1、焊縫超聲相控陣S掃描識(shí)圖原理

焊縫常規(guī)超聲檢測(cè)是用固定的折射角-45°、60°和70°進(jìn)行的，而相控陣超聲檢測(cè)則在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行聲束掃查。

通常，相控線陣斜探頭（橫波）檢測(cè)的聲束掃查范圍為35°～75°。

圖1表示相控陣超聲探頭聲束掃查焊縫的截面圖。

當(dāng)用直射法（即一次波或0.5S波）檢測(cè)時(shí)，焊縫僅下半部被聲束掃查到；但用底面一次反射法（即二次波或1.0S波）檢測(cè)時(shí)，聲束就能全部覆蓋整個(gè)焊縫截面。

比如，圖示焊縫中的缺陷a，能被二次波檢出，顯示為鏡像a-。

在相控陣超聲波探傷儀顯示屏上，使用2.5倍的厚度范圍，整個(gè)焊縫體積就能顯示在單一圖像中。

2.典型焊接缺陷的相控陣S-掃描圖譜

以下對(duì)兩種典型焊接接頭型式（V型坡口單面焊和T型接頭組合焊）展示了9張典型焊接缺陷的相控陣S-掃描圖例。

單面焊接缺陷有：焊趾裂紋，近底面坡口未熔合，近表面未熔合，密集氣孔；

T型接頭組合焊缺陷有：根部未焊透，翼板側(cè)未熔合，焊道下裂紋，焊趾裂紋。

為便于圖像解釋和評(píng)定，這里通過專用軟件，特意添加了相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截面圖，繪出了焊接結(jié)構(gòu)和線陣相控探頭（包括線陣斜探頭或線陣直探頭）的布置。

S掃描圖加探測(cè)布置圖就是焊縫相控陣超聲檢測(cè)的讀譜“焦點(diǎn)”。

注意，探測(cè)布置圖中含有超聲波在被檢焊縫中的聲束傳播路徑（聲路），特別是用一次反射波（即二次波）檢測(cè)時(shí)，二次波的S掃描圖像是用一次波在二倍板厚中的延伸圖像表示的，凡用二次波檢測(cè)到的缺陷或焊縫輪廓均用“鏡像”表示。

2.1  焊趾裂紋  

圖2表示用線陣相控超聲斜探頭探測(cè)V型坡口單面焊縫時(shí)，由探頭聲束S-掃查掃到的焊趾裂紋所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截面圖。

因焊趾裂紋位于探測(cè)面一側(cè)，該缺陷是是用超聲二次波（或1.0 S波）探到的。

圖中顯示了被檢焊縫和缺陷的鏡像。

裂紋高度是根據(jù)裂紋端角回波與裂紋尖端的衍射信號(hào)之間的傳播時(shí)間差所對(duì)應(yīng)的深度距離測(cè)出的。

裂紋的相控陣測(cè)高指示值為3.6mm，實(shí)測(cè)值為3.8mm，測(cè)量誤差－0.2mm。

應(yīng)仔細(xì)觀察焊趾裂紋兩信號(hào)的鏡像特征：即端角反射信號(hào)波幅甚強(qiáng)，聲像較大，而尖端衍射信號(hào)波幅較弱，聲像較小。

為準(zhǔn)確測(cè)出該表面開口裂紋的自身高度，要特別注意水平光標(biāo)線通過該裂紋尖端衍射聲像中的交點(diǎn)位置（垂直光標(biāo)線為該裂紋在板厚方向的高度延伸線）。

2.2 近底面坡口未熔合  

圖3是靠近被檢焊縫內(nèi)表面的坡口未熔合的相控陣超聲一次波S-掃描圖像，及相應(yīng)的探測(cè)布置截面圖。

該未熔合離內(nèi)表面深度距離為1.5mm。

圖3（左）表示相控陣扇形聲束檢測(cè)原理和V型坡口單面焊焊縫根部的陰影效應(yīng)。

圖3（右）則表示S掃描外加D掃描(探頭沿焊縫軸線方向移動(dòng)或稱非平行掃查)動(dòng)作，能給出未熔合的“三度”尺寸：即長(zhǎng)度、高度和離內(nèi)表面的深度。

注意，線陣相控超聲斜探頭在圖示一側(cè)探測(cè)時(shí)，焊縫根部信號(hào)（或稱幾何信號(hào)）有可能被該未熔合缺陷信號(hào)所掩蓋。

若探頭置于焊縫另一側(cè)，則缺陷信號(hào)和幾何信號(hào)兩者圖像均可見。

2.3 近表面坡口未熔合  

圖4是靠近被檢焊縫上表面的坡口未熔合用超聲二次波（1.0S波）檢出時(shí)的相控陣S-掃描圖像，及組合一起的探測(cè)布置截面圖。

圖4（左）表示二次波檢測(cè)原理，用二倍板厚解釋了聲束和缺陷的鏡像效應(yīng)；圖4（右）示出了覆蓋焊縫截面的S-掃描圖像和缺陷鏡像，二次波延伸了一次波的掃描圖像，焊縫和缺陷均反映在鏡像中。

2.4 內(nèi)部密集氣孔

圖5表示離上表面1.5mm的密集氣孔用超聲一次波（0.5S波）檢出時(shí)，相控陣S-掃描的圖像。

該氣孔群尺寸為:1.5 ×3 ×10mm ( 用D掃描測(cè)其長(zhǎng)度范圍)。

圖左為相控陣聲傳播原理，圖右為覆蓋焊縫截面的S掃描圖像和密集氣孔的聲成像形態(tài)。

注意S-掃描圖像中焊根形狀信號(hào)的識(shí)別，其重要性與常規(guī)A-掃描形狀信號(hào)（俗稱假信號(hào)）的識(shí)別一樣。

2.5 近表面密集氣孔

圖6表示焊縫中近表面密集氣孔用超聲二次波檢測(cè)時(shí)的相控陣扇形掃描圖像和附加的探測(cè)布置截面圖。

圖左為相控陣超聲二次波檢測(cè)聲傳播原理，用二倍板厚解釋鏡像效應(yīng)；

圖右為相控陣S掃描圖像與探測(cè)布置和超聲聲路，注意：掃描鏡像中氣孔群、單面焊根部及蓋面焊角（余高與母材交界部位）的聲成像特征與實(shí)際形態(tài)的對(duì)應(yīng)性和特異性。

諳悉此特征，將有助于對(duì)焊接缺陷相控陣超聲成像的表征、定性和分類。

2.6 T型接頭根部未焊透和翼板側(cè)未熔合

圖7表示T型接頭組合焊縫中存在的根部未焊透和翼板側(cè)未熔合的相控陣S掃描圖像。

線陣列縱波直探頭置于翼板側(cè)表面（探頭陣列主動(dòng)窗長(zhǎng)度垂直于腹板端面），加一定范圍的橫向移動(dòng)，并作一定角度范圍的相控陣S掃描，即可檢出此類焊接接頭中的重要缺陷（包括根部未焊透、翼板側(cè)未熔合，以及焊接裂紋和焊道下裂紋等）。

翼板側(cè)S掃描外加縱向D掃描所得相控陣組合圖像，對(duì)上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。

另外，還應(yīng)注意缺陷信號(hào)圖像與焊縫幾何信號(hào)（即表面形狀信號(hào)）圖像的識(shí)別。

2.7 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋縱波聲像

圖8表示T型接頭中存在的焊道下裂紋用線陣縱波直探頭的相控陣檢測(cè)原理和S掃描圖像。

在圖右所示的S掃描圖像中，裂紋的自身高度用用豎線光標(biāo)測(cè)量，而裂紋離翼板底面的深度距離用橫線光標(biāo)測(cè)量。

注意用光標(biāo)對(duì)缺陷測(cè)高測(cè)深時(shí)，缺陷圖像端點(diǎn)和特征點(diǎn)的截取位置。

2.8 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋橫波聲像

由于被檢工件和被檢部位的可接近性受到限制，有時(shí)不能將超聲直探頭放在圖8所示翼板平面上用縱波進(jìn)行掃查，而只能在翼板另一面（即靠近組合焊縫和腹板的一面）用斜探頭用橫波進(jìn)行探測(cè)。

圖9就表示同一T型接頭（即圖8所示接頭）中存在的翼板側(cè)焊道下裂紋，在翼板另一面用線陣斜探頭橫波二次波的相控陣檢測(cè)原理和S掃描圖像。

圖左表示用二倍翼板厚度解釋超聲二次波和焊道下裂紋的鏡像效應(yīng)，圖右表示S掃描圖像中焊道下裂紋的鏡像形貌和定量（即焊道下裂紋測(cè)深定高）方法。

對(duì)缺陷信號(hào)圖像定量測(cè)定時(shí)，同樣要注意用豎光標(biāo)和橫光標(biāo)對(duì)該焊道下裂紋鏡像的測(cè)高測(cè)深取點(diǎn)問題（圖示裂紋自身高度測(cè)量值為8mm，離探測(cè)面深度距離測(cè)量值為1.4 mm）。

2.9 T型接頭翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合   

圖10表示T型接頭組合焊中存在的翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合，在翼板組合焊縫側(cè)表面用線陣斜探頭橫波二次波作相控陣檢測(cè)時(shí)的S掃描圖像和相應(yīng)探測(cè)布置（包括二次波的傳播聲路）。

在掃描鏡像中用橫線光標(biāo)測(cè)出的焊趾裂紋高度為6.7mm，而裂紋實(shí)際高度為6.8mm。

與上述圖2中的單面焊焊趾裂紋相控陣掃描圖像相似，T型接頭組合焊中焊趾裂紋用橫波二次波掃查時(shí)，裂紋信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)特征鏡像：即端角反射信號(hào)圖像和尖端衍射信號(hào)圖像，準(zhǔn)確移動(dòng)光標(biāo)，測(cè)取兩特征信號(hào)間距，同樣是對(duì)T型接頭焊趾裂紋準(zhǔn)確測(cè)高的重要細(xì)節(jié)。

3 小結(jié)

（1）線陣探頭的超聲波相控陣S掃描可作為超聲波成像工具。

（2）相控陣檢測(cè)時(shí)，焊縫缺陷的S掃描圖像顯示易于判讀評(píng)定，缺陷信號(hào)和幾何信號(hào)圖像較之于常規(guī)的A掃描脈沖波形，易于分辨。

（3）相控陣S掃描圖像加上含有聲傳播路徑的探測(cè)布置圖，是焊縫相控陣檢測(cè)讀譜解譜的有效方法。特別是用二次波檢測(cè)時(shí)，要善于讀懂悟明鏡像的實(shí)際位置和形貌特征。

（4）缺陷測(cè)深測(cè)高可依據(jù)S掃描圖像進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量時(shí)應(yīng)注意垂直和水平光標(biāo)的的截取位置。

（5）S掃描與D掃描結(jié)合使用，可完善缺陷定量表征信息，獲取缺陷三維數(shù)據(jù)。

（6）若將相控陣掃描數(shù)據(jù)輸入三維圖，并利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件包，即可利用三維相控陣數(shù)據(jù)重建被檢工件中的缺陷形態(tài)。

來源：山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)