基于多模式全聚焦方法不同聲束路徑下的異型構(gòu)件焊縫缺陷成像研究

毛月娟，李俊函，苗逢春，陳沅沅

（1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014033；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014017）

0 引言

焊接結(jié)構(gòu)在機械制造、醫(yī)療、航空航天、核能及制造船舶等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)中，每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的40%。異型構(gòu)件兩塊金屬板的節(jié)點處連接方式的優(yōu)劣對該構(gòu)件整體性能的影響非常大，該結(jié)構(gòu)破壞最薄弱的環(huán)節(jié)一般都是在節(jié)點連接處，所以對于焊縫焊接質(zhì)量的要求就顯得尤為重要。焊縫在焊接過程中受焊接結(jié)構(gòu)的約束力、剛性和焊接過程產(chǎn)生應(yīng)力的影響，將出現(xiàn)裂紋、裂縫、氣孔、夾渣、未焊透、咬邊等缺陷，這些缺陷都會影響到焊接質(zhì)量。所以在實際生產(chǎn)過程中，我們需要去檢測是否存在這些缺陷，來評判焊接質(zhì)量。

超聲檢測具有穿透力強、靈敏度高、定量精度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于裂紋檢測[2-3]。實際檢測過程中，探頭接收到的缺陷信號除了來自聲束與缺陷的直接作用外，還包含經(jīng)試塊底部反射至缺陷再返回探頭的信號，以及經(jīng)試塊底部反射至缺陷再沿原路徑返回的信號，上述聲束傳播路徑分別被稱為直接模式（Direct mode）、半跨模式（Half-skip mode）和全跨模式（Full-skip mode）[4-5]。對于特定取向的裂紋，使用不同的模式波進行全聚焦方法（Total focusing method, TFM）成像，成像質(zhì)量會有明顯區(qū)別。

本文同時考慮直接、半跨和全跨模式，通過CIVA仿真，選取不同的發(fā)射聲束，使得發(fā)射聲束分別打到橫通孔缺陷的左上圓弧與左下圓弧時，進行不同模式不同波型組合的全聚焦成像，然后比較其成像質(zhì)量。最后，討論了當(dāng)發(fā)射聲束分別打到橫通孔的左上圓弧與左下圓弧時，哪種模式波的全聚焦成像的圖像質(zhì)量更好。

1 多模式全聚焦方法

全聚焦（TFM）成像算法，可以在檢測區(qū)域內(nèi)各個點進行聚焦，檢測精度高，成像質(zhì)量好。常規(guī)的直入射式的TFM成像技術(shù)（直入式直接模式）適用于單一介質(zhì)，將探頭與被測工件通過耦合劑直接接觸，其成像的基本原理為：對于陣元數(shù)量為N的探頭，首先要進行全矩陣采集（Full Matrix Capture,FMC）數(shù)據(jù)的獲取，依次激發(fā)各個陣元，使其發(fā)射超聲波，然后全部陣元接收回波信號，從而得到全矩陣數(shù)據(jù)。全矩陣數(shù)據(jù)可以用一個二維數(shù)組函數(shù)來表示：{Si,j(t)},其中i,j∈[1,N]。對于特定的值i=i0，j=j0，t=t0時Si0，（j0t0）代表第i0個陣元發(fā)射超聲波，第j0個陣元在時間t0時刻，接收到的回波幅值信息。然后計算檢測區(qū)域內(nèi)各個重建點所對應(yīng)的聲束傳播路徑所需的傳播時間，最后根據(jù)每個重建點所對應(yīng)的不同發(fā)射陣元與接收陣元所需的傳播時間，根據(jù)全矩陣數(shù)據(jù)，選擇所對應(yīng)的聲時的回波幅值進行疊加，從而使得每個重建點聚焦成像，對于斜入射式的直接模式，則需在聲時計算上多兩條聲束路徑。

對于斜入射式的直接模式，其聲束傳播路徑為各陣元激發(fā)聲束在楔塊與試塊界面發(fā)生折射后進入試塊內(nèi)部，打到缺陷后，反射得到回波聲束，再經(jīng)過試塊與楔塊界面折射,然后被各陣元接收。在傳播過程中，考慮波型轉(zhuǎn)化，直接模式就會有TT、TL、LT、LL聲束模態(tài)的組合方式（其中T表示橫波，L表示縱波）。

考慮底面一次反射波（半跨模式），聲束傳播路徑為：陣元發(fā)射超聲波，經(jīng)過楔塊與試塊界面折射進入試塊，到達試塊底面后，產(chǎn)生反射波到達缺陷，然后產(chǎn)生回波到達楔塊與試塊界面折射進入楔塊并被接收陣元接收。該聲束路徑與發(fā)射聲束先與缺陷響應(yīng)，再經(jīng)底面一次反射后折射進入楔塊的路徑一致?？紤]波型的轉(zhuǎn)換，該模式有TTT、TTL、TLT、TLL、LTT、LTL、LLT、LLL幾種聲束模態(tài)的組合方式。

考慮底面二次反射波（全跨模式），聲束路徑為：陣元發(fā)射超聲波，經(jīng)過楔塊與試塊界面折射進入試塊，到達試塊底面后，產(chǎn)生反射波到達缺陷，與缺陷發(fā)生響應(yīng)，再產(chǎn)生反射聲波到達試塊底面，然后產(chǎn)生回波到達楔塊與試塊界面折射進入楔塊并被接收陣元接收?？紤]波型的轉(zhuǎn)換，該模式有LLLL、LTTL、TTTT、TLLT等多種聲束模態(tài)的組合方式。

以半跨模式為例，先建立坐標(biāo)系，假設(shè)試塊厚度h已知。對于陣元數(shù)為N的線性陣列探頭，第i個發(fā)射陣元坐標(biāo)表示為（x0i，y0i），楔塊與試塊交界處的入射折射點坐標(biāo)表示為（x1i，0），第i個發(fā)射陣元所發(fā)射的聲波在底面發(fā)生發(fā)射的坐標(biāo)點為（x2i，h），某一重建點P的坐標(biāo)為（x，y），楔塊與試塊交界處的出射折射點坐標(biāo)為（x1j，0），第j個接收陣元所對應(yīng)的坐標(biāo)表示為（x0j，y0j）。

圖1 不同模式聲束路徑示意圖

圖2 半跨模式聲束傳播原理圖

第i個陣元發(fā)射的超聲波到達底面發(fā)生反射，再到達P點所需要的傳播時間為

式中：c1為楔塊內(nèi)縱波聲束；c2、c3為超聲波在試塊內(nèi)的聲速（橫波聲速或者縱波聲速）。

超聲波與缺陷響應(yīng)后，產(chǎn)生回波，經(jīng)楔塊與試塊交界面處折射進入楔塊，被接收陣元接收，這個過程超聲波的傳播時間為

2 仿真模擬

2.1 仿真模型

基于CIVA 軟件中超聲仿真平臺，本文建立了異型構(gòu)件試塊橫通孔缺陷檢測模型，如圖3、圖4所示。該試塊模型為兩個鋼板焊接而成，尺寸分別為185 mm×40 mm×45 mm與75 mm×40 mm×45 mm。橫通孔缺陷位于焊縫根部，直徑為2 mm，其中心深度為31 mm，圓心距離試塊左邊界170 mm，試塊模型的示意圖如圖3 所示，CIVA 軟件中所建立仿真模型如圖4所示。

圖3 仿真模型示意圖

圖4 CIVA仿真模型

為了充分說明當(dāng)波打到不同位置時不同模式全聚焦成像質(zhì)量的不同，進行了一系列不同條件下超聲相控陣檢測數(shù)值仿真。在這些仿真中，僅改變了探頭的位置，以及使用了不同模式、不同波型組合的全聚焦成像方法，其他檢測參數(shù)均相同。

2.2 仿真結(jié)果

對于試塊的材料選擇碳鋼，碳鋼的縱波和橫波聲速分別設(shè)置為5900 m/s 和3230 m/s。選擇中心頻率10 MHz的64陣元線陣探頭（陣元寬度為0.50 mm，陣元中心間距為0.60 mm），為減少多種波型對仿真結(jié)果的影響，匹配36°橫波楔塊采集全矩陣數(shù)據(jù)。利用該楔塊，可進行的各個模式的不同波型組合方式如表1所示。

表1 多模式波型組合

當(dāng)發(fā)射聲束直接打到橫通孔左上圓弧時（如圖5），利用CIVA軟件對所建立模型進行缺陷檢測，分別得到不同模式下的全聚焦成像結(jié)果。

圖5 發(fā)射聲束直接打到橫通孔左上圓弧示意圖

在該發(fā)射聲束位置下，直接模式可表征缺陷左上圓弧，半跨與全跨模式可表征缺陷左下圓弧，由成像結(jié)果（如圖6）可明顯看出，除了全跨模式下的TTLL波型組合方式無法表征對應(yīng)缺陷圓弧外，其他各模式的不同波型組合方式都可對相應(yīng)缺陷進行一定程度的表征。但半跨與全跨模式容易有缺陷偽像的產(chǎn)生。

圖6 發(fā)射聲束到達位置1各模式不同波型組合成像結(jié)果

當(dāng)發(fā)射聲束經(jīng)底面一次反射后打到橫通孔左下圓弧時（如圖7），利用CIVA軟件對所建立模型進行缺陷檢測，分別得到不同模式下的全聚焦成像結(jié)果。

圖7 底面一次反射波打到橫通孔左下圓弧示意圖

在該發(fā)射聲束位置下，同樣直接模式可表征缺陷左上圓弧，半跨與全跨模式可表征缺陷左下圓弧，由成像結(jié)果（如圖8）可明顯看出，除了全跨模式下的TTLL波型組合方式無法表征對應(yīng)缺陷圓弧外，其他各模式的不同波型組合方式都可對相應(yīng)缺陷進行一定程度的表征。但直接模式在這種情況下的檢測結(jié)果存在偽像，檢測結(jié)果明顯不如半跨與全跨模式中的最佳圖像的成像質(zhì)量好。

圖8 底面一次反射波到達位置2各模式不同波型組合成像結(jié)果

3 結(jié)果分析

對于兩種聲束傳播位置的檢測結(jié)果，光憑視覺上的判斷只能大致區(qū)分兩種檢測結(jié)果的區(qū)別，而想要更進一步分析兩種成像質(zhì)量，還需要做其他工作。本文主要運用了比較全聚焦成像的水平、垂直定位誤差及信噪比的方法，來進一步對比兩種發(fā)射超聲波發(fā)射位置所對應(yīng)的成像質(zhì)量及其對缺陷的檢出能力。

首先對比不同發(fā)射聲束的不同模式下全聚焦成像的定位誤差。如圖9所示，建立坐標(biāo)系。

圖9 坐標(biāo)系示意圖

我們以發(fā)射聲束直接打到左上圓弧為位置1，以底面一次反射波打到左下圓弧為位置2，取左上圓弧的中心坐標(biāo)為（169.69，30.29），取左下圓弧的中心坐標(biāo)為（169.69，31.71），然后通過CIVA軟件讀取缺陷的全聚焦圖像的中心坐標(biāo)，如表2、表3所示。

根據(jù)表2、表3，將每種波型組合方式的x坐標(biāo)的坐標(biāo)值減去對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值（如式（7）），得到一系列值，并進行大小比較，以此來比較水平定位誤差；將每種波型組合方式的z坐標(biāo)的坐標(biāo)值減去對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值（如式（8）），得到一系列值2，并進行大小比較，以此來比較垂直定位誤差：

表2 位置1不同波型組合方式缺陷圖像中心坐標(biāo)

表3 位置2不同波型組合方式缺陷圖像中心坐標(biāo)

式中：x與z分別代表某一波型組合方式下的x與z坐標(biāo)值的測量值；x0與z0分別代表坐標(biāo)x與z的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值。

由于全跨模式下的TTLL波型組合方式所生成的圖像偏差過大，所以在比較定位誤差時，不考慮該種情況。利用式（7）計算水平定位誤差，并用圖像表示出來，如圖10所示。

由圖10可以明顯看出，當(dāng)聲束直接打到橫通孔左上圓弧時，直接模式的水平定位誤差相對較小，對缺陷的檢出能力更強。當(dāng)聲束經(jīng)過底面一次反射再打到橫通孔左下圓弧時，全跨模式的水平定位誤差最小，對缺陷的檢出能力更強，而直接模式的水平定位誤差最大，對缺陷的檢出能力較弱。

圖10 水平定位誤差散點圖

利用式（8）計算垂直定位誤差，并用圖像表示出來，如圖11所示。

由圖11可以明顯看出：垂直定位誤差與水平定位誤差結(jié)果一致；當(dāng)聲束直接打到橫通孔左上圓弧時，直接模式的垂直定位誤差相對較小，對缺陷的檢出能力更強；當(dāng)聲束經(jīng)過底面一次反射再打到橫通孔左下圓弧時，全跨模式的垂直定位誤差最小，對缺陷的檢出能力更強，而直接模式的垂直定位誤差最大，對缺陷的檢出能力較弱。

圖11 垂直定位誤差散點圖

然后，我們將不同模式的全聚焦圖像的信噪比進行對比。信噪比[7]的定義為

式中：mean表示取平均值；I*表示各成像點取歸一化幅值。

取不同模式成像的信噪比的絕對值來進行比較，如圖11所示。

由圖12可以明顯看出：當(dāng)聲束直接打到橫通孔左上圓弧時，直接模式的信噪比相對較大，對缺陷的表征能力更強；當(dāng)聲束經(jīng)過底面一次反射再打到橫通孔左下圓弧時，全跨模式的定位誤差較大，而直接模式的信噪比相對較小。兩種情況下，因為都無法得到TTLL波型組合方式下的缺陷全聚焦圖像，所以其信噪比都是最小的。

圖12 信噪比散點圖

4 結(jié)論

在考慮超聲波多路徑多模式和多種波型組合方式的情況下，對發(fā)射聲束直接打到異型構(gòu)件的橫通孔缺陷左上圓弧及發(fā)射聲束經(jīng)底面一次反射后打到橫通孔缺陷的左下圓弧兩種情況下利用多模式全聚焦算法所得的缺陷圖像進行分析研究，得到以下結(jié)論：

1）使發(fā)射聲束直接打到橫通孔缺陷左上圓弧，進行CIVA仿真，對3種模式、8種不同的波型組合方式的缺陷檢測能力進行了對比研究，優(yōu)選出的最佳檢測模式為直接模式，其中最佳波型組合方式為TT。

2）使發(fā)射聲束經(jīng)底面一次反射后打到橫通孔缺陷左下圓弧，進行CIVA仿真，對3種模式、8種不同的波型組合方式的缺陷檢測能力進行了對比研究，優(yōu)選出的最佳檢測模式為全跨模式，其中最佳波型組合方式為TTTT。

3）當(dāng)發(fā)射聲束的聲束路徑不同時，不同模式的全聚焦成像方法對缺陷的檢出能力也不同，在實際運用中要善于靈活使用不同的模式，才能更好地表征缺陷特性，同時仿真結(jié)果也對我們后續(xù)對多模式全聚焦方法的研究表以肯定。