基于超聲相控陣全聚焦修正技術(shù)的焊接缺陷定量檢測方法

周紅明，陳 挺

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.浙江省文創(chuàng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與智能制造重點實驗室，浙江 麗水 323000；3.浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310063）

由于殘余應(yīng)力和復(fù)雜使用環(huán)境的影響及焊接過程中造成的氣孔、夾渣、夾雜、裂紋、咬邊、未焊透和未熔合等基礎(chǔ)缺陷的存在，焊縫始終是焊接件中最為薄弱的部分，成為質(zhì)量監(jiān)控的重點［1］。

大量的研究表明，超聲無損檢測在焊接質(zhì)量檢測應(yīng)用中表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。由于具備檢測速度快、缺陷定量精確及易于與信息技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點，相控陣技術(shù)成為近年來超聲無損檢測領(lǐng)域的研究熱點。常規(guī)的超聲相控陣檢測技術(shù)，是通過聚焦延遲算法對聲束進行合成，實現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，從而對檢測對象進行掃描［2-3］。為了改善超聲相控陣檢測成像的質(zhì)量，學(xué)者們提出了全聚焦成像技術(shù)，其原理是基于后處理的思維，先利用陣列中的各個陣元發(fā)射-接收信號實現(xiàn)全矩陣采集（full matrix capture，F(xiàn)MC），而后再運用全聚焦法（total focusing method，TFM）實現(xiàn)被檢測缺陷的高質(zhì)量成像［4］。

然而超聲波在介質(zhì)中傳播路徑的不同會使得傳播能量的損耗各異，使得不同位置缺陷的成像幅值存在差異，影響超聲相控陣全聚焦成像的質(zhì)量，從而降低被檢缺陷定量的準(zhǔn)確性。因此，有必要對檢測信號能量的衰減進行修正，提高檢測結(jié)果的可靠性。筆者在現(xiàn)有超聲相控陣全聚焦算法的基礎(chǔ)上，通過多元高斯疊加模型研究工件內(nèi)的聲場分布情況，并利用計算結(jié)果對全矩陣數(shù)據(jù)進行修正，補償超聲波在傳輸過程中的能量損耗，從而完善超聲相控陣全聚焦成像檢測技術(shù)。

1 TFM成像算法

TFM 成像技術(shù)是基于虛擬聚焦算法實現(xiàn)的，先將成像區(qū)域劃分成若干個單元格，即虛擬聚焦點，并依次對各個單元格進行虛擬聚焦。因此，在實現(xiàn)成像以前需要先獲取全矩陣數(shù)據(jù)，即獲取成像區(qū)域內(nèi)每個單元格的超聲A掃信號。獲取信號的過程為：依次激勵每一個陣元發(fā)射超聲波，所有的陣元并行接收回波信號，將接收到的信號定義為Sij，其中i，j=1，2，…，N（N為陣元數(shù)量），采集完成后共獲取N×N組數(shù)據(jù)，形成一個如圖1所示的N×N全矩陣。

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)

獲取全矩陣后，針對需要聚焦的單元格位置，利用延時法則對數(shù)據(jù)進行疊加后處理，獲得該相應(yīng)點處的幅值信息A(x，y)，依次對成像區(qū)域內(nèi)的每一個單元格位置進行上述處理，即可得到被檢測區(qū)域的成像結(jié)果。如圖2 所示，聚焦點p(x，y)的幅值計算式為

圖2 全聚焦原理示意圖

式中，tip、tpj分別為信號發(fā)射陣元i和信號接收陣元j到聚焦點p之間的超聲波渡越時間，tij為信號Sij需要延遲的時間。

然而，由于相控陣陣元發(fā)射聲波具有指向性，在不同方位上所產(chǎn)生的能量各不相同，不同聲程所產(chǎn)生的能量衰減程度也各異。因此，當(dāng)缺陷在被檢工件中所處位置不同時，成像所得到的缺陷定量會產(chǎn)生一定程度的誤差。為此有必要對超聲波傳輸過程中所產(chǎn)生的能量衰減進行補償修正，以減少缺陷定量的誤差。

2 全聚焦修正技術(shù)

為解決超聲波傳輸過程中的能量衰減問題，通過構(gòu)建超聲相控陣輻射聲場分布模型，對超聲波能量的衰減進行補償修正，以提高檢測的可靠性。目前存在多種能夠模擬相控陣檢測聲場的方法。基于惠更斯理論的瑞麗積分模型在多數(shù)情況下難以得到聲場解析解，需要借助數(shù)值積分，求解效率較低。多元高斯聲束疊加法（multi-Gaussian beam method）計算簡單且效率高，能夠較好地解決聲束多界面?zhèn)鞑栴}。

2.1 焊件中相控陣輻射聲場計算模型

Wen 等［5］提出可用高斯聲束疊加來表示超聲換能器所產(chǎn)生的聲場。如圖3所示，當(dāng)聲束在多層介質(zhì)中傳播時，在第m+1 層介質(zhì)中的高斯聲束的速度振幅vm+1可表示為［6］

其中，

超聲相控陣通過控制換能器陣列中各個陣元的延遲發(fā)射時間來實現(xiàn)聲場的偏轉(zhuǎn)和聚焦，因此對于相控陣所產(chǎn)生的聲場可以通過各個陣元所產(chǎn)生聲場的延遲疊加得到。由N個陣元構(gòu)成的超聲相控陣在第m+1層介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲場可表示為

式中，v0為陣元表面的振動幅度，k為將陣元離散成若干個小單元的數(shù)量，DR為陣元離散后小單元的指向性系數(shù)［6］。

2.2 基于輻射聲場模型的全聚焦修正方法

TFM成像技術(shù)采用對回波信號進行延時疊加的方式實現(xiàn)在檢測區(qū)域內(nèi)的虛擬聚焦。然而超聲波信號在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生衰減，衰減程度與傳輸聲程有關(guān)。同時，焊縫界面上的折射也會對回波信號的能量產(chǎn)生影響。回波信號能量的損失會使得TFM 成像算法對缺陷的尺寸產(chǎn)生誤判，甚至可能引起漏檢，影響檢測結(jié)果的可靠性。為解決上述問題，筆者所采用的策略是對超聲波信號在傳播過程中所損失的能量進行逐一修正。將式（1）進行修改，得到修正后的成像幅值A(chǔ)(x，y)為

式中，v_N( )ω表示超聲波信號在傳播過程中的聲場分布，通過式（8）計算可得。

3 檢測試驗

為驗證所建立的測量模型及TFM修正成像方法的可行性，利用對比試塊開展超聲相控陣檢測試驗，試驗系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。檢測系統(tǒng)主要由多路超聲發(fā)射/接收板卡、超聲相控陣換能器、PXI總線工控主機、電氣控制部分和機械掃查部分構(gòu)成。憑借PXI總線的同步和可擴展優(yōu)勢，可實現(xiàn)PXI機箱之間的串接擴展，并支持多通道同時工作。由多路復(fù)用發(fā)射接收一體化板卡負責(zé)相控陣換能器超聲波信號的激勵和接收。由電氣控制部分和機械掃查部分實現(xiàn)相控陣換能器對工件的全方位掃查。

如圖5 所示，相控陣換能器（5L64-NW1）中心頻率為5 MHz，采樣頻率100 MHz，按照全矩陣數(shù)據(jù)采集方法采集并存儲數(shù)據(jù)。在鋼制試塊上加工出3 個孔徑為2 mm 的圓孔模擬焊接缺陷，用于超聲相控陣檢測成像試驗。

圖5 超聲相控陣換能器及檢測試件尺寸圖

將修正處理后的全聚焦成像結(jié)果與處理前的成像結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出：在未經(jīng)修正的成像結(jié)果中，同尺寸的圓形缺陷，由于位置不同，表征缺陷大小的能量幅值具有明顯的差異；而經(jīng)過修正處理后，由于回波信號的能量衰減問題得到緩解，圖像中的能量分布更加均勻，同尺寸不同位置的圓形孔缺陷在圖像中差異較小，成像效果得到明顯改善。

圖6 檢測成像結(jié)果

表1列出了回波幅值修正前與修正后的缺陷面積。采用超聲無損檢測中常用的-6 dB 法來表征檢測圖像中對應(yīng)的缺陷面積，直徑為2 mm的圓形孔面積為3.14 mm2，修正前與修正后的缺陷平均面積分別為2.96 mm2和3.18 mm2，可見修正后的缺陷大小估算更為準(zhǔn)確。

表1 回波幅值修正前后缺陷測量面積

4 結(jié)論

筆者使用多元高斯疊加模型計算了被檢工件內(nèi)的聲場分布情況，利用計算結(jié)果對超聲相控陣檢測的回波信號幅值進行修正處理，用于補償聲波在傳輸過程中的能量損耗，結(jié)果表明該方法可以有效提高超聲相控陣檢測全聚焦成像的圖像質(zhì)量，改善圖像中缺陷回波信號的能量分布均勻性，使缺陷定量誤差得到有效降低。