Page 72 - 无损检测2021年第二期

孙浩然, 等:

双金属结合面缺陷的凸面相控阵超声检测

接耦合, 故可忽略油层厚度, 即探头至油 - 涡轮盘界
面的距离为 0 , 若凸面相控阵探头的聚焦声束在涡
轮盘的实际焦点到高温合金内孔表面的距离为 x ,
那么相控阵聚焦探头所需产生的实际焦距 F 可用
式( 1 ) 表示。
F = x ( 1 )
相控阵阵元依次激发后, 会在涡轮盘中形成一个
曲率半径为 F 、 圆心为焦点 A 的凹面新波阵面( 见
图 1 某航空发动机涡轮盘结构示意 图3 )。若需要求得第 m 号阵元的延时时间, 则只需
柱形凸面相控阵检测技术, 采用接触式机油耦合, 使 要计算出该阵元中心距焦点 A 的距离, 同时减去 F ,
探头产生的声束能从内孔聚焦到外结合层处。针对 即可得到第 m 号阵元的延迟距离。设 AC 长为L AC ,
凸面相控阵结构的特征, 从理论上分析了相控阵声 可根据式( 2 ) 计算得第 m 号阵元的延时时间τ m 。
场的聚焦性能, 并根据聚焦深度求得相控阵各阵元 τ m = L AC -F )/ c 1 =
(

2
2
的延时时间, 设计了小孔径凸面 相控阵聚焦法则。 R + R +F ) -2cosθ m R +F ) R -F
(
(
( 2 )
在此基础上, 利用 CIVA 软件对相控阵声场进行仿 c 1
真, 以抑制旁瓣、 消除栅瓣、 中心焦柱能量强为探头 式中: c 1 为超声在涡轮盘中的声速; R 为凸面探头
设计标准, 对凸面相控阵探头的参数进行优化, 根据 的曲率半径; θ m 为第m 号阵元与OA 的夹角。
优化后的参数制作了 8 阵元的相控阵探头, 并使用
该探头对带有人工缺陷的涡轮盘试块进行检测。检
测结果表明, 该方法能有效地对小孔径大厚度涡轮
盘进行孔内检测。
1 凸面相控阵检测原理

采用凸面相控阵对涡轮盘进行内检测, 探头通
过机油耦合与内孔表面接触, 其产生的波束覆盖到

涡轮盘外侧。凸面相控阵的检测原理如图 2 所示。
以同时激发 16 阵元为例, 采用相控阵点聚 焦的方
式, 利用延时依次激发 1~16 号阵元, 形成第 1 个聚
焦点, 完成扫描以后, 再依次激发 2~17 号阵元, 形
成第 2 个聚焦点。依此类推, 直至完成整个涡轮盘
的电子线扫描 [ 4-5 ] 。 图 3 凸面相控阵延时聚焦模型

依此类推即可求得该凸面相控阵所有阵元的延
时时间, 形成相控阵延时聚焦法则, 依次激发阵元直

到完成整个涡轮盘的电子扫描。
涡轮盘凸面相控阵检测原理及 A 扫波形如图 4
所示, 首先凸面相控阵通过延时聚焦发射超声波, 波
束经油层进入涡轮盘内部直至外壁, 其次涡轮盘内外
壁的脉冲回波经过油层被相控阵阵元接收, 最后通过
图 2 凸面相控阵检测原理示意 延时法则重构波形。此时电子显示屏上会出现探头
郭伟灿等 [ 6 ] 根据相控阵超声原理, 设计了简单 始波 T 1 、 油 - 涡轮盘内壁结合层反射波 B 1 以及涡轮盘
可行的凸面相控阵延时聚焦模型( 见图 3 ), 当使用 外壁轮廓反射波 B 2 。根据超声波在单一界面的反射
聚焦探头检测高温合金工件时, 在油层与高温合金 率与透射率可知, 若涡轮盘结合层处存在脱粘缺陷,
中各存在 1 次聚焦作用, 由于聚焦探头与涡轮盘直 在脱粘 处 声 压 透 射 率 几 乎 为 0 , 声 压 反 射 率 近 乎
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2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测