鋼板在焊接過程中由于受到工作環境、焊接工況及焊接技術員的工藝水平等因素的影響，在熔合區和焊縫區可能會產生一些裂紋、氣孔、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷。這些焊縫內的缺陷會不斷地降低鋼板的機械強度直至其最終失效，對人民生命財產安全和國家現代化工業發展造成了巨大的威脅。

超聲無損檢測技術因具有穿透性強、指向性好、靈敏度高、對環境和人體無害，以及適用范圍廣等優勢，已經成為當前鋼結構焊縫內缺陷檢測領域的熱點方向之一。采用單晶元超聲換能器結合超聲衍射時差法可以實現對厚鋼板對接焊縫內的缺陷檢測，但其掃描成像過程較為復雜，并且難以準確定位和評估缺陷。此外，常規的單晶元超聲換能器存在壓電晶片尺寸大、頻帶窄及缺乏陣列化設計等不足，從而影響焊縫內缺陷檢測的分辨率。

多晶元超聲換能器相控陣具有檢測結果顯示直觀、檢測分辨率高和可聚焦掃描等優點，但其相控陣探頭一般尺寸較大、成本較高，而且必須與復雜的多通道發射/接收電路模塊集成使用。此外，為了通過偏轉角度實現深度區域掃描，這種多晶元超聲換能器相控陣通常需要將壓電晶片水平并排，因此在一定程度上犧牲了其橫向檢測分辨率。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，長江大學和重慶大學的研究人員合作研制了一種可用于20 mm以上中厚度鋼板焊縫內缺陷檢測的多通道壓電微型超聲換能器陣列，其兼顧常規的單晶元超聲換能器探頭和多晶元超聲換能器相控陣探頭的技術優勢，具有體型小、帶寬大、分辨率高和掃描模式應用靈活等特點。相關研究成果以“壓電微型超聲換能器陣列設計及焊縫檢測應用”為題發表在《壓電與聲光》期刊上。

壓電微型超聲換能器陣列結構設計

該研究設計的壓電微型超聲換能器陣列的整體結構如圖1所示。為了提高其橫向檢測分辨率并區別于常規相控陣線陣結構，該陣列的微型壓電晶片線陣按照水平方向進行排列設計，其中各陣元的上、下兩面均鍍有一層銀（Ag）薄膜電極，并分別采用信號傳輸線引出，因此既可以實現單個陣元的獨立工作，也可以實現多個陣元的協同工作。

圖1 壓電微型超聲換能器陣列結構示意圖

為了增強壓電微型超聲換能器線陣的指向性，一般可以采用增加陣元數目、適當增加陣元間距或減小超聲波波長（即增加頻率）的方式。與此相對，為了有效地消除旁瓣帶來的回波混疊現象，通常需要使得陣元間距小于超聲半波長。此外，盡管增加陣元數目可以使超聲波主瓣變窄，但是過多的陣元數目將增加制造成本，增大探頭體型，并且提高布線難度和后端處理電路設計的復雜度。因此，綜合考慮各種影響因素，該研究設計的壓電微型超聲換能器陣列的壓電晶片厚度為760 μm，壓電晶片寬度為500 μm，陣元間距為1.0 mm，陣元長度為10 mm，陣元數目為八。

圖2 八通道壓電微型超聲換能器陣列探頭實物圖

壓電微型超聲換能器陣列在鋼板對接焊縫內缺陷檢測中的應用

為進一步驗證該研究研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭的檢測性能，研究人員將其應用于標準對接鋼板試塊的內部缺陷檢測。該研究所搭建的測試系統平臺如圖3所示，其中，多通道超聲探傷儀可以實現超聲脈沖信號的激發與接收。此外，所用標準對接鋼板試塊的厚度為25 mm，其內部缺陷為直徑為1 mm、深度為2.5 cm的直線鉆孔。在該標準對接鋼板試塊焊縫內，依次分布了3個間距不等的鉆孔。

圖3 檢測標準對接鋼板試塊的實驗測試系統平臺

圖4 標準對接鋼板試塊實物及測試安裝圖

圖5為分別采用壓電微型超聲換能器陣列中的八個陣元檢測標準對接鋼板試塊焊縫內缺陷得到的原始波形數據。其中，在雙聲程為0 ~ 80 mm范圍內的響應信號包含陣列探頭與試塊接觸面、試塊底面及試塊側面的反射回波。

圖5 超聲陣列探頭測試標準試塊的回波采集數據

從圖5中可以看出，八個陣元在該雙聲程范圍內的回波信號均較為雜亂，因此，在后續檢測焊縫內缺陷時，可以將其作為背景信號；而在雙聲程為80 ~ 200 mm范圍內主要為超聲脈沖遇到焊縫內缺陷后反射的回波數據。雖然對不同深度的鉆孔缺陷的響應距離和信號強度略有不同，但3個直徑為1 mm的鉆孔缺陷所對應的超聲回波信號均較為顯著，說明該研究設計研制的壓電微型超聲換能器陣列探頭檢測分辨率優于1 mm。此外，由于八個陣元可獨立或聯合使用，無需通過復雜的多通道發射/接收電路模塊及程序控制即可工作，因此該研究所研制的壓電微型超聲換能器陣列在超聲回波檢測、超聲相控陣檢測和超聲衍射時差檢測（TOFD）中具有較高的應用潛力。

綜上所述，該研究設計并制作了一種可應用于25 mm及以上厚度對接鋼板焊縫內缺陷檢測的八通道壓電微型超聲換能器陣列探頭。該陣列探頭結合多通道連接器可根據檢測需求按照單陣元、多陣元及陣列的工作方式靈活應用。研制的陣列探頭實現了對25 mm厚度的標準對接鋼板試塊內部鉆孔缺陷的準確識別和檢測，檢測分辨率優于1 mm。此外，該陣列探頭中的八個陣元可獨立或聯合工作，可以靈活應用于不同掃描工作模式（A、B、C、S和P掃描等），與不同的超聲檢測系統具有良好的兼容性。此外，通過與最新相控陣檢測或超聲衍射時差檢測方法相結合，該壓電微型超聲換能器陣列有望進一步提高其檢測分辨率。

審核編輯：劉清