基于CⅠVA 仿真的小徑管座角焊縫相控陣探頭優(yōu)化

張超才，陳 震，李士林

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門361024）

1 引言

小徑薄壁管座角焊縫因母管與支管管徑、壁厚差異大，在焊接過程中易產(chǎn)生典型焊縫缺陷[1]。管座在長期服役過程中，由于角焊縫特殊結(jié)構(gòu)，受力形式多樣，易造成局部應(yīng)力集中，并逐步開裂，產(chǎn)生疲勞裂紋等高危缺陷，將嚴(yán)重影響管座設(shè)備的安全。為此對小徑薄壁管座角焊縫進(jìn)行有效地?zé)o損檢測，對設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

常采用滲透、磁粉等方法對管座角焊縫表面、近表面進(jìn)行檢測。射線檢測受角焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚影響較大，易造成布片困難以及檢測靈敏度低等問題[2]。對于內(nèi)部缺陷，大多采用常規(guī)超聲進(jìn)行檢測，受壁厚和曲率的影響，為了使超聲聲場覆蓋整個(gè)管座角焊縫，需要用多種K 值探頭到不同位置進(jìn)行檢測[3]。缺陷檢出率不僅取決于檢測儀器，還依賴于檢測人員的綜合能力。超聲相控陣檢測技術(shù)作為目前超聲檢測前沿技術(shù)，其檢測效率、缺陷檢出率、定性及定量精度等方面都比常規(guī)超聲具有明顯優(yōu)勢，特別對于復(fù)雜幾何形狀材料的檢測[4]。但是，對于安放式小經(jīng)薄壁管座角焊縫的檢測，由于受焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率等因素的影響，超聲相控陣檢測也存在一定局限性。

本文通過建立小徑薄壁管座角焊縫3D 模型，利用CⅠVA仿真軟件對相控陣探頭頻率、陣元間距、陣元數(shù)等參數(shù)進(jìn)行聲場仿真，揭示了各參數(shù)對聲場的影響規(guī)律；并對陣元不同外型進(jìn)行聲場仿真，總結(jié)其變化規(guī)律及特征，從而得出檢測小徑薄壁管座角焊縫最優(yōu)探頭參數(shù)，有助于相控陣探頭的定制以及檢測工藝的制定。

2 CIVA 聲場仿真基本理論

聲場仿真理論主要用于計(jì)算超聲探頭在樣品內(nèi)部所形成的聲場。聲場特性直接關(guān)系到樣品內(nèi)被測區(qū)域的聲束可達(dá)性、能量有效覆蓋性，因此對樣品內(nèi)聲場建模仿真是開發(fā)及優(yōu)化相控陣探頭和制定檢測工藝的基礎(chǔ)。

CIVA 聲場仿真是基于Pencil 法修正的瑞利積分模型，可以將探頭離散成點(diǎn)源的形式。Pencil 模型是基于Deschamps 電磁波理論轉(zhuǎn)換為彈性動力波的基礎(chǔ)上建立的，目的是預(yù)測點(diǎn)源到計(jì)算點(diǎn)之間，聲波經(jīng)歷各種路徑的彈性動力學(xué)量。根據(jù)Snell-Descartes 定律確定聲束產(chǎn)生的不同的路徑，通過Pencil 相關(guān)矩陣計(jì)算，量化每條路徑相關(guān)能量，再由Christoff 定律驗(yàn)證各種波的極化方向及彈性動力學(xué)矢量性質(zhì)。

3 CIVA 聲場仿真

小徑薄壁安放式管座角焊縫3D 模型采用solid works 軟件繪制，如圖1 所示。母管尺寸規(guī)格為Φ610 mm×17.5 mm；支管尺寸規(guī)格為Φ27 mm×2.5 mm，支管側(cè)焊縫坡口為50°。

圖1 模型圖

3.1 頻率對檢測的影響

頻率的選擇對檢測結(jié)果影響較大，頻率越高，近場區(qū)越大，焦點(diǎn)越小，分辨率越高；但過高又會產(chǎn)生柵瓣，而且聲波在樣品內(nèi)衰減也會增加，不利于檢測。對于該樣品模型，選取頻率為2.5 MHz、5 MHz、7.5 MHz、10 MHz 進(jìn)行聲場仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同頻率聲場仿真圖

結(jié)合圖2 的聲場仿真結(jié)果：2.5 MHz 在待測焊縫區(qū)域聲壓幅值較高，但近場區(qū)較短，無法聚焦到焊縫區(qū)域，且待測區(qū)域聲束較寬，分辨率較低；10 MHz 聲束最窄，分辨率最高，但頻率越大，衰減就越大，在待測區(qū)域聲壓最低；7.5 MHz分辨率比5 MHz 大，但聲壓只比5 MHz 低了約2.4 dB，由于焊縫區(qū)域比較小，盡量選擇高頻以獲得較高的檢測分辨率。綜合聚焦性能、分辨率及衰減等因素，頻率選擇7.5 MHz。

3.2 Pitch 對檢測的影響

為了提高聲束的指向性，可通過增大陣元間距Pitch來減小聲束主瓣寬度，進(jìn)而增大聲束橫向分辨率。但Pitch過大，又會產(chǎn)生柵瓣，影響檢測。

頻率選取7.5 MHz，Pitch分別取0.35 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm（其中陣元間隙g=0.05 mm）分別進(jìn)行聲場仿真。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同pitch 聲場仿真圖

由圖3 的聲仿真結(jié)果可知，隨著Pitch值增大，近場區(qū)增大，待測區(qū)域聲壓增大，聚焦能力增強(qiáng)，分辨率提高。Pitch值盡量選取大些，但也不能很大，不然會產(chǎn)生柵瓣，影響檢測。綜合聚焦性能、分辨率及消除柵瓣等因素，Pitch值選取0.55 mm。

Pitch值確定以后，陣元寬度e應(yīng)盡量接近pitch值，選取e=0.5 mm 即可。

3.3 陣元數(shù)對檢測的影響

在頻率為7.5 MHz、Pitch值為0.55 mm（陣元寬度e=0.5 mm、陣元間隙g=0.05 mm）情況下，對比不同陣元數(shù)8、16、32 進(jìn)行聲場仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同陣元數(shù)聲場仿真圖

由圖4 的仿真結(jié)果可知，8 陣元近場長度較短，二次波在待測區(qū)域聲束較寬，分辨率較低，且聲壓幅值較32 陣元低了約12 dB。隨著陣元數(shù)增加，近場長度增加，待測區(qū)域聚焦性能增加。陣元數(shù)過多，一方面會增加相控陣系統(tǒng)的復(fù)雜性；另一方面，陣元數(shù)過多，所用平斜楔塊增大，與曲面耦合性能下降，造成部分陣元產(chǎn)生雜波，反而不利于檢測。結(jié)合在母管曲面進(jìn)行二次橫波檢測，以及聚焦性能、檢測分辨率等因素，綜合考慮選取陣元數(shù)為32。

3.4 陣元類型

一般線性相控陣探頭受管徑曲率影響較大，管徑越小，聲場發(fā)散越嚴(yán)重。自聚焦曲面探頭，其陣元曲率可以彌補(bǔ)一部分管徑曲率帶來的影響，聲場影響較小。因此設(shè)計(jì)合適的曲面線陣可以在一定范圍內(nèi)達(dá)到較好的檢測效果。

探頭在陣元數(shù)N=32、頻率為7.5 MHz、Pitch值為0.6 mm的情況下，進(jìn)行平探頭、自聚焦半徑R=305 mm、自聚焦半徑R=100 mm 的聲場仿真，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同曲率相控陣探頭聲場仿真俯視圖

從圖5 仿真結(jié)果可以看出，平探頭受管徑曲率影響較大，聲場發(fā)散形成2 個(gè)焦點(diǎn)。自聚焦半徑R=305 mm 時(shí)，對管徑曲率補(bǔ)償較小，聲束依舊發(fā)散。當(dāng)自聚焦曲率半徑R=100 mm 時(shí)，聲束較集中，檢測分辨率較高。綜合考慮選取自聚焦半徑R=100 的相控陣探頭。

3.5 探頭參數(shù)

根據(jù)聲場仿真結(jié)果、理論基礎(chǔ)、成本等，綜合考慮后，探頭參數(shù)如下所示：自聚焦半徑R=100 mm 的線性相控陣探頭、頻率為7.5 MHz、陣元數(shù)為32、Pitch值為0.55 mm、主動孔徑為17.55 mm、被動孔徑為10 mm。

4 結(jié)語

本文基于CⅠVA 仿真軟件，對檢測小徑薄壁管座角焊縫所采用的超聲相控陣探頭進(jìn)行探頭參數(shù)聲場仿真分析，探究了各參數(shù)對聲場的影響規(guī)律，并分析了平探頭和自聚焦相控陣探頭的聲場特征，揭示其變化規(guī)律。通過聲場仿真分析得出：將探頭置于母管側(cè)進(jìn)行接觸式超聲相控陣橫波檢測的方式，聲束可有效到達(dá)檢測區(qū)域，聲束聚焦能力及檢測分辨率都能達(dá)到檢測需求，并能為后期研制專用檢測相控陣探頭以及現(xiàn)場檢測工作提供理論依據(jù)。