1.    背景

螺栓：机械零件，配用螺母的圆柱形带螺纹的紧固件。由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。这种连接形式称螺栓连接。如把螺母从螺栓上旋下，又可以使这两个零件分开，故螺栓连接是属于可拆卸连接。

在现代工业领域大量使用螺栓进行紧固连接，包括桥梁、风电、高铁等许多关键部件的连接。其中还有一些是带中心孔的螺栓，而这些带中心孔的螺栓检测成为螺栓检测中的难题。

本课题尝试通过环阵相控阵探头对螺栓进行裂纹检测，从而解决了中心孔对检测的影响。

2.    实验方法

主机：Omniscan X3
探头：5D26-12-64
试块：螺栓试块带刻槽缺陷，刻槽位置为距螺帽表面20mm（在螺帽与螺杆交界处），80mm，140mm，刻槽深度1mm。

3.    实验结果

3.1    使用环阵探头+相控阵线扫的检测结果

先看激发8个晶片的检测结果，其中20mm处螺帽与螺杆交界处的刻槽缺陷检测结果如下。

缺陷深度21.89mm。

80mm处的刻槽缺陷检测结果如下，缺陷位置深度78.89mm。
 

140mm处的刻槽缺陷检测结果如下，缺陷位置深度138.17mm。
 

其他条件不变，改变一次激发晶片数量至4个晶片的检测结果如下，较浅的20mm和80mm缺陷较清晰，但140mm处的缺陷信号比较弱。
 

改变一次激发晶片数量至2个晶片的检测结果如下，此时几乎无法发现140mm处的缺陷信号。
 

而如果增加一次激发晶片数量至16个晶片的检测结果如下，140mm处的缺陷信号更加清晰，但由于晶片环形排列，16晶片跨越的弧度较大，无法有效形成聚焦，因而信号被拉长放大。这与线阵探头的信号成像规律刚好相反。
 

如果增加一次激发晶片数量至32个晶片的检测结果如下，此时由于32晶片跨越了一半的晶片宽度，也就是整个半个圆弧的晶片都被激发，此时由于这32个晶片不在一条水平线上直线排列，而是半圆弧型排列，声束无法聚焦，信号变形严重，也几乎无法发现140mm处的缺陷信号。
 

小结

由上面的线扫检测结果可知，当使用8个晶片进行螺栓检测时可以得到相对更好的检测结果，而使用更少的晶片激发时，由于激发晶片过少，声束穿透能力降低，检测更深的缺陷的能力变弱；而使用更多的晶片激发时，由于激发晶片增加，导致晶片由于不在一条直线上而造成聚焦能力反而降低，信号被拉长放大。

3.2    使用全聚焦的检测结果

使用全聚焦技术同样可以发现这些刻槽缺陷，且深度和位置与实际一致，缺陷信噪比较好。
 

但由于该试块是不带中心孔的螺栓试块，所以需要考虑如果检测带中心孔的试块可能对全聚焦声束合成造成的影响。

3.3    使用线阵探头扇扫的检测结果

使用线阵探头，并使用扇扫同样可以发现这些缺陷，但如果要发现20mm位置的螺帽与螺杆交界处的刻槽，则需要使用楔块以增大进入螺栓的入射角，且该刻槽缺陷与螺帽的边缘底面信号很接近，比较难分辨。
 

如果想检测80mm和140mm位置的缺陷，则需要使用不带楔块的方式，以避免由于楔块的固有回波影响检测结果。

下面是80mm和140mm位置缺陷的检测结果，需要强调的是这两个缺陷无法在一个位置被发现，需要旋转探头才能够被发现。
 

4.    总结

检测方法比较

（1）    使用环阵探头+线扫方式，可以有效检测出试块上的缺陷。针对此环阵探头，使用8个晶片激发可以得到最优化的检测效果。

（2）    使用环阵探头+全聚焦方式，同样可以有效检测出试块上的缺陷，且其信噪比较高。

（3）    使用线阵探头+扇扫方式，可以检测出试块上的三个缺陷，但对于20mm位置的缺陷需要使用楔块，而对于80mm和140mm的缺陷需要卸掉楔块，也就是说需要二次检测。同时需要旋转探头以覆盖360°方向上的所有缺陷。


环阵探头相比于线阵探头的优势：


（1）    环阵探头无需旋转即可发现所有角度上的缺陷，而线阵探头需要旋转至少180°才能发现所有角度上的缺陷。

（2）    环阵探头无需使用楔块即可发现近表面的螺帽与螺杆连接区域的缺陷，而线阵探头需要使用楔块来增大偏转角度才能发现此处的缺陷。

（3）    环阵探头可以检测中间带孔的螺栓，而线阵探头检测中间带孔的螺栓信号会受到阻挡，而导致不可检。