超聲相控陣檢測用試塊全解析

超聲相控陣技術(shù)起源于醫(yī)學(xué)超聲，至今已有40多年的發(fā)展歷史。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷革新，超聲相控陣技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。特別是近年來，得益于數(shù)字電子和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的推陳出新，超聲相控陣技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展尤為迅速。

正如常規(guī)超聲檢測需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測也需要各種類型的試塊，其主要包括標(biāo)準(zhǔn)試塊(校準(zhǔn)試塊)、對比試塊(參考試塊)和模擬試塊(演示試塊)等。

ISO 標(biāo)準(zhǔn)試塊

ISO 2400: 2012《無損檢測 超聲檢測 1號校準(zhǔn)試塊》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲檢測1號校準(zhǔn)試塊(國際焊接學(xué)會IIW試塊)。

圖1：超聲檢測1號校準(zhǔn)試塊尺寸

ISO 19675: 2017《無損檢測 超聲檢測 相控陣(PAUT)校準(zhǔn)試塊》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲相控陣檢測(PAUT)校準(zhǔn)試塊。

圖2：超聲相控陣檢測校準(zhǔn)試塊尺寸

超聲相控陣檢測校準(zhǔn)試塊與超聲檢測1號校準(zhǔn)試塊的應(yīng)用對比

功 能	1號校準(zhǔn)試塊	相控陣檢測校準(zhǔn)試塊
探頭入射點(斜探頭)	100mm半徑的中心	100mm半徑的中心
聲束角度(斜探頭)	使用直徑50mm或直徑3mm的孔，入射點對準(zhǔn)刻度	使用3mm橫孔，入射點對準(zhǔn)最接近的刻度
聲束偏離角	角反射最高峰時探頭外殼與試塊對應(yīng)的角度	使用量角器和直邊，取角反射最高峰時探頭
時基線線性	多次25mm的間隔時間標(biāo)線	多次25mm的間隔時間標(biāo)線
時基線的校準(zhǔn)	范圍-延遲調(diào)整，91mm的縱波相對于50mm的橫波	范圍-延遲調(diào)整，91mm的縱波相對于50mm的橫波
衰減器線性	調(diào)整3mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB	調(diào)整1.6mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB
屏高線性	維持兩信號的比率，增加分貝值使較大信號以10％步幅增加	維持兩信號的比率，增加分貝值使較大信號以10％步幅增加
脈沖持續(xù)時間	后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號脈沖持續(xù)時間	后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號脈沖持續(xù)時間
主頻率測量	轉(zhuǎn)換為時基線，使用來自半徑或厚度的信號，1μs的周期計數(shù)	轉(zhuǎn)換為時基線，使用來自半徑或厚度的信號，1μs的周期計數(shù)
信噪比	設(shè)定3mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度	設(shè)定1.6mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度

超聲相控陣檢測校準(zhǔn)試塊的附加功能

楔塊延遲－可以通過固定深度或固定距離決定，例如100mm的半徑

柵瓣評估－通過橫孔最淺深度偏軸響應(yīng)與相同橫孔主軸的波幅比較來評估潛在的柵瓣

激活晶片評估－當(dāng)探頭放在楔塊或校準(zhǔn)試塊上，晶片設(shè)置為步進(jìn)為1的E掃查，未激活晶片會在B掃或未修正的S掃查顯示無振鈴

E掃查的靈敏度同等化－使用橫孔設(shè)定E掃同等靈敏度

S掃查的靈敏度同等化(ACG) －使用50mm或100mm 半徑設(shè)定S掃查同等靈敏度

布局檢查－S掃查中排成一線的3mm橫孔位置可以提供一個位置輸出精度和延遲法則產(chǎn)生的指示

晶片配置－單個晶片步進(jìn)式E掃查會在傾斜表面有反射。帶有折射的楔塊提供斜面。對0度線性陣列(無楔塊)，傾斜面是必須的，監(jiān)測單調(diào)增加的后壁回波到達(dá)時間

各向異性評估－相對超聲系統(tǒng)使用橫波和壓縮縱波的聲速測量評估試塊

ISO 參考試塊

ISO 13588: 2012《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動相控陣技術(shù)的應(yīng)用》中規(guī)定了不同的檢驗等級使用不同的參考試塊。檢測等級A級、B級和C級分別對應(yīng)使用參考試塊A、參考試塊B和參考試塊C。

參考試塊的作用包括檢測范圍和靈敏度(TCG)設(shè)置、程序的演示及有效性評定。對于板厚介于6~25mm之間的試塊，至少需要3個反射體。對于板厚大于25mm的試塊，至少需要5個反射體。典型的反射體包括橫通孔、刻槽和平底孔。

參考試塊A

有3個不同長度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫通孔。

圖3：參考試塊A結(jié)構(gòu)示意

參考試塊B

① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫孔；

② 表面槽；

③ 表面下4mm有一個直徑2mm長度30mm的橫孔。

圖4：參考試塊B結(jié)構(gòu)示意

參考試塊C

① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫孔；

② 表面槽：2個近表面槽(槽1和槽2)，2個遠(yuǎn)表面槽(槽3和槽4)，模擬焊縫坡口成像的槽5，如果規(guī)范有要求，還應(yīng)有槽6和槽7兩個表面橫向槽；

③ 表面下4mm有一個直徑2mm長度30mm的橫孔。

圖5：參考試塊C結(jié)構(gòu)示意

檢測等級D級除了B級和C級試塊的要求外，還要求增加反射體。同時要求使用同等母材、按照同樣焊接布局、焊接材料和焊接方法制作特定的試塊。

GB/T 32563中試塊

GB/T 32563《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》中包括兩類試塊：校準(zhǔn)試塊和模擬試塊。

校準(zhǔn)試塊

(CSK-IA、CSK-IIA、CSK-IIIA或功能類似試塊)用于聲速、楔塊延時、ACG、TCG的校準(zhǔn)，也可用于靈敏度校準(zhǔn)。當(dāng)用于靈敏度校準(zhǔn)時，推薦采用CSK-IIA試塊。

模擬試塊

用于檢測靈敏度校準(zhǔn)，驗證檢測工藝的有效性。模擬試塊應(yīng)與實際工件相近和相似，在檢測區(qū)域設(shè)置直徑2mm、長度40mm的橫孔以及其他機械加工的模擬缺欠和焊接自然缺欠。

在附件B中，該標(biāo)準(zhǔn)給出了用于定位精度測試的試塊。

ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第五卷中試塊

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第五卷：無損檢測》中的第四章主要講焊縫超聲檢測方法。其中提到兩類試塊：校準(zhǔn)試塊和模擬演示試塊。

校準(zhǔn)試塊

相當(dāng)于前文所提到的參考試塊，主要用于設(shè)備線性、檢測范圍和靈敏度設(shè)置和驗證。

演示試塊

在規(guī)范第五卷第四章強制性附錄Ⅸ中詳細(xì)規(guī)定了演示試塊的制作要求。包括材質(zhì)、厚度范圍、焊接接頭形式以及反射體種類、數(shù)量和尺寸的要求，并要求根據(jù)編制的超聲檢測程序要求對缺欠進(jìn)行分類和定量。

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2235)和《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2816)闡述了使用超聲檢測代替射線檢測時的要求，其中規(guī)范案例2816適用于13mm＞厚度≥6mm焊縫檢測，規(guī)范案例2235適用于厚度≥13mm的焊縫檢測。演示試塊應(yīng)該通過熱等靜壓方式處理和焊接。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同，規(guī)范案例關(guān)注缺欠的高度以及缺欠高度與板厚的比值，并由此比值確定相應(yīng)的可接受缺欠長度。規(guī)范案例并未指定反射體的類型，只是對缺欠尺寸有要求。規(guī)范案例沒有給出具體的定量方法，要求在檢測程序中做出規(guī)定，并按照此規(guī)定演示定量方法。用演示試板演示時，需要證實檢測覆蓋包括了整個焊縫體積和熱影響區(qū)或案例中指定的寬度范圍，另一目的是為了驗證檢測靈敏度和缺欠的發(fā)現(xiàn)和定量。

規(guī)范案例2816

演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內(nèi)外表面各一個，一個內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉(zhuǎn)，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。對于介于6~13mm的板厚，可以用線性插值法計算缺欠尺寸。

規(guī)范案例2235

演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內(nèi)外表面各一個，一個內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉(zhuǎn)，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。該案例按照不同壁厚范圍(13~25mm，25~300mm以及大于300mm)，給出了不同的演示試塊缺欠尺寸要求：

ASTM 校準(zhǔn)試塊

ASTM E 2491-2013《評估相控陣超聲波檢驗儀器和系統(tǒng)性能特性的標(biāo)準(zhǔn)指南》并未給出設(shè)備和系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，只是提供了評估的方法建議，具體性能要求由參與方共同決定。在附錄中列舉了一些性能的測試方法。

相控陣波束輪廓

第一塊試塊用橫孔測試相控陣探頭主動軸方向的波束輪廓，第二塊試塊使用階梯狀試塊上的豎孔并用編碼器監(jiān)測行走距離來測試被動軸方向的波束輪廓。

圖6：相控陣波束輪廓評估示意

相控陣波束偏轉(zhuǎn)能力評估

波束偏轉(zhuǎn)能力評估包括兩方面的評估：固定聲程波束偏轉(zhuǎn)能力評估和單平面波束偏轉(zhuǎn)能力評估。固定聲程波束偏轉(zhuǎn)能力評估選用如下圖(a)所示的試塊，單平面波束偏轉(zhuǎn)能力評估選用如下圖(b)所示的試塊。

圖7：相控陣波束偏轉(zhuǎn)能力評估

相控陣晶片活性評估

使用來自ⅡW試塊的25mm反射評估晶片活性。

相控陣聚焦能力評估

使用圖6(a)所示的試塊評估聚焦算法的有效性，以確定工作有效范圍。

相控陣參數(shù)的計算機控制和數(shù)據(jù)顯示評估

使用圖7(a)所示的試塊，設(shè)置兩組聚焦法則，比較實際深度和角度的差別。

相控陣楔塊衰減和延遲補償

使用ⅡW試塊100mm圓弧面補償楔塊延遲。使用ⅡW試塊100mm圓弧面或者?3mm橫孔進(jìn)行楔塊衰減補償。

相控陣設(shè)備線性評估

使用下圖所示的相控陣設(shè)備線性試塊評估屏高線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評估波幅控制線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評估時基線性。

圖8：相控陣設(shè)備線性試塊

超聲相控陣檢測試塊作為檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性有很大影響。

試塊制作應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求，應(yīng)明確試塊上反射體的具體意義和使用方式。

只有依托這些試塊，正確使用這些試塊，并進(jìn)行合理的相控陣檢測設(shè)置，保證相控陣檢測的有效實施，才能得到可靠的檢測結(jié)果。

本文作者：丁兵，上海船舶工藝研究所高級工程師，主要從事無損檢測科研、培訓(xùn)和工程檢測工作。

節(jié)選自《無損檢測》2017年第39卷第8期

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