基于小波包分解的不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測圖像修正

王麗英，劉國奇，陳振華，邱 林，孟貴云，李新蕾

（1.新疆科瑞檢測科技有限公司，克拉瑪依 834009；2.杭州華安無損檢測技術有限公司，杭州 310023；3.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

奧氏體不銹鋼焊縫常服役在高溫高壓、腐蝕、沖刷、放射性的惡劣環境下，是完整構件的薄弱區域。通過無損檢測方法及早發現焊縫缺陷及服役損傷是設備安全運行的重要保障［1－3］。超聲衍射時差法（超聲TOFD 法）具有檢測信息豐富、抗噪聲強、效率高、定位定量準確等優勢［4－5］。基于檢測A 信號按灰度級染色可獲得超聲TOFD 檢測圖像；其比單個A 信號更直觀，信息更豐富，缺陷特征更明顯。然而，不銹鋼焊縫組織對超聲波的強烈散射及衰減易導致衍射波微弱、噪聲強、信噪比低等問題；成像時出現模糊、變形、誤判、無法辨識［6］等問題。因此，從根源上說，提高不銹鋼焊縫超聲TOFD 成像質量應首先提高檢測信號的信噪比及時間分辨率。目前小波變換、模態分解、維納濾波等信號處理方法已經用于超聲檢測信號的處理與識別中［7－8］。

小波包變換依據噪聲信號在時頻域的不同特性改變時頻窗口尺寸，以較高的精度分析處理整個頻率范圍的細節信號，是應用廣泛的超聲無損檢測信號分析方法［9－11］。小波包分解技術將信號分解到特定尺度（頻率）范圍的同時，還能夠保持較好的時域分辨率，特別適用于按時差進行缺陷定位定量的超聲TOFD 檢測技術。

筆者分析了奧氏體不銹鋼焊縫柱狀晶組織對超聲TOFD 檢測信號的影響，采用三層小波包分解技術對檢測信號進行分析，并基于重構的分解信號進行灰度成像，取得了較好的結果。

1 試樣制備及試驗方法

檢測試樣為開90°V 型坡口、板厚35mm 的不銹鋼埋弧焊對接焊縫，試樣寬度為70mm，母材牌號為0Cr18Ni9Ti。按英國超聲TOFD 檢測的相關標準（BS EN 15617：2009），在垂直于試塊截面的焊縫中心軸上加工不同深度橫孔作為人工缺陷，橫孔直徑2mm、長度20mm。共加工兩塊試樣，如圖1所示。

圖1 試樣結構及檢測示意

為便于原始信號的提取及處理，試驗系統及成像軟件均自主開發研制。檢測探頭為中心頻率5 MHz，晶片直徑6.35mm，角度60°的超聲TOFD專用探頭。兩探頭按焊縫中心軸線對稱放置、探頭聲束入射點間距設為2S，如圖2（a）所示。不銹鋼焊縫中柱狀晶組織具有垂直于熔合線并朝焊縫中心生長的趨勢；隨著柱狀晶粒不斷接近焊縫中心，其生長方向亦趨于垂直焊縫上下表面［12］。試驗中焊縫金相圖顯示了不銹鋼焊縫各向異性的組織結構，如圖2（b）所示。由于焊縫金相結構的各向異性，分別從余高側和焊縫根部側提取檢測信號。

圖3為檢測探頭在焊縫余高側和焊縫根部側的檢測信號。試驗參數為：2S＝51mm、增益30dB，聲束交點在焊縫中的深度為15mm，聲束能以較大的能量覆蓋焊縫中兩孔。根據TOFD 定位公式可確定檢測信號的意義。

圖3 焊縫中橫孔的不同檢測面的超聲TOFD 檢測波形

式中：t為缺陷信號的時間位置；2S為探頭聲束入射點間距；d為目標缺陷深度；c為縱波聲速5 850m／s；t0為探頭延遲。

此處t0＝2.7μs；按式（1）可確定試樣1中兩橫孔衍射波的時間位置分別為14.6，17.9μs，與試驗提取的檢測波形一致，如圖3所示。

定義信噪比R為：

式中：SNMAX為噪聲最大幅度；SFMAX為缺陷衍射波最大幅度。

據圖3及式（2）可得兩種探頭布置情況下的缺陷衍射波幅度及信噪比，如表1所示。余高側入射聲波的衰減非常大，其孔衍射幅度比從根部入射時小得多；余高側入射聲束遭遇到的柱狀晶散射更為嚴重，其信噪比也小于從根部入射的情況；從余高側檢測的信號難以確認孔1的衍射波位置。由于焊縫組織的各向異性導致了根部側的檢測效果比余高側檢測時好得多，究其原因應是余高側檢測時聲束與柱狀晶生長方向的夾角（≤90°）比根部檢測時大得多；此夾角越大，檢測聲束受層片狀柱狀晶的衰減和散射越強、信噪比越低；因此，后續試驗的檢測面均定為焊縫根部側。

表1 探頭兩種布置方式下的檢測效果對比

2 焊縫超聲TOFD信號分析

將檢測探頭布置于焊縫根部側，參數設置同上節，探頭沿著焊縫方向運動進行D 掃描成像。掃描經過無缺陷焊縫、試樣2、試樣1（為便于成像對比，試驗中將3塊試樣拼合在一起），如圖4所示。由圖可見，圖中能夠顯示試樣1的兩個橫孔缺陷及試樣2中部橫孔缺陷（白色箭頭），但掃描圖中包含了大量的噪聲紋路，特別是完好焊縫15.75μs處包含了大量的噪聲波紋、容易出現誤判；此外，橫孔缺陷特征圖像也出現了明顯的形狀扭曲，給缺陷評價造成了干擾。

圖4 不銹鋼試樣焊縫的超聲TOFD 成像

小波包變換在表示信號時頻特征時具有自適應性，在將原始信號分解到確定的尺度（頻率）范圍的同時還能保留較精確的時域信息。由于TOFD 法通過特征信號的時間差來測深定高，因此按尺度（頻率）分解的時域信息的準確與否是至關重要的。參照圖4提取試樣1（118mm 位置）、試樣2（62mm 位置）的缺陷檢測信號中，存在噪聲干擾，表現在灰度圖上為大量的波紋圖形，如圖5所示。

圖5 試樣1，2的典型缺陷檢測信號

對缺陷檢測信號進行三層小波包分解，獲得頻率范圍由低到高的8個分解信號D1～D8并計算其能量，如圖6（a）所示。分解信號D1、D2占原始信號能量的98%，含有大量的缺陷信息。圖6（b）、（c）分別為兩缺陷信號在第三層分解中的最低頻分解信號。

根據圖5，6 計算原始信號與對應的分解信號D1的缺陷信噪比；對于試樣1計算了16μs附近和19μs附近的信噪比，對于試樣2僅選取19μs的噪聲計算信噪比。表2 顯示：該分解信號D1 與原始信號相比，信噪比有一定提高；更為重要的是，濾波后信號的高頻噪聲顯著降低，由此圖像的干擾波紋將大大減少。

圖6 缺陷信號的小波包分解

表2 濾波前后典型缺陷衍射信號的信噪比

3 信號重構及圖像分析

TOFD 成像按A 信號的幅度及相位進行灰度染色，范圍從純白色到純黑色：純白色表示正相位滿屏幅值、幅度為零時為中間灰色、負向滿屏幅值為純黑色。基于分解信號D1、D2分別進行灰度成像，如圖7所示。與圖4顯示的原始圖像相比，基于分解信號D1成像的焊縫超聲TOFD 檢測灰度圖的質量得到了較大改善，白色箭頭所示的橫孔缺陷圖像如圖7（a）所示。圖7（a）的波紋干擾圖像明顯降低，突出表現為完好焊縫中疑似缺陷波紋被濾除（24.8mm位置），避免了誤判；由于分解后的信號保持了準確的時域信息，橫孔缺陷圖像的扭曲變形也得到了很大改善。圖7（b）顯示的是基于D2成像的焊縫TOFD 檢測灰度圖；該分解信號能量較高，但其受到的結構噪聲的影響非常大，除試樣1中孔1能夠較明顯分辨外，其余缺陷淹沒于噪聲波紋中而難以分辨。

4 結語

（1）在奧氏體不銹鋼焊縫上選擇合適的檢測面及探頭角度，減小柱狀晶生長方向與聲束入射方向的夾角（≤90°）有利于降低衰減、提高信噪比。在焊縫根部側布置探頭能較好地發現焊縫中直徑2mm的橫孔。但由于噪聲依然顯著，超聲TOFD 灰度圖中分布大量干擾波紋、容易誤判且缺陷特征圖像出現了扭曲和變形，不利于檢測結果的評定。

（2）對基于三層小波包分解信號中最低頻率范圍的分解信號D1進行灰度成像，有效地降低了焊縫超聲TOFD 檢測圖像的干擾波紋，同時橫孔特征圖像的扭曲與變形也得到了較好的修正。

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