相位式陣列(Phased Array)超音波檢測技術的應用與發展：材料世界網

相位式陣列(Phased Array, PA)超音波技術於1980年代初期從醫學領域逐步地轉移到工業範疇，到1980年代中期，為因應複雜的陣列式探頭而發展出的壓電複合材料使相位式陣列式探頭的製作技術趨於成熟。在1990年代初期，相位式陣列技術併入超音波技術手冊及訓練手冊中成為新的非破壞評估方法(Non-destructive Evaluation, NDE)以提供工程人員參考，從1985至1992年，主要之應用係與核能壓力容器(噴嘴)、巨型鍛造軸件以及低壓汽機組件有關。壓電複合材料技術、微加工、微電子以及電腦計算能力(包括探頭設計與波束合成交互作用模擬軟體)之進展，皆對1990年代末期相位式陣列技術的創新發展有所貢獻，並在二十一世紀之始臻至成熟。

隨著電腦性能的提升，也發展出實用的軟體。相位式陣列超音波技術在非破壞檢測應用的發展主要受到一般性設備與發電設備之特殊檢測需求所激發，這些檢測需求包括(1)降低儀器設定及檢測所需之時間，減少檢測人員輻射暴露、(2)探頭之電子式掃瞄結合掃瞄器之機械式掃瞄，提高掃瞄檢測可靠度、(3)波束可涵蓋一般壓水式/沸水式反應器組件難以檢測之區域、(4)檢測結果易於解釋、量化、(5)在固定位置使用單一探頭檢出位於不同深度的任意方向裂縫、(6)改善異質金屬銲道與離心鑄造不銹鋼銲道中瑕疵訊號之訊雑比與瑕疵尺寸的度量能力、(7)檢測與度量具複雜幾何形狀之汽機組件中微小的應力腐蝕裂縫及(8)提高缺陷之檢測、度量、定位以及判斷其方向之精確度。

相位式陣列超音波檢測技術的原理及特點
非破壞檢測技術中所謂的超音波乃彈性介質(試件)中之機械波傳送現象，此機械波係藉由電壓激發壓電晶片探頭而產生，典型的超音波頻率範圍從0.1 MHz至50 MHz，大部份工業應用之頻率範圍則介於0.5 MHz及 15 MHz之間。傳統超音波檢測使用單晶探頭，波束隨傳送距離發散，在某些應用場合改用雙晶探頭或單晶聚焦式探頭來降低死區的影響並提高缺陷鑑別力，而這些傳統的檢測法皆以固定的折射角來傳送超音波。以固定折射角掃瞄的檢測與度量能力對於無特定方向的缺陷會有所受限，所以有些規範會要求以不同的折射角來作輔助檢測以提高檢出機率。如果被檢物之幾何形狀複雜、厚度很大或者是探頭之掃瞄空間受限時，檢測問題就會顯得更困難。為了解決這些檢測問題，具有波束聚焦能力的相位式陣列多晶(multicrystal)探頭之需求因應而生，如圖一所示。

圖一、(左)單晶固定折射角的探頭檢測時需使用不同角度的探頭並掃瞄檢測；(右)線性陣列探頭可利用各種折射角的聚焦波束來掃瞄而不需探頭移動

當單一塊狀晶片被切割成很多個別的元件，各元件之間距(pitch)小於其長度很多(e<W)，則各小晶片或元件可被視為產生柱狀波的線狀波源，而這些小元件組合成新的探頭時，其波前(wavefront)會互相建設性或破壞性干涉而產生新的波前，如圖二所示。延遲激發這些小波前使其在相位上同步來產生新波束，此乃基於建設性干涉的新波前，因而成為具有操縱偏折角度能力的超音波聚焦波束。

圖二、激發期間適當的電子控制延遲，各小件依豪更斯原理產生之柱狀波互相干涉而產生新的波前

相位式陣列超音波技術之主要特徵是以電腦控制延遲不同的時間來激發多元件探頭中之個別元件，壓電複合元件受激發後可產生事先規劃之參數，例如折射角及焦距等。欲產生建設性干涉，各波前必須在相同的時間到達干涉點，如圖二所示，欲達成此效應則必須要求探頭中各作動元件在預定的次序以極小時間間隔完成音波發射，如圖三及所示。來自聚焦點之回波以不同的時間打到各換能器(transducer)元件，換能器元件所接收的訊號在相加之前先作時間偏移處理，相加後即得到可強化來自聚焦點之A-scan訊號，而衰減來自材料中其它點的回波訊號。各元件之時間延遲視相位式陣列探頭之波式、折射角與聚焦深度而定。在此強調，相位式陣列技術並沒有改變超音波之物理特性，僅是改變產生與接收訊號的方法而已。

圖三、垂直(圖左)與傾斜(圖右)入射之波束聚焦原理

相位式陣列超音波技術的幾個主要特性包括(1)速度快：相位式陣列技術允許電子式掃瞄，故檢測速度較傳統的方形掃瞄(raster scan)快很多；(2)高彈性：傳統的超音波檢測技術必須因應特殊應用場合而選擇合適的探頭，而單一相位式陣列探頭則可使用於廣泛的應用場合；(3)電子式設定：僅藉由下載已建立之相對應的參數設定檔案即可完成不同的檢測參數之設定；(4)小的探頭尺寸：對於某些應用場合，探頭掃瞄空間受到侷限，而一個小的相位式陣列探頭即可提供相當於多個傳統探頭的效果；(5)複雜的檢測：相位式陣列可被程式化以檢測幾何形狀複雜的組件，相位式陣列也可被程式化以執行特殊的掃瞄，例如多角度TOFD、多波式(multimode)等；(6)可靠的缺陷檢測：相位式陣列利用聚焦波束可提高檢測訊雜比，而相位式陣列的多角度偏折功能(S-scan)則可提高缺陷檢出機率(Probability of Detection, POD)；(7)呈像：相位式陣列提供嶄新且獨特的呈像方式，使檢測人員更容易解釋與分析檢測結果。

實例檢測應用－異質金屬銲道及離心鑄造不銹鋼檢測
異質金屬銲道係用來連接壓水式反應器噴嘴(低合金碳鋼)至反應器冷卻管路(不銹鋼)，如圖四所示。2000年10月7日，美國位於南卡(south Carolina)之核能電廠Virgil C. Summer，其反應器冷卻系統(Reactor Coolant System, RCS)位於“A” loop hot leg nozzle-to-pipe之銲接部位產生洩漏現象，組件結構及材料為異質金屬銲接組件，噴嘴為SA-508低合金鋼鍛材，管件為304不銹鋼。此洩漏事件在異質金屬銲接組件發現有二組裂縫，一組經由噴嘴內壁(ID)經由Buttering至低合金鋼與Buttering之交界處，屬周向裂縫，另一組為軸向裂縫，如圖五所示，由管內壁沿銲接部位之熱影響區穿越銲道及Buttering部位。

圖四、(a)西屋式設計電廠之典型Alloy 82/182對接銲道位置；(b)主冷卻系統中之鑄造不銹鋼材料

圖五、V.C. Summer 對接銲道，軸向裂縫由管內壁沿銲接部位之熱影響區穿越銲道及Buttering部位

鎳基合金銲道組件，係以鎳基合金銲材連結低合金碳鋼(具ferrite phase)之反應器壓力容器噴嘴以及不銹鋼(具austenitic phase)管件，此種結構對核電廠營運中檢測(In-service Inspection，ISI)所要求之非破壞檢測技術，例如：超音波檢測(Ultrasonic Testing, UT)，造成檢測上的困難，使得缺陷之偵測率以及尺寸判斷之精確度均偏低。上述檢測上之困難點，主要為下列因素：奧斯田鐵系金屬銲材在材質上具非等向性(anisotropic)特性；銲道之幾何形狀；材料界面，例如銲材／不銹鋼材(熱影響區)，銲材／Buttering材，以及碳鋼／Buttering材等。以上因素造成音波的散射、反射和折射。由於異質金屬銲道之缺陷大都生長於銲材中或材料界面區域，因此，對於超音波訊號是否來自裂縫、幾何結構或是材料冶金界面上之反射源，在辨識上需要相當高之經驗與技術。由於異質金屬銲道之母材、銲道、Buttering或覆銲層之膨脹係數與音阻抗不同之故，使其易產生裂縫。一般而言，異質銲道之母材為細晶粒肥粒鐵系鋼材，具有等向性，而銲道/Buttering/覆銲層為Inconel/奧斯田鐵系不銹鋼，具有非等向性，銲接過程中柱狀晶粒將沿著熱流路徑於冷卻期間成長，超音波在行進穿越此類非等向性材料時可能會造成路徑之偏折，導致缺陷評估之困難度提高。

鑄造不銹鋼(Cast Stainless Steel, CSS)因具高強度以及較佳的防蝕、銲接性、低成本，因此廣泛使用於壓水式反應器中主冷卻系統之管路、閥門以及幫浦，見圖四(b)。鑄造不銹鋼由於熱與輻射機制兩者之故會造成脆化現象並產生疲勞裂縫，熱老化(thermally-aged)較可能劣化的位置主要是在銲道，通常採用超音波來檢測這些銲道。鑄造不銹鋼會因為固化、晶粒成長及其它製程參數的影響而形成各種粗晶微結構(coarse-grained micro-structure)，例如柱狀(columnar)或樹枝狀(dendritic)，其結構視化學成份與冷卻過程的控制而定。粗晶微結構會嚴重影響超音波之行進，因其導致音波能量嚴重衰減與散射，當波束在晶界發生反射與散射時將導致瑕疵之錯誤指示或瑕疵未被檢出，影響超音波在材料中的穿透能力且降低訊雜比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)，使得缺陷難以檢測。並且，鑄造不銹鋼之柱狀微結構使其成為異相性材料，導致波速變化及波束路徑轉折，使得缺陷定位不準。

表一為以相位式陣列探頭檢測離心鑄造不銹鋼(CCSS)試塊各反射體所得到之訊雜比，其中包括試塊中所有的側鑽孔(軸向、周向)、所有內壁之凹槽(軸向、周向)以及試塊邊緣之角隅反射(軸向、周向)，圖六、為側鑽孔及內壁凹槽之S-scan影像。結果顯示，採用PA技術可100%檢出所有之人工缺陷，而且可看到凹槽的根部與頂部訊號，亦即具有度量凹槽深度的能力，由表一中可看出檢測訊雜比在20dB以上，明顯提升了對於CCSS材料之檢測可靠度。

表一、以相位式陣列超音波檢測CCSS試塊所得之結果