超聲相控陣技術起源于醫(yī)學超聲，至今已有40多年的發(fā)展歷史。隨著電子技術和計算機技術的不斷革新，超聲相控陣技術開始逐漸應用于工業(yè)無損檢測領域。特別是近年來，得益于數(shù)字電子和數(shù)字信號處理(DSP)技術的推陳出新，超聲相控陣技術在工業(yè)領域的應用發(fā)展尤為迅速。

正如常規(guī)超聲檢測需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測也需要各種類型的試塊，其主要包括標準試塊(校準試塊)、對比試塊(參考試塊)和模擬試塊(演示試塊)等。

ISO 標準試塊

ISO 2400: 2012《無損檢測 超聲檢測 1號校準試塊》標準規(guī)定了超聲檢測1號校準試塊(國際焊接學會IIW試塊)。

圖1：超聲檢測1號校準試塊尺寸

ISO 19675: 2017《無損檢測 超聲檢測 相控陣(PAUT)校準試塊》標準規(guī)定了超聲相控陣檢測(PAUT)校準試塊。

圖2：超聲相控陣檢測校準試塊尺寸

超聲相控陣檢測校準試塊與超聲檢測1號校準試塊的應用對比

功 能

1號校準試塊

相控陣檢測校準試塊

探頭入射點(斜探頭)

100mm半徑的中心

100mm半徑的中心

聲束角度(斜探頭)

使用直徑50mm或直徑3mm的孔，入射點對準刻度

使用3mm橫孔，入射點對準最接近的刻度

聲束偏離角

角反射最高峰時探頭外殼與試塊對應的角度

使用量角器和直邊，取角反射最高峰時探頭

時基線線性

多次25mm的間隔時間標線

多次25mm的間隔時間標線

時基線的校準

范圍-延遲調整，91mm的縱波相對于50mm的橫波

范圍-延遲調整，91mm的縱波相對于50mm的橫波

衰減器線性

調整3mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB

調整1.6mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB

屏高線性

維持兩信號的比率，增加分貝值使較大信號以10％步幅增加

維持兩信號的比率，增加分貝值使較大信號以10％步幅增加

脈沖持續(xù)時間

后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號脈沖持續(xù)時間

后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號脈沖持續(xù)時間

主頻率測量

轉換為時基線，使用來自半徑或厚度的信號，1μs的周期計數(shù)

轉換為時基線，使用來自半徑或厚度的信號，1μs的周期計數(shù)

信噪比

設定3mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度

設定1.6mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度

超聲相控陣檢測校準試塊的附加功能

楔塊延遲－可以通過固定深度或固定距離決定，例如100mm的半徑

柵瓣評估－通過橫孔最淺深度偏軸響應與相同橫孔主軸的波幅比較來評估潛在的柵瓣

激活晶片評估－當探頭放在楔塊或校準試塊上，晶片設置為步進為1的E掃查，未激活晶片會在B掃或未修正的S掃查顯示無振鈴

E掃查的靈敏度同等化－使用橫孔設定E掃同等靈敏度

S掃查的靈敏度同等化(ACG) －使用50mm或100mm 半徑設定S掃查同等靈敏度

布局檢查－S掃查中排成一線的3mm橫孔位置可以提供一個位置輸出精度和延遲法則產生的指示

晶片配置－單個晶片步進式E掃查會在傾斜表面有反射。帶有折射的楔塊提供斜面。對0度線性陣列(無楔塊)，傾斜面是必須的，監(jiān)測單調增加的后壁回波到達時間

各向異性評估－相對超聲系統(tǒng)使用橫波和壓縮縱波的聲速測量評估試塊

ISO 參考試塊

ISO 13588: 2012《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動相控陣技術的應用》中規(guī)定了不同的檢驗等級使用不同的參考試塊。檢測等級A級、B級和C級分別對應使用參考試塊A、參考試塊B和參考試塊C。

參考試塊的作用包括檢測范圍和靈敏度(TCG)設置、程序的演示及有效性評定。對于板厚介于6~25mm之間的試塊，至少需要3個反射體。對于板厚大于25mm的試塊，至少需要5個反射體。典型的反射體包括橫通孔、刻槽和平底孔。

參考試塊A 

有3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫通孔。

圖3：參考試塊A結構示意

參考試塊B

① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫孔；

② 表面槽；

③ 表面下4mm有一個直徑2mm長度30mm的橫孔。

圖4：參考試塊B結構示意

參考試塊C

① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫孔；

② 表面槽：2個近表面槽(槽1和槽2)，2個遠表面槽(槽3和槽4)，模擬焊縫坡口成像的槽5，如果規(guī)范有要求，還應有槽6和槽7兩個表面橫向槽；

③ 表面下4mm有一個直徑2mm長度30mm的橫孔。

圖5：參考試塊C結構示意

檢測等級D級除了B級和C級試塊的要求外，還要求增加反射體。同時要求使用同等母材、按照同樣焊接布局、焊接材料和焊接方法制作特定的試塊。

GB/T 32563中試塊

GB/T 32563《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》中包括兩類試塊：校準試塊和模擬試塊。

校準試塊

(CSK-IA、CSK-IIA、CSK-IIIA或功能類似試塊)用于聲速、楔塊延時、ACG、TCG的校準，也可用于靈敏度校準。當用于靈敏度校準時，推薦采用CSK-IIA試塊。

模擬試塊

用于檢測靈敏度校準，驗證檢測工藝的有效性。模擬試塊應與實際工件相近和相似，在檢測區(qū)域設置直徑2mm、長度40mm的橫孔以及其他機械加工的模擬缺欠和焊接自然缺欠。

在附件B中，該標準給出了用于定位精度測試的試塊。

ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第五卷中試塊

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第五卷：無損檢測》中的第四章主要講焊縫超聲檢測方法。其中提到兩類試塊：校準試塊和模擬演示試塊。

校準試塊

相當于前文所提到的參考試塊，主要用于設備線性、檢測范圍和靈敏度設置和驗證。

演示試塊

在規(guī)范第五卷第四章強制性附錄Ⅸ中詳細規(guī)定了演示試塊的制作要求。包括材質、厚度范圍、焊接接頭形式以及反射體種類、數(shù)量和尺寸的要求，并要求根據(jù)編制的超聲檢測程序要求對缺欠進行分類和定量。

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2235)和《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2816)闡述了使用超聲檢測代替射線檢測時的要求，其中規(guī)范案例2816適用于13mm＞厚度≥6mm焊縫檢測，規(guī)范案例2235適用于厚度≥13mm的焊縫檢測。演示試塊應該通過熱等靜壓方式處理和焊接。與其他標準不同，規(guī)范案例關注缺欠的高度以及缺欠高度與板厚的比值，并由此比值確定相應的可接受缺欠長度。規(guī)范案例并未指定反射體的類型，只是對缺欠尺寸有要求。規(guī)范案例沒有給出具體的定量方法，要求在檢測程序中做出規(guī)定，并按照此規(guī)定演示定量方法。用演示試板演示時，需要證實檢測覆蓋包括了整個焊縫體積和熱影響區(qū)或案例中指定的寬度范圍，另一目的是為了驗證檢測靈敏度和缺欠的發(fā)現(xiàn)和定量。

規(guī)范案例2816

演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內外表面各一個，一個內部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。對于介于6~13mm的板厚，可以用線性插值法計算缺欠尺寸。

規(guī)范案例2235

演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內外表面各一個，一個內部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。該案例按照不同壁厚范圍(13~25mm，25~300mm以及大于300mm)，給出了不同的演示試塊缺欠尺寸要求：

ASTM 校準試塊

ASTM E 2491-2013《評估相控陣超聲波檢驗儀器和系統(tǒng)性能特性的標準指南》并未給出設備和系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，只是提供了評估的方法建議，具體性能要求由參與方共同決定。在附錄中列舉了一些性能的測試方法。

相控陣波束輪廓

第一塊試塊用橫孔測試相控陣探頭主動軸方向的波束輪廓，第二塊試塊使用階梯狀試塊上的豎孔并用編碼器監(jiān)測行走距離來測試被動軸方向的波束輪廓。

圖6：相控陣波束輪廓評估示意

相控陣波束偏轉能力評估

波束偏轉能力評估包括兩方面的評估：固定聲程波束偏轉能力評估和單平面波束偏轉能力評估。固定聲程波束偏轉能力評估選用如下圖(a)所示的試塊，單平面波束偏轉能力評估選用如下圖(b)所示的試塊。

圖7：相控陣波束偏轉能力評估

相控陣晶片活性評估

使用來自ⅡW試塊的25mm反射評估晶片活性。

相控陣聚焦能力評估

使用圖6(a)所示的試塊評估聚焦算法的有效性，以確定工作有效范圍。

相控陣參數(shù)的計算機控制和數(shù)據(jù)顯示評估

使用圖7(a)所示的試塊，設置兩組聚焦法則，比較實際深度和角度的差別。

相控陣楔塊衰減和延遲補償

使用ⅡW試塊100mm圓弧面補償楔塊延遲。使用ⅡW試塊100mm圓弧面或者?3mm橫孔進行楔塊衰減補償。

相控陣設備線性評估

使用下圖所示的相控陣設備線性試塊評估屏高線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評估波幅控制線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評估時基線性。

圖8：相控陣設備線性試塊

超聲相控陣檢測試塊作為檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，對檢測結果的準確性和重復性有很大影響。

試塊制作應符合相應標準或規(guī)范的要求，應明確試塊上反射體的具體意義和使用方式。

只有依托這些試塊，正確使用這些試塊，并進行合理的相控陣檢測設置，保證相控陣檢測的有效實施，才能得到可靠的檢測結果。

本文作者：丁兵，上海船舶工藝研究所高級工程師，主要從事無損檢測科研、培訓和工程檢測工作。

節(jié)選自《無損檢測》2017年第39卷第8期