鋼板在焊接過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)的缺陷會不斷地降低鋼板的機(jī)械強(qiáng)度直至其最終失效，對人民生命財產(chǎn)安全和國家現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展造成了巨大的威脅。

超聲無損檢測技術(shù)因具有穿透性強(qiáng)、指向性好、靈敏度高、對環(huán)境和人體無害，以及適用范圍廣等優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)缺陷檢測領(lǐng)域的熱點方向之一。采用單晶元超聲換能器結(jié)合超聲衍射時差法可以實現(xiàn)對厚鋼板對接焊縫內(nèi)的缺陷檢測，但其掃描成像過程較為復(fù)雜，并且難以準(zhǔn)確定位和評估缺陷。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)計等不足，從而影響焊縫內(nèi)缺陷檢測的分辨率。

多晶元超聲換能器相控陣具有檢測結(jié)果顯示直觀、檢測分辨率高和可聚焦掃描等優(yōu)點，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，為了通過偏轉(zhuǎn)角度實現(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分辨率。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，長江大學(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，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。相關(guān)研究成果以“壓電微型超聲換能器陣列設(shè)計及焊縫檢測應(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

該研究設(shè)計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，其中各陣元的上、下兩面均鍍有一層銀（Ag）薄膜電極，并分別采用信號傳輸線引出，因此既可以實現(xiàn)單個陣元的獨立工作，也可以實現(xiàn)多個陣元的協(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（即增加頻率）的方式。與此相對，為了有效地消除旁瓣帶來的回波混疊現(xiàn)象，通常需要使得陣元間距小于超聲半波長。此外，盡管增加陣元數(shù)目可以使超聲波主瓣變窄，但是過多的陣元數(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)計的復(fù)雜度。因此，綜合考慮各種影響因素，該研究設(shè)計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物圖

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

為進(jìn)一步驗證該研究研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭的檢測性能，研究人員將其應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊的內(nèi)部缺陷檢測。該研究所搭建的測試系統(tǒng)平臺如圖3所示，其中，多通道超聲探傷儀可以實現(xiàn)超聲脈沖信號的激發(fā)與接收。此外，所用標(biāo)準(zhǔn)對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)對接鋼板試塊焊縫內(nèi)，依次分布了3個間距不等的鉆孔。

圖3 檢測標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊的實驗測試系統(tǒng)平臺

圖4 標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊實物及測試安裝圖

圖5為分別采用壓電微型超聲換能器陣列中的八個陣元檢測標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊焊縫內(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，八個陣元在該雙聲程范圍內(nèi)的回波信號均較為雜亂，因此，在后續(xù)檢測焊縫內(nèi)缺陷時，可以將其作為背景信號；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)。雖然對不同深度的鉆孔缺陷的響應(yīng)距離和信號強(qiáng)度略有不同，但3個直徑為1 mm的鉆孔缺陷所對應(yīng)的超聲回波信號均較為顯著，說明該研究設(shè)計研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭檢測分辨率優(yōu)于1 mm。此外，由于八個陣元可獨立或聯(lián)合使用，無需通過復(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、超聲相控陣檢測和超聲衍射時差檢測（TOFD）中具有較高的應(yīng)用潛力。

綜上所述，該研究設(shè)計并制作了一種可應(yīng)用于25 mm及以上厚度對接鋼板焊縫內(nèi)缺陷檢測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。研制的陣列探頭實現(xiàn)了對25 mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊內(nèi)部鉆孔缺陷的準(zhǔn)確識別和檢測，檢測分辨率優(yōu)于1 mm。此外，該陣列探頭中的八個陣元可獨立或聯(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），與不同的超聲檢測系統(tǒng)具有良好的兼容性。此外，通過與最新相控陣檢測或超聲衍射時差檢測方法相結(jié)合，該壓電微型超聲換能器陣列有望進(jìn)一步提高其檢測分辨率。

審核編輯：劉清