常规超声检测是用固定的折射角45°、60°和70°进行扫查的，而超声相控阵检测则在一定角度范围内进行扫查。通常，超声相控阵横波检测的扫查范围为35°～75°，纵波检测的扫查范围为20°～75°。因为一次相控阵扫查就能覆盖所有角度，并实时显示检测图像，所以实时进行角度扫查很重要。实时图像是在超声检测试样时由多角度显示直接叠加而成的。

常规超声探头的选择只根据尺寸和频率。超声相控阵检测要分探头参数和仪器参数。探头参数包括发射窗口、频率、阵元尺寸和波长等；仪器参数包括扫查范围、扫查分辨力和焦深等。相控阵检测参数的选定目的是要尽可能获得最小焦点。

1.焊接接头的检测

由于超声相控阵检测可以灵活、便捷地控制超声波声束的入射角度和聚焦深度，因此各种取向的缺陷都很容易利用超声相控阵检测技术检测出来。超声相控阵检测技术已被成功应用于各种焊缝检测，如航空薄铝板摩擦焊缝的微小缺陷检测、核工业和化工领域中的奥氏体焊缝缺陷检测以及管道环焊缝的检测。在用超声相控阵探头对焊缝进行横波斜检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地前后来回移动，焊缝长度方向的全体积扫查可借助于装有超声相控阵探头的机械扫查器，沿着精确定位的轨道滑动，以实现高速检测。

管道环向焊接接头的检测使用线阵探头。目前使用的线阵探头中可以包含64晶片、128晶片、168晶片或256晶片。检测探头与被检表面应充分接触耦合。当更换检测管道规格（即管道的直径和曲率发生变化）时，只要通过计算机设置探头中各晶片的延迟时间，就可改变声束的角度和焦距，以保证声束的正确入射和可靠检测。

当利用超声相控阵检测技术检测纵向缺陷和横向缺陷时，一般采用3.5MHz的检测频率，在做测厚和分层检测时也大体如此。当被检管道的壁厚较小时，可采用5MHz或更高的检测频率。例如，在长输管道的检测中，可采用自动化相控阵检测系统，选择探头频率为4MHz，阵元数为64，阵元尺寸为1.2mm×1.2mm，阵元间隙为0.05mm，整个晶片尺寸为80mm×12mm，楔块角度为34°。

管道环向焊接接头扫查方式如图10-28所示。

图10-28 管道环向焊接接头扫查方式

管道环向焊接接头采用超声相控阵扫查的结果如图10-29所示。

图10-29 管道环向焊接接头采用超声相控阵扫查的结果

2.飞机蒙皮的检测

航空航天工业有许多复合材料要进行无损检测，如检测起源于铝合金飞机蒙皮铆接孔的划痕和裂纹等。特别是当缺陷方向倾斜时，超声相控阵检测更能显现出普通超声检测所不具有的巨大检测优势。

采用便携式超声相控阵探伤仪，用正交电子束线扫描，探头阵列数为32，阵距为1mm，频率为5MHz（实际上，64阵元、0.6mm阵距的探头能给出更优的分辨率），阵元组设定为5，A扫描、C扫描并举。飞机蒙皮扫查位置如图10-30所示。

图10-30 飞机蒙皮扫查位置

在每个重复脉冲周期里，在晶片电子扫查过程中同时被激发和接收的组，按预定程序无需光栅移动，就能全面覆盖被检区域。

若探头沿着与晶片排列垂直的方向移动，并由一个编码器配合记录行程，则可以完成超声相控阵C扫描检测。与传统的C扫描相比，其效率高得多。在波音787飞机中，由于没有铆钉连接蒙皮，因此在检测中难以判断是缺陷的影响还是复合材料机身内部结构的影响。可以在机身外采用该方法查明内部结构，这样既快速又高效。目前应用该方法，还可以在飞机上查找蒙皮搭接处的内部腐蚀。飞机蒙皮扫查结果如图10-31所示。

图10-31 飞机蒙皮扫查结果

a）横向线性扫描 b）横向扇形扫描

3.汽轮机叶片的检测

在电力工业设备及装置中，厚壁工件、粗晶材料和复杂形状的工件较多，应用超声相控阵检测技术可提高检测效率，扩大超声检测应用范围，取得良好的经济效益和社会效益。由于汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的结构限制，因此其难以用普通单一探头进行超声检测。而相控阵换能器可在不拆卸叶片的条件下进行检测，既能提高检测效率，又避免了损坏。其最大特点是检测信噪比高，且只需1个相控阵换能器就可检测到不同深度的缺陷。(www.daowen.com)

叶片根部应力腐蚀裂纹的检测和定量涉及3个问题：检测数量多，停车费用大，接近部位有限。在对其进行检测时，要求必须检出1mm高、3mm长的缺陷（通常指裂纹），且缺陷位置、范围有变化。当采用便携式超声相控阵探伤仪（PPA）检测时，要优化阵列设计，以优化检测结果。

采用较高频率（6～12MHz）阵列探头可在移动量最少的情况下，对其进行有效检测。可采用5MHz，16晶片，16mm×16mm，楔块角度为60°的相控阵探头。扫查时令声束横波进行30°～60°的扇形扫查，为保证检测精度，选择1°，为保障全面检测，探头沿圆周轴向做机械扫查。

叶片相控阵扫查示意图如图10-32所示。叶片相控阵扫查结果如图10-33所示。

图10-32 叶片相控阵扫查示意图

图10-33 叶片相控阵扫查结果

4.氢损伤的检测

大量事故分析表明，氢损伤是化肥企业高压厚壁钢管粉脆性爆炸的主要原因之一。氢致裂纹属于面积型缺陷，且裂纹细小，不易与照射方向一致，用X射线检测很容易造成漏检；若用涡流检测，则检测信号易受磁导率、电导率、工件的几何形状、探头与工件的位置及提离效应等因素的影响，检测效率低，且无法对内表面进行有效检测。

高温氢损伤前期为鼓包，即使发展到后期，也只能在高倍显微镜下发现，更无法检测出初期裂纹，而且只有当宏观裂纹出现，即裂纹尺寸大于1mm时，利用常规超声波才能将其检测出来。氢脆则是因为在低应力作用后，经过一段孕育期，在内部产生裂纹，裂纹在应力的作用下进行亚临界扩展，而金属内部存在异常晶粒、夹杂，也可能造成应力变化，常规超声波法无法将其有效识别出来。

依据检测工艺，采用的检测参数为：发射窗口为16mm，探头频率为5MHz，阵元尺寸为64mm，波型为横波；扫查范围为-35°～75°，扫查分辨率为0.5°。

某化肥厂合成工段高压管道参数为：规格为ϕ273mm×40mm，材质为20钢，操作压力为25.5MPa，操作温度为-2℃，操作介质为H₂、N₂、CH₄、NH₃等。高压管道超声相控阵检测结果如图10-34所示。

图10-34 高压管道超声相控阵检测结果

对用超声相控阵检测到的缺陷部位进行解剖试验，发现上述检测区域存在微裂纹，如图10-35所示。其中，金相和扫描电镜分析，发现内、外壁不同程度地存在渗碳体析出及珠光体分解，而且内壁比外壁严重。

图10-35 超声相控阵检测区域微裂纹

5.法兰盘腐蚀的检测

要求在不拆卸螺栓的情况下，检出密封垫下的法兰腐蚀。由于从管子表面进行扫查，因此探头移动范围有限，常规超声检测的角度不好选则。

采用便携式相控阵探伤仪检测，用16阵元相控阵斜探头，探头频率为16MHz，检测时将其置于接管斜面上，令声束对法兰面在30°～85°范围内进行扫查。为确保探头固定就位，使声束充分覆盖被检区，检测时可用导轨。法兰密封面超声相控阵检测示意图如图10-36所示，检测结果如图10-37所示。

图10-36 法兰密封面超声相控阵检测示意图

图10-37 法兰密封面超声相控阵检测结果