基于UltraVision仿真技術(shù)的小徑管超聲相控陣檢測(cè)工藝分析

謝利明，張艷飛，王海學(xué)，鄭建軍

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

超聲相控陣技術(shù)作為一種新興無損檢測(cè)技術(shù)，具有多角度掃查、聚焦方式可變，晶片自聚焦及A掃描、B掃描、C掃描和扇掃成像等優(yōu)勢(shì)，可有效檢出焊接接頭中的各種面積型缺陷和體積型缺陷，提升檢測(cè)效率和缺陷檢出率。在無損檢測(cè)中，利用超聲相控陣仿真技術(shù)，可對(duì)探頭楔塊設(shè)計(jì)、檢測(cè)工藝參數(shù)配置、超聲波聲束覆蓋范圍、編碼器設(shè)計(jì)及缺陷的響應(yīng)效果等進(jìn)行模擬仿真，不僅提高效率、節(jié)約成本，還可以優(yōu)化檢測(cè)工藝[1-2]。

本文采用基于UltraVision仿真技術(shù)的超聲相控陣檢測(cè)工藝，對(duì)火電廠典型規(guī)格的小徑管進(jìn)行3D建模，設(shè)置不同檢測(cè)工藝參數(shù)，進(jìn)行聲束覆蓋范圍和缺陷響應(yīng)能力的模擬仿真，對(duì)檢測(cè)工藝的適用性和可靠性進(jìn)行探索。

1 UltraVision仿真軟件介紹

UltraVision仿真軟件是由美國(guó)Zetec公司研發(fā)的一款功能強(qiáng)大、界面直觀的專業(yè)無損檢測(cè)仿真系統(tǒng)，UltraVision軟件具有超聲設(shè)置仿真、機(jī)械設(shè)置仿真、高級(jí)相控陣計(jì)算器、工件及缺陷3D模型創(chuàng)建等功能模塊，可以對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無損檢測(cè)工藝設(shè)置和缺陷響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真：根據(jù)實(shí)際檢測(cè)工藝配置參數(shù)，通過加載帶有缺陷的被檢工件3D模型，追蹤聲束探測(cè)能力，采集反射聲波的信號(hào)，并且對(duì)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 參數(shù)設(shè)置

仿真試驗(yàn)選取火電廠鍋爐51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管對(duì)接焊縫。在軟件工件設(shè)置模塊內(nèi)進(jìn)行工件參數(shù)設(shè)置和三維模型生成。工件及焊縫參數(shù)設(shè)置如下：樣管外徑51 mm，壁厚6 mm，長(zhǎng)度300 mm，材質(zhì)20G，橫波聲速3230 m/s，焊縫坡口V形，坡口角度30°，根部間隙1 mm，焊縫余高1 mm，焊趾高度0.5 mm，熱影響區(qū)寬度2 mm（焊縫兩側(cè)對(duì)稱），小徑管對(duì)接焊縫三維模型見圖1。檢測(cè)面為小徑管外表面，檢測(cè)方向?yàn)檩S向掃查。

圖1 小徑管對(duì)接焊縫三維模型

3 聲束覆蓋范圍仿真試驗(yàn)

根據(jù)DL/T 1718—2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[3]探頭參數(shù)推薦表和被檢焊縫結(jié)構(gòu)，選擇線性陣列探頭，探頭頻率7.5 MHz，主軸晶片數(shù)16，主軸間距0.3 mm，主軸晶片尺寸為0.2 mm；楔塊角度31°，長(zhǎng)度12 mm，高度10 mm，寬度10 mm，第一晶片中心高度1 mm。選擇脈沖激發(fā)方式，發(fā)射和接收波型均為橫波[4]。

影響聲束覆蓋范圍的工藝參數(shù)主要有聲束角度、掃查方式、步進(jìn)偏置等。試驗(yàn)中選用的工藝參數(shù)設(shè)置如下：選擇扇形掃查方式，起始角度35°～45°，終止角度60°～70°，步進(jìn)偏置分別選擇0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。將以上參數(shù)輸入U(xiǎn)ltraVi?sion軟件中進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，聲束覆蓋效果見圖2[5]。

圖2 聲束覆蓋范圍仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，探頭沿小徑管對(duì)接焊縫軸向掃查，當(dāng)探頭距離焊縫中心3 mm（步進(jìn)偏置）時(shí)，起始角度40°，終止角度70°，2次波及3次波可以100%覆蓋焊縫及熱影響區(qū)域，可對(duì)焊縫內(nèi)部所有位置的缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。

4 聚焦聲束分布仿真試驗(yàn)

超聲陣列探頭是由許多壓電晶片按照一定形狀排列組成的，例如線性陣列、矩形陣列和環(huán)形陣列等。各個(gè)晶片可以獨(dú)立進(jìn)行超聲發(fā)射和接收。通過電子信號(hào)控制每個(gè)晶片的激發(fā)順序，使得每個(gè)晶片的發(fā)射信號(hào)相位不同，控制每個(gè)信號(hào)到達(dá)焦點(diǎn)的相位相同，增加焦點(diǎn)處聲場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)適用于檢測(cè)的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦[6]。

超聲相控陣檢測(cè)動(dòng)態(tài)聚焦方式有真實(shí)深度聚焦、半聲程聚焦、投影面聚焦和任意面聚焦4種聚焦類型。真實(shí)深度聚焦即所有聲束聚焦在同一深度，焦點(diǎn)位于檢測(cè)工件內(nèi)同一深度，軟件中設(shè)置的真實(shí)深度就是擬聚焦位置在材料中的真實(shí)深度。半聲程聚焦即所有聲束聚焦在以單聲程為半徑的圓弧上。軟件中設(shè)置的聚焦半徑為焦點(diǎn)距離楔塊前端的半聲程數(shù)值。投影聚焦即所有聲束聚焦在給定的垂直平面。軟件中設(shè)置的初始偏移就是楔塊前端到投影面的水平距離。任意面聚焦即所有聲束聚焦在自定義的一個(gè)任意平面上。初始深度和結(jié)束深度就是用來設(shè)置任意面聚焦中起始和終止聚焦面的深度值[7]。各種類型的聚焦原理見圖3。

同樣以51 mm×6 mm（外徑×壁厚）小徑管為例，對(duì)其進(jìn)行聚焦仿真。工件及探頭、楔塊設(shè)置參數(shù)不變，改變聚焦方式和步進(jìn)偏置距離，分別得到4種仿真結(jié)果。

4.1 真實(shí)深度聚焦

圖3 不同聚焦類型聚焦原理

聚焦方式選擇真實(shí)深度，聚焦深度設(shè)為9 mm，步進(jìn)偏置設(shè)為6 mm。仿真結(jié)果見圖4所示?？梢钥闯?，聲束焦點(diǎn)沿焊縫深度9 mm位置水平移動(dòng)，聲束焦點(diǎn)位于焊縫中部。該工藝適合檢測(cè)位于焊縫中部的缺陷，同時(shí)也可以作為初步掃查工藝。若檢測(cè)位于焊縫表面或者根部的缺陷，可將聚焦深度設(shè)置為12 mm（焊縫表面）或6 mm（焊縫根部）。

圖4 真實(shí)深度9 mm聚焦仿真結(jié)果

4.2 半聲程聚焦

聚焦方式選擇半聲程聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為4.5 mm。仿真結(jié)果見圖5所示?？梢钥闯觯暿裹c(diǎn)沿焊縫根部?jī)蓚?cè)熔合線移動(dòng)。該工藝適合檢測(cè)焊縫根部缺陷。

4.3 投影聚焦

聚焦方式選擇投影聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為6 mm。仿真結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，投影聚焦的聲束焦點(diǎn)位于焊縫中心線，焦點(diǎn)軌跡沿焊縫中心線豎直移動(dòng)。該工藝適合檢測(cè)位于焊縫中心線、與焊縫平行的周向缺陷。

4.4 任意面聚焦

圖5 半聲程聚焦仿真結(jié)果

圖6 投影聚焦仿真結(jié)果

聚焦方式選擇任意面聚焦，步進(jìn)偏置設(shè)置為6 mm，聚焦面深度9 mm，偏移起始6.95 mm、終止3.75 mm。仿真結(jié)果見圖7?？梢钥闯觯我饩劢姑婢劢沟穆暿裹c(diǎn)位于探頭對(duì)側(cè)，焦點(diǎn)軌跡沿坡口面分布。該工藝適宜檢測(cè)焊縫坡口側(cè)的缺陷，如坡口未熔合[8-10]。

圖7 任意聚焦面聚焦仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文利用UltraVision軟件進(jìn)行了超聲相控陣在小徑管對(duì)接焊縫檢測(cè)中的聲束覆蓋范圍和聚焦聲束分布仿真研究。通過仿真試驗(yàn)結(jié)果可以得出，超聲相控陣仿真是一種既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的方法，經(jīng)過聲束覆蓋范圍仿真，可以對(duì)檢測(cè)工藝適用性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化；通過聚焦聲束分布仿真，可以明確聲束焦點(diǎn)在被檢小徑管對(duì)接焊縫內(nèi)的分布情況，從而可以指導(dǎo)檢測(cè)工藝中聚焦方式的選擇，提高缺陷檢測(cè)信噪比。