Page 84 - 无损检测2022年第八期

乔江伟,等:
近场对相控阵超声 TCG 校准的影响

近, 但设置 B 采用的是频率更大的 7.5 MHz探头,
且其晶片中心距为 1.0mm , 与设置 A 相比, 其激活

孔径更大, 近场深度也更大。不同折射角度波束在
工件中的近场深度如表 3 所示, 可见 65° 和 70° 对应
的设置 A 的近场深度出现了负值, 说明两条波束的
近场均在楔块内部。
表 3 不同折射角度波束在工件中的近场深度

图 2 PAUT 探头偏转波束的有效孔径示意 mm
相比近场长度, 焊接接头检测中常用的是检测 项目 折射角度
可表示为 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70°
深度, 近场深度 N de p th
设置 A 10.6 8.0 5.4 2.9 0.9 -0.6 -1.2

( 3 )
N de p th =N · cosθ t
设置 B 102.0 85.0 67.0 50.0 34.0 21.0 11.0
扇形扫描是焊接接头相控阵超声检测最为常用
的一种扫描方式, 其通过在一组晶片上施加不同的 3 TCG 校准试验
聚焦法则, 得到不同角度的超声波束。对于一个特
定的相控阵超声探头, 在设置检测工艺时, 当使用的 为能有效地对比以上两项设置的近场深度对

晶片组、 激活晶片数量、 楔块型号、 波束角度发生变 TCG 校准的影响, 设检测工件厚度为 20mm , 焊缝
化时, 其对应的近场也会随之变化。 一侧 PAUT 扇形扫描覆盖如图 3 所示, 可见扇形扫
笔者选择两组相控阵超声设置进行近场计算, 描中最小的角度 40° 通过一次底面反射能够覆盖探
探头及楔块参数设置如表 1 所示。根据设备中给定 头同侧热影响区的位置, 40°~60° 波束范围通过一
的探头及楔块参数, 通过试验单独激发第一晶片确 次底面反射覆盖了表面以下大部分焊缝及热影响
定波束出射位置, 从而确认第一晶片高度值, 最终确 区, 转换成超声传播的实际深度, 二次波有效检测深

定晶片在楔块中的相对位置, 进而计算得到两组设 度为 20~40mm ; 扇形扫描中 61°~70° 大角度波束
, 不同折射 利用直射法检测焊缝根部及以上区域, 一次波的有
置中不同角度波束楔块中的传播距离 L i

角度波束在楔块中的传播距离如表 2 所示。 效检测深度为0~20mm 。结合表 3 可以发现, 设置
表 1 探头及楔块参数设置 A 中各个角度的有效检测深度均在近场以外; 而在设
置 B中, 除70° 波束的有效检测深度在近场附近, 其余
探头频 楔块角 使用 晶片中心 激活孔 扇扫角
项目
率 / MHz 度 /( ° ) 晶片 距 / mm 径 / mm 度 /( ° ) 角度范围的有效检测深度均在近场以内。
设置 A 5 55 32~47 0.6 9.6 40~70
设置 B 7.5 50 32~47 1.0 16.0 40~70
表2 不同折射角度波束在楔块中的传播距离

mm
折射角度
项目
40° 45° 50° 55° 60° 65° 70°
图 3 20mm 厚焊缝一侧 PAUT 扇形扫描覆盖示意

设置 A 35.65 36.84 37.89 39.15 40.74 42.12 43.10

设置 B 32.36 33.34 34.33 35.43 36.64 37.77 38.91 按照 20mm 工件厚度, 二次波检测应能覆盖 2

为了便于后面的试验, 对楔块及工件的声速进 倍板 厚 即 40 mm 深 的 位 置, 按 照 检 测 标 准 要 求

行了测定, 楔块中纵波声速c i=2330 m · s , 工件 TCG 校准深度应不少于 40mm 。 TCG 是一种补偿
-1
中的横波声速c t=3231 m · s 。根据测定的声速 曲线, 实际操作过程中一般至少添加 3 个点保证曲

-1

及表 1 , 2 中对应的参数, 利用式( 2 ),( 3 ) 计算得到设 线的平 滑, 且 在 NB / T47013.15 标 准 中 有 明 确 的
置 A 和设置 B 中不同折射角度波束的近场深度( 见 TCG 校准点数量要求, 要求校准所使用的参考反射

表 3 )。 体一般不少于3个不同深度点, 因此, 在满足 40mm
通过对计算得到的数据进行分析, 发现虽然两 深校准范围的条件下, 分别选择2 种 TCG 校准点添
组设置中不同角度波束在楔块中的传播距离较为接 加方案, 第一种校准点( 深度, 下同) 选择为 10 , 30 ,
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无损检测