雙全法檢測焊縫典型缺陷圖譜解讀

李 衍

(無錫市承壓設備學會NDT專委會，無錫 214026)

繼超聲波衍射時差法(TOFD)和相控陣超聲檢測(PAUT)技術之后，基于計算機成像技術(CITs)的FMC和TFM技術(全矩陣捕獲和全聚焦法，簡稱雙全法)已于2019年進入國際權威法規。如ASME BPVC.V-2021 《鍋爐及壓力容器規范 無損檢測》的第四章《焊縫UT》增補了兩個新附錄，分別為強制性附錄Ⅺ 《全矩陣捕獲》 和非強制性附錄F 《焊縫全矩陣捕獲法檢測》。2021年初，國際標準化組織(ISO)也已發布兩個國際標準：ISO 23865:2021《無損檢測 超聲檢測 全矩陣捕獲/全聚焦技術(FMC/TFM)和相關技術的一般用法》 和ISO 23864:2021 《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動全聚焦技術(TFM)和相關技術的使用》。

全聚焦法主要有4大要領。

(1) 選對探頭。探頭參數包括陣元數、芯距、陣元寬高、頻率等，大聲闌(陣元芯距×陣元數)探頭應加較高頻，適于深位置聚焦；小聲闌探頭應加較低頻，適于近表面聚焦。

(2) 用對建模。針對要檢測的缺陷類型(面積型、體積型)、方向(定向、無向、縱向、橫向)、位置(表面、內部)等，選用聲影響圖(AIM)建模工具進行優化掃查。

(3) 選對工具。應選用用具有高強波幅保真度(AF)和包絡算法的軟件；AF應不大于2 dB，以提高定量準確度，改善缺陷表征。

(4) 合理布置。掃查路徑的合理布置包括直接波程、間接波程和自串列波程，其目的是確保焊縫被檢位置的體積全覆蓋，善用融合波程有利于識別幾何偽影和缺陷偽影。

文章首先回顧雙全法檢測原理，概述其新工具特征，而后就承壓設備焊接接頭典型缺陷的雙全法成像圖譜進行解讀。

1 雙全法原理

全聚焦法基于與常規相控陣超聲檢測相同的轉向和聚焦法則，可在關注區(“TFM”區)處處聚焦。

超聲檢測使用的聲波一般是線性的，也就是發射和接收(波束成形)特定波束的聲波，其物理疊加可通過采集后求和來得到。為進行與實際波束成形相對應的TFM合成波束成形，需從探頭的發射聲闌與接收聲闌獲取所有基本A掃描信號。利用整套基本A掃描數據集來計算所有聚焦波束。

1.1 全矩陣捕獲(FMC)

該方法由全矩陣捕獲聲學采集獲取數據集。FMC數據集由接收到的所有基本A掃描組合集成，而這些A掃描信號來自相控陣超聲探頭每一陣元發射的聲波。該方法涉及探頭各陣元聲波從“一發全收”至“全發全收”的過程。

任何波束形成法均可用于FMC數據集。可使用原始FMC數據(基本A掃描)合成仿真常規相控陣超聲采集數據，但PAUT波束形成法僅將波束聚焦于試件某精確位置上，而TFM可顯示整個關注區(TFM區)上的波幅，且關注區內每個像素位置均能被聚焦。利用TFM處理FMC數據的主要目的是獲取關注區全聚焦的潛能。相同的FMC數據集可作為呈現不同波集的多個TFM圖像的來源。

1.2 全聚焦法(TFM)

首先，操作者輸入界定TFM區參數，即界定檢測目標區或關注區(ROI)，ROI區及界定原理如圖1所示 ，圖中P(水平距離)為-1212 mm，D(深度)為-0.0115 mm。將TFM區分成網格狀，網格中每一位置(或像素)的大小決定了網格分辨率。為使FMC數據具有意義，TFM算法要輸入關鍵變量(如聲傳播模式和分辨率)，并將數據分成波集或波組。TFM波集表示超聲波從發射陣元到TFM區再到接收陣元的波程，該波程與一次波或二次波波型(橫波或縱波)相關。如TTT波集作為脈沖橫波，到達接收陣元前會有兩次反射(一次底面反射，一次缺陷反射)，該情況下的聲傳播模式和聲成像路徑如圖2所示，圖中TT-T和T-TT模式的波程相同，波向相反(T為橫波，L為縱波，TT-T為間發直收，T-TT為直發間收)。

圖1 ROI區界定原理示意

圖2 聲傳播模式和聲成像路徑示意

2 聲影響圖的應用

聲影響圖(AIM)是業界最新開發的一種半解析模型，可用于預測針對無向缺陷與定向缺陷的全聚焦法檢測波幅靈敏度。對涉及多個界面相互作用和波型變換的復雜聲程，聲影響圖有助于檢測人員完善掃查布置，提高最終TFM圖像的信噪比和缺陷檢出率。

通常，定向缺陷與非定向缺陷散射的聲影響圖是不同的。非定向散射體包括焊縫中的夾渣、氣孔等體積型缺陷；而定向散射體包括焊縫中的未熔合和裂紋等平面型缺陷。平面型缺陷的定向散射特性是一個重要參數，而在相控陣換能器系統的建模中，該參數往往被忽略。

為計算聲影響圖，資深專業團隊研發了一種基于聲線的半解析聲學模型，用于計算脈沖回波、自串列和二次反射TFM檢測模式的發、收雙向聲壓特征值。該聲學模型考慮了聲波透射系數、反射系數、幾何波束擴散和材料衰減的影響。另外該模型還使用瑞利-佐默費爾德(Rayleigh-Sommerfeld)積分對平底孔遠場散射響應進行建模(平底孔散射響應用于模擬定向缺陷)。

為證明該聲學模型的實用性，筆者針對如何將理論聲影響圖用于選定的TFM檢測模式給出了實用示例。某被檢試件坡口形式為V型，內含已知未熔合缺陷，坡口角度為35°，檢測所用的探頭型號為5L32-A32，楔塊型號為SA32-N55S-IHC。坡口未熔合缺陷檢測布置如圖3所示。該模型用φ5 mm的斜向平底孔模擬坡口面未熔合，孔底面與試塊底面垂線夾角為35°。其自串列(TLT)模式和二次反射(TTTT)模式的理論聲影響圖如圖4所示。

圖3 坡口未熔合檢測布置示意

圖4 坡口未熔合檢測理論聲影響圖

由圖4可知，與二次反射TTTT模式相比，自串列TLT模式的聲影響圖頗不規則。顯然，用TLT模式獲取坡口未熔合尺寸的穩定測評值難度較大；且TLT模式預期波幅要比二次反射模式的波幅低3個數量級(因為TLT模式中，L是變型波)。因此，二次反射TTTT模式是首選的TFM成像模式。兩種傳播模式下坡口未熔合缺陷的TFM檢測圖像如圖5所示。

圖5 兩種傳播模式下坡口未熔合缺陷的TFM檢測圖像

由圖5可知，二次反射模式的TFM圖像信噪比高，能對坡口未熔合尺寸給出清晰的測量值。相比之下，自串列TFM圖像信噪比較低，圖像中包含分離回波，難以解讀。分離回波很可能是未熔合缺陷尖端的衍射回波。可見，自串列模式難以測評缺陷的類型和尺寸。

總之，用聲影響圖可準確預測非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅圖。對給定的檢測聲傳播模式，AIM可用于調整掃查布置(聲闌、掃查頻率、探頭位置等)，以優化信噪比和缺陷檢出率。該模型可提供不同聲傳播模式下的相對波幅比較，因此也可用于選擇最佳TFM重建模式。

3 TFM包絡圖的應用

3.1 包絡原理

TFM包絡由兩個不同TFM圖像的范數計算求得。第一個TFM圖像采用標準采集的全矩陣捕獲(FMC)計算，而第二個TFM圖像采用希爾伯變換的FMC計算。所得TFM包絡圖像更利于基于波幅的定量方法。在相同網格分辨率下，TFM包絡圖像比標準振蕩的TFM圖像波幅調整更穩健。故相對于標準振蕩TFM，可為TFM包絡設置較低的網格分辨率，從而減少計算工作總量，并最終提高數據采集速率。圖6為包絡功能啟用前后同一橫孔的TFM圖像，圖6(a)波幅為全正值，網格分辨率為0.08 mm(λ/8.1)，最大波幅為108.7%;圖6(b)的網格分辨率為0.16 mm(λ/4)，最大波幅為122.6%。

圖6 包絡功能啟用前后同一橫孔的TFM圖像

3.2 包絡優勢

TFM包絡法可移除圖像中的信號振蕩，能使最大波幅測量更穩定(見圖6)，而采集效率的提高得益于TFM包絡的使用，因為包絡要求降低網格分辨率，即增大相鄰兩像素間距(與標準TFM相比，仍具有相同波幅穩定性)。如當網格分辨率為λ/4時，TFM包絡就足以具有與標準振蕩TFM(分辨率為λ/8)的相同波幅保真度(2 dB)。IIW(國際焊接學會)、ISO(國際標準化組織)和ASME(美國機械工程師協會)三體系對TFM波幅保真度均有相同規定。

圖7為幾個具有不同相位偏移量(φ)的高斯調制脈沖|z(t)|ei(ωt+φ)及其產生的包絡|z(t)|。由圖7可見，信號包絡顯然與解析信號的瞬時相位無關，故使用信號包絡時，測得的信號最大振幅比解析信號實分量絕對值更穩定。

圖7 不同相位偏移量的高斯調制脈沖及其產生的包絡

TFM包絡圖像生成過程(三步法)如圖8所示，TFM包絡圖像是兩個TFM圖像的組合結果，一個來自基本A掃描的實部，另一個來自基本A掃描計算的虛部。該過程增加了計算負擔，降低了檢測儀器的采集速度，但由驗證得知，在不影響保真度的前提下，所需網格分辨率可明顯降低。因此，TFM包絡法的采集速度明顯高于標準TFM的。

圖8 TFM包絡圖像生成過程(三步法)

3.3 包絡像質示例

4種不同網格分辨率(λ/9.3，λ/8.1，λ/5.9，λ/4.0生成的標準TFM與TFM包絡圖像質量對比如表1所示。

表1 標準TFM與TFM包絡圖像質量對比

新近可用規范和標準包括ASME BPVC.V-2021、IIW Ⅴ-1842-2018 《無損檢測 超聲檢測 雙全法一般用途》 及ISO 23865:2021，這些標準均要求TFM波幅保真值AF≤2 dB。故使用標準TFM時，表中只有前兩行網格分辨率(λ/9.3,λ/8.1)達標。TFM包絡可允許使用較低的網格分辨率(λ/4.0),而幅度保真度仍達標。同樣，用較粗網格TFM包絡，相比于標準TFM所得最高采集率(5.79 Hz,此時，網格分辨率為λ/8.1)，采集速度可提高約37%。

使用TFM包絡最明顯的好處是可消除因使用自然振蕩聲波A掃描信號作為基本數據集而產生的波幅振蕩。該方法無振蕩偽影，可使波幅變得更連續，定量更簡易。此外，在保持相同波幅保真度情況下，TFM包絡圖像可獲得比標準振蕩TFM更高的采集速率。

3.3.1 氫蝕檢測

下面舉例說明包絡功能對高溫氫蝕(HTHA)缺陷圖像顯示的影響。TFM包絡功能開啟時，網格分辨率可選低些，但波幅保真度仍可保持在2 dB以下(標準容差)，而采集率有所提升。圖9為高溫氫蝕缺陷的TFM包絡與標準TFM圖像。標準TFM圖像參數：網格分辨率為0.07 mm；保真度為1.7 dB；采集率為10.6 Hz。TFM包絡圖像參數：網格分辨率為0.15 mm；保真度為1.9 dB；采集率為19.5 Hz。由圖9可見，缺陷回波在包絡時更易被識別，且TFM包絡圖像對振蕩更穩健，有助于簡化缺陷解讀和基于波幅的定量表征。

圖9 高溫氫蝕TFM包絡與標準TFM圖像

3.3.2 排孔檢測

圖10為TFM包絡功能對分辨率試塊中φ1 mm弧形排孔檢測圖像質量的影響。可見，未使用包絡時，重建圖像有偽影顯示；使用包絡時，排孔顯示清晰。

圖10 TFM包絡功能對檢測圖像質量的影響

4 典型缺陷適用的成像路徑

特定類型缺陷對應的適用成像路徑如圖11所示。

圖11 特定缺陷類型相對應的適用成像路徑

5 焊接缺陷TFM圖譜

圖13 左側大角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

圖14 右側大角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

圖15 根部未熔合的TFM/金相圖像

圖16 根部未焊透的TFM/金相圖像

圖17 水平層間未熔合的TFM/金相圖像

圖18 垂直層間未熔合的TFM/金相圖像A

圖19 垂直層間未熔合的TFM/金相圖像B

圖20 豎向埋藏裂紋的TFM/金相圖像

圖21 表面開口裂紋的TFM/金相圖像

圖22 近表面裂紋和咬邊的TFM/金相圖像

圖23 上部密集氣孔的TFM/金相圖像

圖24 下部密集氣孔的TFM/金相圖像

圖25 夾渣的TFM/金相圖像

承壓設備焊接接頭典型焊接缺陷的TFM檢測圖像與宏觀金相圖像對比如圖12～25所示(共14例，由IIW第Ⅴ委員會提供)。每一圖像均給出了相控陣超聲探頭的布置情況，指明了所用成像路徑(聲傳播模式)；所有TFM檢測圖像水平軸和垂直軸比例相同，可直接與宏觀金相圖像進行比較；圖中也給出了試件厚度，可借此框定關注區(ROI)尺寸。

圖12 小角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

6 偽顯示來源與濾除

無論是常規無損檢測還是數字無損檢測方法，皆有真假顯示或真假信號的識別技術和評判方法，雙全法也不例外。

回波雙全法的偽顯示可能出現在TFM圖像中，需強調的是，該偽顯示是指圖像中的各種相干顯示，而非實際缺陷的相應顯示。這些偽顯示是因相同接收信號中多種聲傳播模式共存，缺陷或固有結構幾何回波衍生而產生。

多模式TFM成像是其中一種偽顯示濾除方法。模式融合可用來過濾或至少減少缺陷造成的偽顯示。多模式求和方法較為簡易，利用了模式互補性，過濾時不會丟失任何信息。最終波幅Isum可表示為

(1)

式中：M為要考慮的模式數；P為關注區像點(像素)；m為模式代號；Im為模式代號的波幅。

圖像絕對值累加，表示各模式無同相位，通過求和可抵消檢測圖像的自身缺陷。但絕對值累加，所有模式的噪聲會相長相加，使信噪比降低。值得注意的是，求和也會帶來所有模式融合干涉的偽顯示。故在求和前對模式進行預選，就可減少這些偽顯示。累加融合時，還應先濾除由材料缺陷引起的偽顯示[1]。

7 結語

(1) 相控陣超聲雙全法(FMC采集過程與TFM重建算法相結合)可實現缺陷圖像的實時重建，有助于更好地表征焊接缺陷，且雙全法可使圖像顯示易于解讀、分析和評判。

(2) 聲影響圖可準確預測非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅圖像，可提供不同聲傳播模式下相對波幅的比較，用于選擇最佳的TFM重建模式。

(3) 利用包絡圖，可設置較低的網格分辨率，減少總計算量，從而提高實際采集速率。與標準振蕩TFM圖像相比，包絡圖像受波幅變化影響較小，波幅保真度更符合規范要求。

(4) 受多種聲傳播模式不同作用、聲波與被檢缺陷或試件幾何形狀的相互作用等原因的影響，TFM圖像可能產生偽影。對于多模式TFM圖像，宜針對被檢試件的典型幾何結構和典型缺陷的類型、位置、方向等特征，結合最佳成像檢測路徑，進行綜合解析。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測技術優秀論文評選”活動二等獎。