薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块的制作方法

本实用新型涉及一种薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块，属于焊接技术领域。

背景技术：

相控阵超声检测技术随着信号处理和计算机技术的发展越来越成为无损检测领域的研究热点。超声相控阵是由多个阵元（压电晶片）组成的，这些独立的阵元可以由计算机系统或者电子系统产生一定的激励时序来激发每个的阵元，从而实现对声束聚焦点、声束偏转的控制。相控阵发射聚焦原理是在带楔块型的相控阵换能器上，人为的在每个阵元的上添加发射压电阵元激励的延时，这样使得合成的波束会在传播的过程中会相互削弱从而在设定的聚焦点聚焦。相控阵超声检测技术具有成像功能，检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描、S扫描、E扫描及P扫描等，直观易懂，存储的数据具有动态回放功能，并且还能记录扫查位置。这些功能是常规超声检测技术难以做到的。

相控阵超声检测技术已经在我国开始应用，例如在西气东输管道工程检测管道环焊缝，在安徽六安、安庆火力发电厂及铜陵电厂等检测薄壁对接焊缝，对汽轮机叶片根部 和涡轮圆盘的检测、火车轮轴检测、核电站主泵隔热板的检测等等，有着巨大的应用空间，体现出相控阵超声检测的优越性。

在电站锅炉、石油天然气站场、炼油厂及船舶等行业的安装及检修中存在大量薄壁对接焊缝，这正是相控阵超声检测施展独特技术的场地。2003年以来，我国住建部开始广泛推广薄壁金属管作为天然气入户的材料。目前我国特检行业、电力行业及石油天然气行业等对管道的焊缝检测存在以下问题。

（1）超声波探伤主要使用在中厚管壁的探伤；

（2）多次反射波检测时，实际检测与标准反射体校准存在较大差异，入射波和缺陷散射波经管内外壁多次反射，不能较好的反映缺陷信息，尤其是曲面工件焊缝的检测，偏差更大。

（3）传统的超声检测系统无法对声束进行有效控制；

（4）一次波探伤无法扫查到薄壁对接焊缝的整个焊缝区域。

这些不足的存在，严重阻碍了相控阵超声检测技术在薄壁对接焊缝检测中的应用。

现有相控阵超声检测楔块的倾斜角α为39°，对于薄壁对接焊缝的检测，由于前沿较大，直射波不能检测到焊缝根部，而根部恰恰就是该类焊缝检测的重点。采用多次反射波法进行检测，由于声波在工件内部反射，引起声场变形，和对比试块的校准结果偏差较大，尤其对曲面工件，例如薄壁小径管对接焊缝的检测，多次反射波检测的偏差就更大了。因此现有相控阵超声检测楔块检测薄壁对接焊缝效果不佳。

技术实现要素：

为了克服现有超声检测薄壁对接焊缝检测存在的缺点，本实用新型提出了薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块。该楔块通过相控阵超声检测技术，解决薄壁对接焊缝超声检测的技术问题。

本实用新型解决技术问题所采用的方案是：

一种薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块，所述检测楔块为一个长方体的一侧切除形成一个斜面，整个检测楔块形成了长方体底部以及长方体上方的梯形柱体，斜面上设置若干相控阵阵元，检测楔块的下表面与检测面契合，斜面与换能器契合，能将检测换能器固定在斜面上。

作为优选方案，上述长方体底部的w2为13.77mm，高度H0为1mm；梯形柱体的w1为5.48mm,倾斜角α为39.7°，高度H1为8.64mm。

上述相控阵阵元的主动孔径A的长度按照公式（1）计算：

A=n·e+g·(n-1) （1）

其中主动孔径是相控阵阵元的有效长度，n是阵元数量，e是阵元宽度，p是相邻阵元中心线间距，g是相邻阵元之间的间隙。

作为优选方案，上述相控阵阵元为16个，阵元的长度e为0.4mm，阵元间距p为0.5mm。本实用新型采用小径管相控阵探头编号为7.5MHzS16-0.5×10W39，该相控阵探头具体参数是：楔块的角度为39.7度，频率为 7.5MHz、晶片数（阵元数）N为16个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵元宽度e为 0.4mm，相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm，阵元的长度为7.9mm，晶片的曲率半径为35mm。

作为优选方案，上述第一个阵元距离下端距离s0为2.06mm，最后一个阵元距离上端距离s1为2mm。

作为优选方案，上述楔块的材料采用聚砜，声速较小。

本实用新型所达到的有益效果：

1、该设计楔块能满足厚度范围为3mm-8mm的对接焊缝检测。

2、该设计楔块检测对接焊缝楔块焊趾线到楔块左边边界的距离为5mm。

3、该设计楔块斜楔上所安装的换能器探头发射的声束覆盖角度范围是43°-74°。

4、楔块的长度为13.77mm，相控阵超声采用曲面晶片的相控阵探头进行电子扫描检测时，探头发射的声束是在符合角度完全入射的情况下的最小角度；

5、能够解决实现薄壁对接焊缝一次波扫描根部，二次波扫描中上部的要求。

6、能解决薄壁对接焊缝相控阵超声检测声束测试的问题；

7、楔块体积小、重量轻、携带方便，便于现场实际应用。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是检测4mm厚焊缝的声束覆盖图；

图3是相控阵阵元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块，所述检测楔块为一个长方体的一侧切除形成一个斜面，整个检测楔块形成了长方体底部以及长方体上方的梯形柱体，斜面上设置若干相控阵阵元，检测楔块的下表面与检测面契合，斜面与换能器契合，能将检测换能器固定在斜面上。

上述长方体底部的w2为13.77mm，高度H0为1mm；梯形柱体的w1为5.48mm,倾斜角α为39.7°，高度H1为8.64mm。

如图3所示，上述相控阵阵元的主动孔径A的长度按照公式（1）计算：

A=n·e+g·(n-1) （1）

其中主动孔径是相控阵阵元的有效长度，n是阵元数量，e是阵元宽度，p是相邻阵元中心线间距，g是相邻阵元之间的间隙。

上述相控阵阵元为16个，阵元的长度e为0.4mm，阵元间距g为0.1mm。本实用新型采用小径管相控阵探头编号为7.5MHzS16-0.5×10W39，该相控阵探头具体参数是：楔块的角度为39.7度，频率为 7.5MHz、晶片数（阵元数）N为16个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵元宽度e为 0.4mm，相邻两阵元间距p为0.5mm，阵元的长度为7.9mm，晶片的曲率半径为35mm。

上述第一个阵元距离下端距离s0为2.06mm，最后一个阵元距离上端距离s1为2mm。

上述楔块的材料采用聚砜，声速较小。

实施例1：

如图2所示，实施例1是检测规格为长度40mm,厚度为4mm,宽度30mm的薄壁板对接焊缝，焊缝坡口形式为V型，坡口角度为35°，钝边高度为0.5mm。采用的楔块是高度H1为8.64mm，倾斜角度为39.7°，楔块斜边高度H0为1mm，相控阵的第一个阵元的位置为2.06mm，最后一个阵元距离上端的距离为2mm。楔块的上表面长度为5.48mm，下表面的长度是13.77mm；

检测仪器为ISONIC2009相控阵超声检测仪器，相控阵探头参数：一维16晶片的小径管专用探头，频率为7.5MHz或10MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、晶片曲率半径为35mm、楔块角度为39.7°、楔块声速为 2260m/s；

调试过程：

规格为长度40mm,厚度为4mm,宽度30mm的薄壁板对接焊缝采用相控阵检测工艺设置分为一次波和二次波检测，设置薄壁板对接焊缝距离楔块距离5mm，确定声束覆盖角度范围是52°-74°；

相控阵阵元发射的阵元的采用延时发射方法，偏转角度为74°时，16个阵元的发射延时分别为0μs，0.011μs，0.022μs，0.033μs，0.044μs，0.054μs，0.064μs，0.074μs，0.084μs，0.093μs，0.102μs，0.11μs，0.118μs，0.126μs，0.134μs，0.141μs；

本实用新型的特点：

（1）本实用新型的薄壁对接焊缝相控阵超声检测楔块是一个长度为13.77mm，高度为1mm的长方体和一个带倾斜角的立方体构成，该立方体上表面长度5.48mm，楔块倾斜角度是39.7°，高度为7.64mm(楔块总高度为8.64mm)；

（2）楔块斜边上用于与相控阵系统相连，相控阵阵元16个，第一个阵元位置距离底边2.06mm，最后一个阵元距离上表面为2mm；

（3）能解决薄壁子相控阵超声检测声束测试的问题；

（4）利用不同深度的横通孔能测试相控阵超声检测系统的最小检测深度和声束特性；

（5）本楔块适用于管壁厚度大于等于3.5mm，小于等于8mm的薄壁/薄壁板对接焊缝的检测。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。