）4检测探头和工件之间用机油进行耦合，扫描方向与焊缝方向平行。5检测效果评价（1）严格按照相关标准制定钢制对接焊缝缺陷试样，包括试件的材料、尺寸和焊接工艺等。（2）制定超声相控阵检测工艺，并对试件进行检测，对内部典型缺陷进行检测并得到其图像。（3）对缺陷图像进行纹理分析，得出各种不同的缺陷在超声相控阵检测下所得图像特征并识别，为超声相控阵缺陷的图像特征识别与判定提供依据。（4）将射线检测底片、超声相控阵检测与图像纹理特征与识别结果进行综合处理，得出刚制对接焊缝典型缺陷的图像特征并识别。2 超声相控阵检测原理2.1超声相控阵

37、基本原理相控阵技术作为一种高效可视化的超声检测技术，利用计算机控制探头中各个小晶片的激发和接收，对各个晶片施加不同的时间延迟，使各个晶片的波阵面产生波的干涉，以实现整体声束的偏转和聚焦。由于相控阵各个阵元的延迟时间可动态改变，所以使用相控阵技术探伤主要是利用其声束角度可调和可动态聚焦的特点。11 李衍.钢焊缝相控阵超声波探伤新技术J.无损探伤.2002,26（3）：1-512 单宝华，喻言，欧进萍.超声相控阵检测技术及应用J.无损检测，2004,26（5）：235-238.1311 李衍.钢焊缝相控阵超声波探伤新技术J.无损探伤.2002,26（3）：1-512 单宝华，喻言，欧进萍.超声相控

38、阵检测技术及应用J.无损检测，2004,26（5）：235-238.13 徐西刚，施克仁，陈以方，等.相控阵超声无损检测系统的研制J.无损检测，2004,26（3）：116-119图2.80所示是相控阵发射超声波原理图。发射电路产生触发脉冲信号，相控阵单元在触发脉冲的作用下，产生宽度，延时可编程控制的高电压激励脉冲。这些不同延时的激励脉冲分别作用于换能器的各个阵元产生超声波。如图2.81（a）所示，由于换能器各个阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使得合成的波阵面最后指向探测面正前方的某个曲率中心，即形成垂直聚焦发射。如图2.81（b）所示，由于相控阵换能器各个阵元的激励时

39、序是从左到右等间隔增加发射延迟，使得合成波阵面具有一个指向角，即形成倾斜聚焦发射。图2.82所示是相控阵信号接收原理图。换能器发射的超声波遇到缺陷后产生回波信号，回波到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各个阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将待定方向回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消。3 对接焊缝超声相控阵检测的要求和方法3.1 钢制对接焊缝缺陷试块3.1.1实验用焊缝缺陷试块试件的设计和制作严格按照NB/T47014-16-2011承压设备焊接工艺评定和压力容器焊接规程、(JB/T 4730-2005承压设备无损检测和压力容器材料相关检测标准要求。

40、试件材料均为为Q235，为对接焊板结构，板长300mm，宽300mm，厚度不同。平板焊缝为X形坡口和V形坡口。焊缝中预留了气孔、夹渣、裂纹、未焊透和未熔合等人工缺陷。具体试样参数尺寸见下表。14 国家能源局.NB/T4701416-2011.承压设备焊接工艺评定和压力容器焊接规程S.2011年7月-14 国家能源局.NB/T4701416-2011.承压设备焊接工艺评定和压力容器焊接规程S.2011年7月15 国家发展和改革委员会.JB 4730-2005.承压设备无损检测S.2005年7月16 张彦华.焊接结构设计及应用M.北京，化学工业出版社.2009试块编号试块厚度表面状态坡口形式焊板形

41、式JM-HS-1100220热轧表面X型板-板JM-ZH-1020620热轧表面X型板-板JM-HS-1102124热轧表面V型板-板JMHS-1212520热轧表面V型板-板3.1.2试验用检测仪器实验采用汕头市超声仪器研究所有限公司的CTS-602超声相控阵检测仪，显示屏采用6.5英寸的TFT液晶屏，分辨率达640X480;接口共有三种，分别是1个VGA输出接口、1个USB接口和1个网络接口，仪器本身的数据存储器总共可储存300组数据集，如图2-9所示。图2.9 CTS-602超声相控阵检测设备图(1)性能参数检测仪的显示方式主要有常规和相控阵两种模式，常规模式下可进行A扫描，系统带宽为0

42、.515MHz, A/D采样频率最高为240MHz, BNC接口可以同时接两个探头，最大穿透厚度为6000mm(钢纵波)，在范围内可连续调节，最小显示范围可以达到_5 mm;相控阵模式下有线扫、扇扫、C扫和D扫等，系统带宽为110MHz,A/D采样频率最高为40MHz，接口只可以接一个探头，支持16/32/64/128阵元探头，具备自动探头识别功能，活动孔径自动根据探头设定，最高为犯;扫描类型有线扫和扇扫，线扫扫查范围为-45+45，扇扫扫查范围为-80+80，扫描线最大有128条，发射可实现单点聚焦，接收可实现硬件实时动态聚焦，最大范围每扫描线1008焦点，相控阵模式最大穿透厚道为1000m

43、m(钢纵波)。(2)探头参数 实验探头型号采用TL4T8型，由16晶片组成，中心频率为4.0士0.4MHz，阵元间距为0.5mm。(3)楔块参数 实验采用的楔块型号为8A1, 30到70横波斜块，探头尺寸为8 mm X 9 mm,楔块角度36。(4)实验环境在实验中，相控阵的探头采用CSK-A、CSK-A标准试块进行探头校准(探头零点)，探头和工件之间用机油进行耦合，扫描方向与焊缝方向平行。3.2 对接焊缝的检测方法研究对接接头焊缝示意图探头设置参考实际实验中选用的相控阵探头参数，将用于模拟的相控阵探头阵列类型设置为线性，阵列晶片个数为16，中心频率为4MHz，探头与工件接触方式设置为直接接触

44、，以油作为偶合剂，两阵元的中心间距是0.5mm，活动孔径为8 mm，被动孔径为13.9 mm。在探头上装备产生横波的楔块，楔块材料设为有机玻璃，楔块角度为36，楔块具体尺寸如图4-2 所示。传感器采用4MHz 的中心频率，采样频率为40MHz，带宽65%。探头扫描模式设置为扇形扫查，扫描角度设为3070，并以1为一个步进。测量零点本仪器测量的零点，在深度方向是以探头与工件的界面（如果有配备楔块，则以楔块与工件的界面）为零点，在水平方向上，是以探头上的中心刻度线为0点。如 REF _Ref266954364 h * MERGEFORMAT 图 36。探头中心刻度线探头中心刻度线探头中心刻度线探头

45、中心刻度线图 3 SEQ 图 * ARABIC s 1 6 测量零点示意图校正校正包括两个方向：垂直和水平，通常先校正垂直方向，再校正水平方向。操作步骤：（1）将探头放置到标准工件或试块上，确认耦合良好；（2）根据需求设置扫描设置，请参见 REF _Ref266954715 r h * MERGEFORMAT 2.5 REF _Ref266954715 h * MERGEFORMAT 扫描设置；（3）按“测量”主菜单对应键，切换到“测量”主菜单；（4）选中“光标测量1”子菜单，按子菜单调节、键，使选项为“RC1”；（5）选中“光标测量2”子菜单，按子菜单调节、键，使选项为“DC1”；（6）选中

46、“光标1”子菜单，并再按其对应键，切换到“深度”选项；（7）按子菜单调节、键，调节使“DC1”数值显示为标准工件或试块上参考点的深度；（8）选中“垂直零点”子菜单，调节使标准工件或试块上参考点在图像上的位置与“光标1”的深度线一致，此时垂直方向校正完毕；（9）选中“光标1”子菜单，并再按其对应键，切换到“水平”选项；（10）按子菜单调节、键，调节使“RC1”数值显示为标准工件或试块上参考点距离探头中心刻度线的水平距离；（11）选中“水平零点”子菜单，调节使标准工件或试块上参考点在图像上的位置与“光标1”的水平线一致，此时水平方向校正完毕；斜探头扇扫示意图如图放置斜探头，沿焊缝方向作水平扫查，观

47、察仪器液晶屏显示图像，调节增益使图像清晰明显。确定缺陷图像后调节扫描线至缺陷正中，同时调节波门以框住A型扫描波形，冻住屏幕，读出扫查数据，并对有价值图像进行保存，输出。 3.2本章小结按照相关标准制作钢制对接焊缝缺陷试件，熟悉检测仪器的使用方法和重要参数。通过实验选取典型缺陷试块作分析。 制定实验方案，用标准试块对实验仪器进行定标，按设计方案对试块进行扫查。得到相关图谱。为后续分析作准备。4对接焊缝常见缺陷的超声相控阵图谱分析4.1 常见缺陷的识别与图谱对比分析17 李衍焊缝超声检测相控阵参数与缺陷显示的相关性J中国特种设备安全，2009，25(12)：37-4l17 李衍焊缝超声检测相控阵参

48、数与缺陷显示的相关性J中国特种设备安全，2009，25(12)：37-4l18 危荃,邬冠华,吴伟,钟德煌.钛合金厚板焊缝超声相控阵信号和图像的特征与识别.2008.远东无损检测新技术论坛优秀论文选登.2008年第30卷第8期.540-542（1）气孔图为JM-HS-11002 的焊缝中气孔检测结果，钢板尺寸300*300*20mm，X型坡口超声相控阵检测气孔的显示图像形状上近似为圆球状或是椭圆状，图像轮廓边缘比较清晰，气孔中部具有较高亮度。将相控阵探头前后左右移动，气孔的A扫信号波形和相控阵图像变化不明显，圆球状或是椭圆状中部的红色一直存在。焊缝中的气孔与焊材交界处一般具有较光滑的边缘，所以

49、超声波在碰到气孔光滑的边缘时，回波信号还是较强的，所以气孔图像中部的亮度是比较高的，而气孔边缘对声波的反射特性差异不大，边缘各部分反射回波信号没有明显差异，故气孔图像近似构成一个的圆球状或椭球状。对气孔检测的反复实验中，移动相控阵探头，气孔的形状始终比较规则，由于气孔的体积比较小，所以对底面的反射回波传播没有明显影响。此外，由于相控阵能较为直观的显示缺陷的图像，所以减少了人为因素的影响，所以超声相控阵对气孔类型的缺陷定性还是非常准确的，而且超声相控阵方法相比常规超声波提供的信息更加直观、更加丰富，另外在借助左侧A超波形图可进一步验证相控阵的判断。图为JM-HS-11002 的射线检测对比图片（

50、2）裂纹图为JM-HS-11021 的焊缝中裂纹检测结果，钢板尺寸300*300*24mm，V型坡口超声相控阵检测裂纹的显示形状为线条状，大多数情况下有一定的弯曲，并与焊道方向呈一定夹角，图像轮廓边缘较为明显、亮度较高，与底色反差明显，端角反射信号波幅强，声像大，而尖端衍射信号波幅较弱，声像较小。在焊缝中裂纹部位做好标记，用探头扫查发现，整个裂纹图像的颜色呈现先由浅至深、再由深变浅的连续变化。由于超声相控阵直观性，所以对裂纹的定性也是非常准确的。而直观的相控阵裂纹图像与A超波形图相结合判定，为裂纹的定性提供了充分可靠的依据。由于裂纹属于面积型缺陷，回波信号远比气孔强烈，所以在图像中呈现出比较大

51、的示面积，由于裂纹出现位置的不同，有时会伴有底角反射的出现。因为裂纹发生在焊缝根部时底波的反射回波将会影响到检测结果，裂纹的反射回波和底角反射往往难于区分开来，故容易发生漏检。面积型缺陷都有取向性问题，当取向不佳时，普通超声波检测非常容易漏检，而相控阵不存在这个问题，但也有其自身的其局限性，相控阵图像一般得到的都是二维图像，而事实上的缺陷一般都是三维的，所以目前来说相控阵并不能很好的把这些信息呈现出来。图为JM-HS-11021的射线检测对比图片（3）未焊透图为JM-HS-12125 的焊缝中未焊透检测结果，钢板尺寸300*300*20mm，V型坡口超声相控阵检测未焊透的图像形状一般呈现比较平

52、直，有时断断续续的线条状，大多数情况下与焊道方向平行，边缘清晰明显，由于在未焊透的边缘会发生强烈的衍射原因，图像上显示出强烈的回波信号，所以未焊透图像的中部有较高亮度，与底色反差明显。而未焊透边缘对声波的反射特性差异不大，边缘各部分反射回波信号没有明显差异，所以，用不同扫查角度对对缺陷扫查时，A超回波信号相差不大，也未有明显变化。焊缝中未焊透一般出现在比较固定的位置，一般为多层焊层间出现未焊透缺陷。本实验采用的焊板是V型坡口，这是一次波扫查到的。由于超声相控阵直观性，所以对未焊透的定性也是非常准确的。图为JM-HS-12125的射线检测对比图片（4）未熔合图为JM-HS-12125 的焊缝中未

53、熔合检测结果，钢板尺寸300*300*20mm，V型坡口超声相控阵检测未熔合的图像形状一般是扁椭圆状或是条状，并比较平直，轮廓较为清晰，缺陷中部亮度较高。由于未熔合属于平面状缺陷，有长度和明显的自身高度，前后左右移动相控阵探头，A超横向扫查测量缺陷长度的尺寸时，波幅基本保持不变，图像上的圆球形红点始终存在，旋转或环绕扫查时，波高迅速降低。大部分情况下比较平直并与焊道方向平行边缘清晰，而且亮度比较高，与底色反差比较大。未熔合形成后，边缘与材料一般具有较光滑的边缘，这时的形成较强的反射回波信号，故中部亮度较高，而未熔合边缘对声波的反射特性差异不大，边缘各部分反射回波信号没有明显差异，构成一个近似的

54、扁椭球状或条状。在焊缝中出现位置一般都不固定，可发生在焊道层间各个位置，声波反射也比较强烈，因此移动探头时，缺陷处波形变化不大，且焊缝中的未熔合有一定的面积，对底波的传播有一定的影响，因此不同位置的底波有明显变化。从检测结果同样发现，相控阵方法对未熔合缺陷的定性并不是非常准确。一方面，缺陷显示的图像非常直观，由于未熔合的形状、大小和位置不固定，还是需要通过依靠其它手段才可以地判断缺陷的性质。图为JM-HS-12125的射线检测对比图片（5）夹渣图为JM-HS-11002 的焊缝中夹渣检测结果，钢板尺寸300*300*20mm，X型坡口夹渣基本上是体积型缺陷，形状不确定，因此图像没有典型形状，这

55、种缺陷的表面粗糙，界面反射率低，同时还有部分声波透入夹渣层，形成多次反射，轮廓不是很清晰，边缘有一些反射波，但是强度不高，缺陷中部亮度较高，缺陷中部亮度较高，因此辅助A扫波形显示宽度大并带锯齿，回波当量较小，由于是体积型缺陷，理论上可以被任何斜探头检测到。夹渣属于体积性缺陷，有长度和明显的自身高度，前后左右移动相控阵探头，A超横向扫查测量缺陷长度的尺寸时，移动探头时信号明显滚动，相控阵图像上的圆球形红点始终存在，边缘不清晰，而且亮度与底色反差不大。从检测结果同样发现，相控阵方法对夹渣缺陷的定性不是非常准确，一方面，缺陷显示的图像非常直观，由于夹渣的形状、大小和位置的不固定，还是需要通过依靠其它手段才可以地判断缺陷的性质。图为JM-HS-11002的射线检测对比图片5 总结5.1实验总结本文在使用超声相控阵设备对钢制对接焊缝中的典型缺陷进行大量的实验研究，本实验采用的设备为汕头市超声仪器研究所有限公司的CTS-602超声相控阵检测仪，探头型号为TL4T8型，楔块角度为36，在相控阵模式下的扇扫方式，扫查范围设为3070，聚焦深度针对不同厚度试块分别设置为，对试件进行检测，探头与工件之间用机油进行耦合，扫描方向与焊缝方向平行，相控阵的探头采用CSK-A、CSK-A标准试块进行探头校准（探头零点）。（