超聲相控陣在水下焊接中的應(yīng)用研究

葉建雄，李志剛，程 群

（1. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310053；2. 華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西 南昌330013； 3 江西省樂(lè)平市第一中學(xué)，江西 樂(lè)平333300）

目前，濕法焊接在焊接手段、工藝、焊接材料等方面已有不少成果，實(shí)現(xiàn)了從“能焊”向“焊好”的轉(zhuǎn)變。理論研究方面，Mazzaferro J A 等研究了不同深度的淺水條件下的電弧特性[1]，石永華等利用U-I 相平面圖，進(jìn)一步分析了電弧穩(wěn)定性與水深的關(guān)系，以及不同水深時(shí)工藝參數(shù)組合[2]；高輝、焦向東等采用Abaqus 有限元軟件,對(duì)摩擦螺柱焊的焊接過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，比較了相同工藝參數(shù)分別在有水和干式環(huán)境下的焊接效果[3]；在濕法焊接材料研制方面，Hanover 大學(xué)開(kāi)發(fā)了雙層自保護(hù)藥芯焊條、美國(guó)研制了7018S 和“Black Beauty”，這些焊條的焊接質(zhì)量均滿足美國(guó)船級(jí)社AWS D3.6 的標(biāo)準(zhǔn)，并且英國(guó)的Hydroweld FSTM 焊條在橋梁、船舶的維修中得到了實(shí)際應(yīng)用； 在國(guó)內(nèi)， 哈工大的郭寧等開(kāi)發(fā)了一種藥芯焊絲， 可以在30 m 以內(nèi)的水深完成CCSE36 等級(jí)鋼的焊接，接頭性能也達(dá)到了AWS D3.6 的標(biāo)準(zhǔn)[4]；在焊接方法和工裝方面，魏康、李康等采用冷軋和退火處理工藝制備了異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)的316L 不銹鋼，然后采用GTAW 焊接工藝對(duì)處理后的鋼板實(shí)施單、雙面焊接成型，處理后的316L 不銹鋼內(nèi)部形成明顯的超細(xì)晶層狀組織結(jié)構(gòu)，大幅提高了母材的抗拉強(qiáng)度[5]。但在濕法焊接自動(dòng)化領(lǐng)域，目前遇到的最大問(wèn)題是沒(méi)有合適的傳感器可用。眾所周知，在陸地焊接中最常用的傳感器是CCD 圖像傳感器和旋轉(zhuǎn)電弧傳感器[6-7]，為了在濕法焊接中使用CCD 傳感器，必須將它們封裝在一個(gè)透明的防水盒子中，且一般需要增加輔助光源以增強(qiáng)照明；除此之外，所采集的圖像還經(jīng)常受到弧光、汽泡和水中懸浮物的影響，難以采集到理想的焊縫圖像；而旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在水下焊接中的應(yīng)用，主要集中于淺水以及電弧與水壓的關(guān)系特性等方面，已有研究表明，電弧長(zhǎng)度及穩(wěn)定性受水壓的影響很大，水壓越大電弧越短、電弧穩(wěn)定性越差，水壓過(guò)大時(shí)會(huì)使電弧熄滅；因而要將此傳感器應(yīng)用于水下濕法焊接中，不但要解決電機(jī)在水下可靠安全工作的問(wèn)題，而且要考慮如何減少水壓對(duì)焊接電弧所帶來(lái)的不利影響。

濕法焊接自動(dòng)化要求性能良好的傳感器，這促使人們開(kāi)展水下傳感特性的研究工作。 前期研究成果表明，單體超聲波傳感器可以直接應(yīng)用于水下，且對(duì)弧光、汽泡不敏感，利用相關(guān)系數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)水下高精度測(cè)距，從而得到傳感器與工件之間的距離，進(jìn)而利用幾何關(guān)系確定焊縫的準(zhǔn)確位置[8-9]，但這種方法存在需要在水平方向移動(dòng)傳感器、檢測(cè)效率低等不足之處。 為此，在研究中引入了PA，它包含數(shù)十乃至上百個(gè)小陣元，在外形上常見(jiàn)的有直線型、圓形或其他特殊類型。 所有的小陣元都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，因而利用它進(jìn)行焊縫形貌的檢測(cè)，具有檢測(cè)靈活方便和高效的優(yōu)點(diǎn)。

論文首先介紹相控陣傳感器的基本工作原理，然后在此基礎(chǔ)上確定所用PA 的物理參數(shù)，包括PA 的形狀，陣元數(shù)量及陣元間隔大?。蛔詈蠼o出PA 工作時(shí)所需的多種電路，包括高精度時(shí)鐘生成、聲波發(fā)送和接收，以及帶通濾波等電路。

1 PA 的物理參數(shù)設(shè)計(jì)

PA 是由眾多排成不同形狀的小陣元構(gòu)成的，各陣元發(fā)出聲波并在水中形成干涉，為了保證聲波能夠在工件表面聚焦，這些由不同陣元發(fā)出的聲波必須滿足惠更斯原理，即各聲波具有相同的頻率和穩(wěn)定的相差，合成波的幅值在相角差為π (180°)的偶數(shù)倍時(shí)最大，為π 的奇數(shù)倍時(shí)最小，相角差為其他值時(shí)，幅值則介于最大與最小值之間，且幅值和相角差滿足一定的函數(shù)關(guān)系。 在圖1（a）所示的濕法焊接環(huán)境中，PA 置于工件正上方約30 cm 處，相同頻率的聲波依次從選定的若干陣元發(fā)出，就可以實(shí)現(xiàn)在不同的空間點(diǎn)聚焦，但如何快速地聚焦于工件表面上的不同位置，屬于場(chǎng)掃規(guī)劃的內(nèi)容，在此不再展開(kāi)。 本論文將從理論上分析PA 聚焦于特定點(diǎn)的工作原理，進(jìn)而分析PA 的結(jié)構(gòu)參數(shù)與定位精度的關(guān)系。

圖1 PA 在水下濕法焊接中的應(yīng)用Fig.1 Ultrasonic PA working method in underwater wet welding

與通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行各點(diǎn)測(cè)距的單管傳感器相比，PA 的效率顯著提高。 PA 的大小、陣元的數(shù)量及陣元的排列形式、間距對(duì)聚焦的效果都有很大影響，對(duì)于圖1（b），當(dāng)聲波的焦點(diǎn)在圖中P 點(diǎn)時(shí)，為了使O1和O2點(diǎn)處的陣元所發(fā)聲波能同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，發(fā)出聲波的時(shí)間差可以由余弦定理求得

式中：r1，r2分別為二陣元O1，O2到焦點(diǎn)P 的距離；d 為相鄰陣元的間距；θ 為陣元、焦點(diǎn)連線與豎直垂線的夾角，因而由上式可得時(shí)間差如下

式中：Δs 為r1和r2的差；C 為聲波在水中的傳播速度；d 為二點(diǎn)間的陣元間隔數(shù)量。

根據(jù)式（2）確定各陣元所發(fā)出聲波的時(shí)間差，同時(shí)借助軟件ArrayCalcis 可以進(jìn)行聲波干涉效果的仿真，這是一款可以進(jìn)行立體干涉效果仿真的軟件，設(shè)置好PA 的形狀和陣元參數(shù)后，其可以算出在空間各點(diǎn)波的合成效果并用三維圖形進(jìn)行表示，從而為PA 的選擇和工作參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)，圖2 給出了有8 個(gè)陣元的線性PA 在主瓣偏轉(zhuǎn)角度為10°時(shí)的2D 和3D 干涉效果。

與圓形、面型相控陣相比，線性PA 更易于在工件表面獲得直線型的焦點(diǎn)。 利用ArrayCalcis 分析不同陣元參數(shù)的線性PA 聚焦效果，通過(guò)計(jì)算焦點(diǎn)至各陣元的距離及角度，可以獲得直觀的干涉效果。 圖3 給出了陣元本體寬度為b=2 mm，陣元間距d=3 mm 時(shí)，陣元個(gè)數(shù)分別為8 和16 時(shí)，各陣元依次相隔0.2 μs 發(fā)出聲波時(shí)的干涉效果，其中暖色調(diào)比冷色調(diào)所代表的能量高，深色比淺色所代表的能量高。

圖2 PA 聲波的聚焦與偏轉(zhuǎn)Fig.2 PA focusing and flection results

圖3 聚焦精度與陣元數(shù)量的關(guān)系仿真Fig.3 Relationship between number of PA units and focusing precision

表1 給出了更多參數(shù)時(shí)的仿真結(jié)果，從結(jié)果可以看出，陣元數(shù)量越多，聚焦精度越高，同時(shí)主瓣能量比重也越高，但陣元數(shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致通道數(shù)量的增加和控制電路、驅(qū)動(dòng)電路的增加，使整體電路復(fù)雜度增加。

表1 不同陣元時(shí)的聚焦精度Tab.1 Focusing accuracy under various units number

聚焦精度除了與以上參數(shù)相關(guān)外，還與時(shí)鐘分辨率密切相關(guān)。 聲波的不同時(shí)延影響各聲波干涉時(shí)的相位，并形成聲波的偏轉(zhuǎn)。Erhard A 等分析了時(shí)鐘的量化誤差與旁瓣離散化之間的關(guān)系，旁瓣的能量與主瓣能量的比例可用下式表示[10]式中：N 表示陣元個(gè)數(shù)；μ 表示脈沖周期相對(duì)于最小時(shí)鐘量化誤差的比值。S 越小表示能量越集中、聚焦精度對(duì)于確定的N，通過(guò)增加μ 值可以獲得理想的S 值，但μ 的增加是以硬件開(kāi)銷為代價(jià)的，也就是說(shuō)，時(shí)鐘分辨率越高，聚焦效果越好，但對(duì)硬件的要求也會(huì)越高。 因而需要在性能需求和硬件成本二者之間確定一個(gè)平衡點(diǎn)。

針對(duì)水下焊接的實(shí)際，水中聲速約為1 340 m/s，PA 一般在工件上方40 cm 左右，焦距不會(huì)超過(guò)50 cm，因而可確定所用PA 的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 PA 的工作參數(shù)Tab.2 Working parameters of PA

2 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電路從功能上劃分為控制電路、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生及放大電路、帶寬濾波器、聲波發(fā)送和接收放大電路等部分，此外，為了靈活準(zhǔn)確地控制焦點(diǎn)的變化，還設(shè)計(jì)了高精度時(shí)鐘發(fā)生器，以精確控制各陣元所發(fā)出聲波的時(shí)間差。 具體如圖4 所示，其中，控制電路包括16 路獨(dú)立的通道，每個(gè)通道均由與門電路74HCT11 控制，僅當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)Start signal、時(shí)鐘輸出信號(hào)Out 均為高電平時(shí)，相應(yīng)通道的激勵(lì)信號(hào)Excitation 才能通過(guò)與門電路送往后面的陣元放大及激勵(lì)電路，驅(qū)動(dòng)陣元發(fā)出所需的聲波。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of control circuit

根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的掃描路徑，計(jì)算出各陣元間的時(shí)間差，并將這些值存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，工作時(shí)按一定的步序依次將這些值送往CPLD（complex programmable logic device）；高精確度時(shí)鐘信號(hào)由CPLD 器件EPM1270144C5 實(shí)現(xiàn)，它集成有1 270 個(gè)邏輯單元、近千個(gè)宏單元及8 KB flash 單元，各通道的觸發(fā)過(guò)程如下：

* EPM1270144C5 每次接收一組由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口送來(lái)的時(shí)間序列值，并依次存儲(chǔ)在長(zhǎng)度為8 bit 的16個(gè)寄存器中，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)一個(gè)陣元。

* CPLD 完成時(shí)序信號(hào)的接收后，啟動(dòng)其內(nèi)部的高速硬件累加器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并將累加值與各通道的時(shí)間序列值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，在匹配的瞬間將對(duì)應(yīng)的信號(hào)從OUT 口送出，從而確保時(shí)序的準(zhǔn)確性。

* 利用高速三輸入與門電路74HCT11，確保只有當(dāng)激勵(lì)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和啟動(dòng)信號(hào)均為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的陣元才能被激勵(lì)并發(fā)出聲波。

PA 工作中，位于工件上方約30 cm，由式（2）可知，所需的最小延時(shí)為26.97 ns，最大延時(shí)約為1 799.69 ns，將EPM1270144C5 的工作頻率確定為100 MHz 時(shí)，8 位的累加器可以實(shí)現(xiàn)的最小時(shí)延和最大時(shí)延分別為10 ns 和2 550 ns，完全滿足上述的使用要求。但需要注意的是，各通道的初始時(shí)刻、以及各陣元所發(fā)聲波的頻率和初相位必須相同，為滿足這些要求，由CPLD 發(fā)出的起始信號(hào)同時(shí)送往各通道的門器件，并且時(shí)序輸出越高，信號(hào)所用的時(shí)鐘比較器為同一累加器，由于CPLD 芯片內(nèi)各通道所具有的時(shí)延特性是相同的，因而可以認(rèn)為各通道的起始時(shí)刻是完全相同的。

圖5（a）所示為聲波發(fā)射電路，激勵(lì)信號(hào)被高頻變壓器EE1302 放大，最高電壓可達(dá)130 V；圖5（b）是聲波接收電路，回波被陣元接收后，首先利用高頻三極管NPN9013 放大，然后通過(guò)由M33078 構(gòu)成的有源帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)最后由高速信號(hào)采集卡PCI4712 所采樣。

圖5 聲波發(fā)送和接收電路Fig.5 Sound wave emitting and receiving circuit

3 結(jié)論

PA 可以方便地實(shí)現(xiàn)聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦，影響其精度的因素主要有陣元數(shù)量、陣元間隔大小以及時(shí)鐘精度，通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

1） 聚焦精度受PA 的物理參數(shù)影響，陣元數(shù)量越多，聚焦精度越高，但相應(yīng)的硬件電路越復(fù)雜。 同時(shí)，PA 使用的環(huán)境對(duì)電路參數(shù)的選擇也有影響，電路要能完成最小及最大延時(shí)時(shí)間的精確計(jì)量。

2） 干涉波的相位差由激勵(lì)波的延時(shí)決定，而延時(shí)的準(zhǔn)確性與時(shí)鐘精度密切相關(guān)，即聚焦精度也取決于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘精度越高，聚集精度也越高。

3） 工作頻率的增加可以提高時(shí)鐘精度，通過(guò)CPLD 而不是選用微處理器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，可以顯著提高工作頻率。

在水下濕法焊接中，利用PA 進(jìn)行焊縫信息檢測(cè)，相比于單管超聲波傳感器具有靈活、高效的特點(diǎn)，但水下焊接環(huán)境惡劣，信號(hào)受到的干擾大，如何實(shí)現(xiàn)PA 信號(hào)的高速、有效處理，需要進(jìn)一步的深入研究。