相控阵试块全面解析
超声相控阵技术起源于医学超声，至今已有40多年的发展历史。随着电子技术和计算机技术的不断革新，超声相控阵技术开始逐渐应用于工业无损检测领域。特别是近年来，得益于数字电子和数字信号处理(DSP)技术的推陈出新，超声相控阵技术在工业领域的应用发展尤为迅速。
正如常规超声检测需要各种试块一样，超声相控阵检测也需要各种类型的试块，其主要包括标准试块(校准试块)、对比试块(参考试块)和模拟试块(演示试块)等。
ISO 标准试块
ISO 2400: 2012《无损检测 超声检测 1号校准试块》标准规定了超声检测1号校准试块(国际焊接学会IIW试块)。
图1：超声检测1号校准试块尺寸
ISO 19675: 2017《无损检测 超声检测 相控阵(PAUT)校准试块》标准规定了超声相控阵检测(PAUT)校准试块。
图2：超声相控阵检测校准试块尺寸
功 能
1号校准试块
相控阵检测校准试块
探头入射点(斜探头)
100mm半径的中心
100mm半径的中心
声束角度(斜探头)
使用直径50mm或直径3mm的孔，入射点对准刻度
使用3mm横孔，入射点对准最接近的刻度
声束偏离角
角反射最高峰时探头外壳与试块对应的角度
使用量角器和直边，取角反射最高峰时探头
时基线线性
多次25mm的间隔时间标线
多次25mm的间隔时间标线
时基线的校准
范围-延迟调整，91mm的纵波相对于50mm的横波
范围-延迟调整，91mm的纵波相对于50mm的横波
衰减器线性
调整3mm横孔回波幅度到满屏80％高度，然后加2dB，减2dB，6dB，18dB，24dB
调整1.6mm横孔回波幅度到满屏80％高度，然后加2dB，减2dB，6dB，18dB，24dB
屏高线性
维持两信号的比率，增加分贝值使较大信号以10％步幅增加
维持两信号的比率，增加分贝值使较大信号以10％步幅增加
脉冲持续时间
后壁回波峰值振幅的10％的射频信号脉冲持续时间
后壁回波峰值振幅的10％的射频信号脉冲持续时间
主频率测量
转换为时基线，使用来自半径或厚度的信号，1μs的周期计数
转换为时基线，使用来自半径或厚度的信号，1μs的周期计数
信噪比
设定3mm横孔波峰为10％全屏高度，移开探头，擦干探头，增加增益，直到噪声到10％全屏高度
设定1.6mm横孔波峰为10％全屏高度，移开探头，擦干探头，增加增益，直到噪声到10％全屏高度
超声相控阵检测校准试块的附加功能
楔块延迟－可以通过固定深度或固定距离决定，例如100mm的半径
栅瓣评估－通过横孔最浅深度偏轴响应与相同横孔主轴的波幅比较来评估潜在的栅瓣
激活晶片评估－当探头放在楔块或校准试块上，晶片设置为步进为1的E扫查，未激活晶片会在B扫或未修正的S扫查显示无振铃
E扫查的灵敏度同等化－使用横孔设定E扫同等灵敏度
S扫查的灵敏度同等化(ACG) －使用50mm或100mm 半径设定S扫查同等灵敏度
布局检查－S扫查中排成一线的3mm横孔位置可以提供一个位置输出精度和延迟法则产生的指示
晶片配置－单个晶片步进式E扫查会在倾斜表面有反射。带有折射的楔块提供斜面。对0度线性阵列(无楔块)，倾斜面是必须的，监测单调增加的后壁回波到达时间
各向异性评估－相对超声系统使用横波和压缩纵波的声速测量评估试块
ISO 参考试块
ISO 13588: 2012《焊缝无损检测 超声检测 自动相控阵技术的应用》中规定了不同的检验等级使用不同的参考试块。检测等级A级、B级和C级分别对应使用参考试块A、参考试块B和参考试块C。
参考试块的作用包括检测范围和灵敏度(TCG)设置、程序的演示及有效性评定。对于板厚介于6~25mm之间的试块，至少需要3个反射体。对于板厚大于25mm的试块，至少需要5个反射体。典型的反射体包括横通孔、刻槽和平底孔。
参考试块A
有3个不同长度的同一直径(与板厚相关)的横通孔。
图3：参考试块A结构示意
参考试块B
① 3个不同长度的同一直径(与板厚相关)的横孔；
② 表面槽；
③ 表面下4mm有一个直径2mm长度30mm的横孔。
图4：参考试块B结构示意
参考试块C
① 3个不同长度的同一直径(与板厚相关)的横孔；
② 表面槽：2个近表面槽(槽1和槽2)，2个远表面槽(槽3和槽4)，模拟焊缝坡口成像的槽5，如果规范有要求，还应有槽6和槽7两个表面横向槽；
③ 表面下4mm有一个直径2mm长度30mm的横孔。
图5：参考试块C结构示意
检测等级D级除了B级和C级试块的要求外，还要求增加反射体。同时要求使用同等母材、按照同样焊接布局、焊接材料和焊接方法制作特定的试块。
GB/T 32563中试块
GB/T 32563《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法》中包括两类试块：校准试块和模拟试块。
校准试块
(CSK-IA、CSK-IIA、CSK-IIIA或功能类似试块)用于声速、楔块延时、ACG、TCG的校准，也可用于灵敏度校准。当用于灵敏度校准时，推荐采用CSK-IIA试块。
模拟试块
用于检测灵敏度校准，验证检测工艺的有效性。模拟试块应与实际工件相近和相似，在检测区域设置直径2mm、长度40mm的横孔以及其他机械加工的模拟缺欠和焊接自然缺欠。
在附件B中，该标准给出了用于定位精度测试的试块。
ASME锅炉和压力容器规范第五卷中试块
ASME《锅炉和压力容器规范 第五卷：无损检测》中的第四章主要讲焊缝超声检测方法。其中提到两类试块：校准试块和模拟演示试块。
校准试块
相当于前文所提到的参考试块，主要用于设备线性、检测范围和灵敏度设置和验证。
演示试块
在规范第五卷第四章强制性附录Ⅸ中详细规定了演示试块的制作要求。包括材质、厚度范围、焊接接头形式以及反射体种类、数量和尺寸的要求，并要求根据编制的超声检测程序要求对缺欠进行分类和定量。
ASME《锅炉和压力容器规范案例》(2235)和《锅炉和压力容器规范案例》(2816)阐述了使用超声检测代替射线检测时的要求，其中规范案例2816适用于13mm＞厚度≥6mm焊缝检测，规范案例2235适用于厚度≥13mm的焊缝检测。演示试块应该通过热等静压方式处理和焊接。与其他标准不同，规范案例关注缺欠的高度以及缺欠高度与板厚的比值，并由此比值确定相应的可接受缺欠长度。规范案例并未指定反射体的类型，只是对缺欠尺寸有要求。规范案例没有给出具体的定量方法，要求在检测程序中做出规定，并按照此规定演示定量方法。用演示试板演示时，需要证实检测覆盖包括了整个焊缝体积和热影响区或案例中指定的宽度范围，另一目的是为了验证检测灵敏度和缺欠的发现和定量。
规范案例2816
演示试块要求有焊缝且至少有三个缺欠，内外表面各一个，一个内部埋藏缺欠，同焊缝熔合线平行。如果试块可以翻转，则只需要一个表面缺欠和一个埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根据板厚决定的最大允许尺寸，即此反射体是缺欠而不是缺陷。对于介于6~13mm的板厚，可以用线性插值法计算缺欠尺寸。
规范案例2235
演示试块要求有焊缝且至少有三个缺欠，内外表面各一个，一个内部埋藏缺欠，同焊缝熔合线平行。如果试块可以翻转，则只需要一个表面缺欠和一个埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根据板厚决定的最大允许尺寸，即此反射体是缺欠而不是缺陷。该案例按照不同壁厚范围(13~25mm，25~300mm以及大于300mm)，给出了不同的演示试块缺欠尺寸要求：
ASTM 校准试块
ASTM E 2491-2013《评估相控阵超声波检验仪器和系统性能特性的标准指南》并未给出设备和系统的具体参数要求，只是提供了评估的方法建议，具体性能要求由参与方共同决定。在附录中列举了一些性能的测试方法。
相控阵波束轮廓
第一块试块用横孔测试相控阵探头主动轴方向的波束轮廓，第二块试块使用阶梯状试块上的竖孔并用编码器监测行走距离来测试被动轴方向的波束轮廓。
图6：相控阵波束轮廓评估示意
相控阵波束偏转能力评估
波束偏转能力评估包括两方面的评估：固定声程波束偏转能力评估和单平面波束偏转能力评估。固定声程波束偏转能力评估选用如下图(a)所示的试块，单平面波束偏转能力评估选用如下图(b)所示的试块。
图7：相控阵波束偏转能力评估
相控阵晶片活性评估
使用来自ⅡW试块的25mm反射评估晶片活性。
相控阵聚焦能力评估
使用图6(a)所示的试块评估聚焦算法的有效性，以确定工作有效范围。
相控阵参数的计算机控制和数据显示评估
使用图7(a)所示的试块，设置两组聚焦法则，比较实际深度和角度的差别。
相控阵楔块衰减和延迟补偿
使用ⅡW试块100mm圆弧面补偿楔块延迟。使用ⅡW试块100mm圆弧面或者ϕ3mm横孔进行楔块衰减补偿。
相控阵设备线性评估
使用下图所示的相控阵设备线性试块评估屏高线性。使用ⅡW试块25mm厚度评估波幅控制线性。使用ⅡW试块25mm厚度评估时基线性。
图8：相控阵设备线性试块
超声相控阵检测试块作为检测系统中的重要组成部分，对检测结果的准确性和重复性有很大影响。
试块制作应符合相应标准或规范的要求，应明确试块上反射体的具体意义和使用方式。
只有依托这些试块，正确使用这些试块，并进行合理的相控阵检测设置，保证相控阵检测的有效实施，才能得到可靠的检测结果。
本文作者：丁兵，上海船舶工艺研究所高级工程师，主要从事无损检测科研、培训和工程检测工作。
节选自《无损检测》2017年第39卷第8期