鋼板在焊接過(guò)程中由于受到工作環(huán)境、焊接工況及焊接技術(shù)員的工藝水平等因素的影響，在熔合區(qū)和焊縫區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生一些裂紋、氣孔、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷。這些焊縫內(nèi)的缺陷會(huì)不斷地降低鋼板的機(jī)械強(qiáng)度直至其最終失效，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展造成了巨大的威脅。

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因具有穿透性強(qiáng)、指向性好、靈敏度高、對(duì)環(huán)境和人體無(wú)害，以及適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)缺陷檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一。采用單晶元超聲換能器結(jié)合超聲衍射時(shí)差法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚鋼板對(duì)接焊縫內(nèi)的缺陷檢測(cè)，但其掃描成像過(guò)程較為復(fù)雜，并且難以準(zhǔn)確定位和評(píng)估缺陷。此外，常規(guī)的單晶元超聲換能器存在壓電晶片尺寸大、頻帶窄及缺乏陣列化設(shè)計(jì)等不足，從而影響焊縫內(nèi)缺陷檢測(cè)的分辨率。

多晶元超聲換能器相控陣具有檢測(cè)結(jié)果顯示直觀、檢測(cè)分辨率高和可聚焦掃描等優(yōu)點(diǎn)，但其相控陣探頭一般尺寸較大、成本較高，而且必須與復(fù)雜的多通道發(fā)射/接收電路模塊集成使用。此外，為了通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)深度區(qū)域掃描，這種多晶元超聲換能器相控陣通常需要將壓電晶片水平并排，因此在一定程度上犧牲了其橫向檢測(cè)分辨率。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，為了解決上述問(wèn)題，長(zhǎng)江大學(xué)和重慶大學(xué)的研究人員合作研制了一種可用于20 mm以上中厚度鋼板焊縫內(nèi)缺陷檢測(cè)的多通道壓電微型超聲換能器陣列，其兼顧常規(guī)的單晶元超聲換能器探頭和多晶元超聲換能器相控陣探頭的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有體型小、帶寬大、分辨率高和掃描模式應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。相關(guān)研究成果以“壓電微型超聲換能器陣列設(shè)計(jì)及焊縫檢測(cè)應(yīng)用”為題發(fā)表在《壓電與聲光》期刊上。

壓電微型超聲換能器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的壓電微型超聲換能器陣列的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了提高其橫向檢測(cè)分辨率并區(qū)別于常規(guī)相控陣線陣結(jié)構(gòu)，該陣列的微型壓電晶片線陣按照水平方向進(jìn)行排列設(shè)計(jì)，其中各陣元的上、下兩面均鍍有一層銀（Ag）薄膜電極，并分別采用信號(hào)傳輸線引出，因此既可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)陣元的獨(dú)立工作，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)陣元的協(xié)同工作。

圖1 壓電微型超聲換能器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

為了增強(qiáng)壓電微型超聲換能器線陣的指向性，一般可以采用增加陣元數(shù)目、適當(dāng)增加陣元間距或減小超聲波波長(zhǎng)（即增加頻率）的方式。與此相對(duì)，為了有效地消除旁瓣帶來(lái)的回波混疊現(xiàn)象，通常需要使得陣元間距小于超聲半波長(zhǎng)。此外，盡管增加陣元數(shù)目可以使超聲波主瓣變窄，但是過(guò)多的陣元數(shù)目將增加制造成本，增大探頭體型，并且提高布線難度和后端處理電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此，綜合考慮各種影響因素，該研究設(shè)計(jì)的壓電微型超聲換能器陣列的壓電晶片厚度為760 μm，壓電晶片寬度為500 μm，陣元間距為1.0 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，陣元數(shù)目為八。

圖2 八通道壓電微型超聲換能器陣列探頭實(shí)物圖

壓電微型超聲換能器陣列在鋼板對(duì)接焊縫內(nèi)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證該研究研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭的檢測(cè)性能，研究人員將其應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊的內(nèi)部缺陷檢測(cè)。該研究所搭建的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)如圖3所示，其中，多通道超聲探傷儀可以實(shí)現(xiàn)超聲脈沖信號(hào)的激發(fā)與接收。此外，所用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊的厚度為25 mm，其內(nèi)部缺陷為直徑為1 mm、深度為2.5 cm的直線鉆孔。在該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊焊縫內(nèi)，依次分布了3個(gè)間距不等的鉆孔。

圖3 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊實(shí)物及測(cè)試安裝圖

圖5為分別采用壓電微型超聲換能器陣列中的八個(gè)陣元檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊焊縫內(nèi)缺陷得到的原始波形數(shù)據(jù)。其中，在雙聲程為0 ~ 80 mm范圍內(nèi)的響應(yīng)信號(hào)包含陣列探頭與試塊接觸面、試塊底面及試塊側(cè)面的反射回波。

圖5 超聲陣列探頭測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試塊的回波采集數(shù)據(jù)

從圖5中可以看出，八個(gè)陣元在該雙聲程范圍內(nèi)的回波信號(hào)均較為雜亂，因此，在后續(xù)檢測(cè)焊縫內(nèi)缺陷時(shí)，可以將其作為背景信號(hào)；而在雙聲程為80 ~ 200 mm范圍內(nèi)主要為超聲脈沖遇到焊縫內(nèi)缺陷后反射的回波數(shù)據(jù)。雖然對(duì)不同深度的鉆孔缺陷的響應(yīng)距離和信號(hào)強(qiáng)度略有不同，但3個(gè)直徑為1 mm的鉆孔缺陷所對(duì)應(yīng)的超聲回波信號(hào)均較為顯著，說(shuō)明該研究設(shè)計(jì)研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭檢測(cè)分辨率優(yōu)于1 mm。此外，由于八個(gè)陣元可獨(dú)立或聯(lián)合使用，無(wú)需通過(guò)復(fù)雜的多通道發(fā)射/接收電路模塊及程序控制即可工作，因此該研究所研制的壓電微型超聲換能器陣列在超聲回波檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)和超聲衍射時(shí)差檢測(cè)（TOFD）中具有較高的應(yīng)用潛力。

綜上所述，該研究設(shè)計(jì)并制作了一種可應(yīng)用于25 mm及以上厚度對(duì)接鋼板焊縫內(nèi)缺陷檢測(cè)的八通道壓電微型超聲換能器陣列探頭。該陣列探頭結(jié)合多通道連接器可根據(jù)檢測(cè)需求按照單陣元、多陣元及陣列的工作方式靈活應(yīng)用。研制的陣列探頭實(shí)現(xiàn)了對(duì)25 mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊內(nèi)部鉆孔缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別和檢測(cè)，檢測(cè)分辨率優(yōu)于1 mm。此外，該陣列探頭中的八個(gè)陣元可獨(dú)立或聯(lián)合工作，可以靈活應(yīng)用于不同掃描工作模式（A、B、C、S和P掃描等），與不同的超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的兼容性。此外，通過(guò)與最新相控陣檢測(cè)或超聲衍射時(shí)差檢測(cè)方法相結(jié)合，該壓電微型超聲換能器陣列有望進(jìn)一步提高其檢測(cè)分辨率。

審核編輯：劉清