轉向架焊接結構件深度缺陷超聲相控陣檢測及三維可視化

李亮亮，鄭世偉，單清群，左玉達

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學，成都 614202)

0 前言

低碳鋼具有較好的強度和焊接能力，被廣泛應用于工程結構中[1]。在軌道列車轉向架焊接結構件等關鍵結構制造過程及服役過程中，裂紋缺陷的存在對列車關鍵部位焊接結構件的力學性能有著極其嚴重的影響[2]，因此有必要采取有效的技術措施來檢測和分析列車關鍵部位的裂紋缺陷情況。

缺陷的相控陣檢測相對于常規超聲檢測形成的聲束具有可聚焦、可偏轉的特點[3-4]，被廣泛應用于厚板工件的缺陷檢測。但目前對于不同缺陷及尺寸的精確分辨存在難度。王常璽等人[5]采用超聲相控陣技術實現B掃描對小于1 mm直徑橫孔的尺寸測量精度達到90%，王旭等人[6]通過設置聚焦深度，實現缺陷的精確定位定量，控制誤差在1 mm內。結合相控陣檢測原理，不同的探頭參數對相控陣缺陷檢測有著極大的影響，不同的缺陷因素對相控陣聲場的傳播產生著影響，不同因素對超聲相控陣檢測效果的影響。因此，明確深度缺陷聲場作用對相控陣檢測效果的影響，完成低碳鋼深度缺陷超聲相控陣檢測的優化準則研究顯得尤為必要。設計焊接接頭深度缺陷超聲相控陣檢測系統，進行中厚板低碳鋼超聲相控陣檢測，同時由于缺陷檢測的二維超聲圖像分析對操作者經驗及專業知識儲備要求高，摻雜了人為主觀因素[7-9]，有必要進行基于相控陣的低碳鋼焊接接頭深度缺陷三維可視化研究，這對于實際相控陣檢測具有理論指導作用。

1 不同缺陷的相控陣檢測

1.1 探頭設計與試塊制備

高速列車轉向架構架如圖1所示。試驗采用的設備是Phascan Ⅱ便攜式超聲相控陣檢測儀，該設備擁有32通道接收，獨立128通道發射的先進結構模式，可滿足高陣元中心頻率與陣元數目的探頭檢測，為保證低碳鋼深度缺陷的檢測研究效果，選取64陣元的相控陣探頭，其探頭型號和配對的楔塊型號分別為15S64-0.6-10，SF21-NOL-H，組成的檢測系統具有較好的檢測水平及分辨力，相控陣檢測系統示意圖如圖2所示。同時經過超聲相控陣設備的校準和參數設置后，以定制的Q235缺陷試塊為檢測對象進行相控陣檢測試驗，圖3所示缺陷檢測試塊的外觀尺寸為100 mm×200 mm×32 mm，在不同位置設計制造了深度為2 mm的φ0.4 mm，φ0.5 mm，φ1 mm圓孔形缺陷與高度為2 mm的10 mm×0.4 mm，10 mm×0.5 mm，10 mm×1 mm長條形缺陷。

圖1 高速列車轉向架構架

圖2 相控陣檢測系統

圖3 缺陷尺寸

1.2 不同缺陷類型的相控陣檢測對比

采用搭建的相控陣檢測系統對定制缺陷試塊進行相控陣檢測試驗，對不同形狀和尺寸的缺陷的檢測效果進行分析，其中以缺陷信號的最大回波幅值比上干擾信號的平均幅值水平計算得到檢測信噪比，并用缺陷回波信號信噪比以及信號頻譜-6 dB寬度分別來表征缺陷檢測靈敏度與分辨力。

不同的缺陷形狀對相控陣聲場的傳播有著較大的影響，相控陣聚焦聲束在不同類型的缺陷處反射作用不同，具體表現為反射后的傳播方向、能量分布有較大的差異[10-11]，為了探究探頭不同缺陷類型對中厚板低碳鋼深度缺陷的相控陣檢測效果，分別對長條狀和圓孔狀缺陷進行檢測，其中檢測對象包含不同尺寸的缺陷，探頭陣元中心頻率為15 MHz，激勵陣元數目64，聚焦深度設為30 mm，主軸孔徑設為8 mm，圖4為不同缺陷形狀的相控陣C掃描檢測結果。圖4a為長條狀缺陷的相控陣C掃描圖，圖中增益設置為60 dB，對于3個尺寸的長條狀缺陷具檢測出較為清晰的成像圖，圖4b為圓孔狀缺陷的相控陣C掃描圖，圖中增益設置為66 dB，只有尺寸較大的圓孔狀缺陷的檢測結果為較為清晰的成像圖。對比2組檢測結果，見表1。缺陷信號的信噪比分別為25.83,7.67，缺陷回波信號降落一半幅值的頻譜寬度分別為0.9 mm，1 mm，缺陷深度位置檢測誤差分別為0.3%，3.3%。對于中厚板低碳鋼的相控陣缺陷檢測，相比于圓孔狀缺陷，其對于長條狀缺陷的檢測靈敏度、分辨力和精準度更高。

圖4 不同缺陷類型的相控陣C掃描檢測示意圖

表1 不同缺陷類型檢測靈敏度和分辨力詳細數據

1.3 不同缺陷尺寸的相控陣檢測對比

為探究中厚板低碳鋼不同缺陷尺寸的相控陣檢測效果，對不同尺寸長條狀缺陷進行檢測，探頭陣元中心頻率為15 MHz，激勵陣元數目64，聚焦深度設為30 mm，主軸孔徑設為8 mm，圖5為不同缺陷尺寸的相控陣掃描檢測結果。圖5a為不同尺寸長條狀缺陷的相控陣C掃描圖，采用上述相控陣參數得到的不同尺寸缺陷檢測結果較好，成像圖均比較清晰，圖5b～圖5d分別為不同尺寸缺陷的S掃檢測圖，其缺陷尺寸分別為10 mm×1 mm×2 mm，10 mm×0.5 mm×2 mm，10 mm×0.4 mm×2 mm，圖中增益設置均為60 dB，圖中3個S掃檢測對象分別對應C掃圖像中3個缺陷。

圖5 不同缺陷尺寸的相控陣檢測示意圖

對比3組檢測結果，見表2。信噪比分別為50.89，25.83，16.66，缺陷回波信號降落一半幅值的頻譜寬度分別為0.9 mm，1.0 mm，1.0 mm，缺陷深度位置檢測誤差均為0.3%。對于Q235低碳鋼的相控陣缺陷檢測，相控陣聲場對尺寸較大的長條狀缺陷的檢測靈敏度與分辨力較高，缺陷的尺寸對于缺陷深度位置的檢測精準度并無影響。

表2 不同缺陷尺寸檢測靈敏度和分辨力詳細數據

2 超聲相控陣的低碳鋼深度缺陷聲場特性

通過有限元軟件COMSOL模擬仿真相控陣聲場，分析不同缺陷類型及尺寸的聲場傳播規律，結合實際檢測結果，進一步闡述低碳鋼深度缺陷的聲場作用機理對相控陣檢測結果的影響。

2.1 有限元參數設置及仿真模型

文中進行的超聲相控陣聲場仿真針對的是線彈性聲場，因此可通過彈性力學的聲速方程計算得到縱波聲速CL，其計算公式如下：

(1)

式中：E為固體介質的楊氏彈性模量，單位為MPa；ρ為介質密度，單位為kg/m3；σ為介質的泊松比。Q235材料的聲波傳播速度受介質的彈性模量(E=2×1011Pa)、介質密度(ρ=7 850 kg/m3)與泊松比(σ=0.3)等因素的影響，通過式(1)計算可以得到Q235縱波聲速CL=5 900 m/s。

文中采用自由四邊形網格對試塊模型進行了網格劃分，對換能器陣元進行了映射網格劃分，其最大網格尺寸設定為波長的1/5，即λ/5，對模型的完美匹配層(PML)進行分布層數為8的映射網格劃分，對換能器陣元的網格進行了極細化處理，將模型底部反射面與缺陷邊界設置為硬聲場邊界，設置瞬態求解器的時間步為range(0,T0/10, 20)，求解步長設置為周期的T0/10，并采用手動的廣義α求解方法對超聲相控陣聲場進行瞬態分析。

為簡化建模過程，采用直接接觸法建立聲場仿真模型，即相控陣探頭直接與工件接觸，圖6為32陣元的超聲相控陣聲場仿真模型。模擬的試塊寬度為50mm，高度為50 mm，并在模型的頂部間隔一定距離均勻分布32個換能器陣元，對每一個陣元施加不同延時的脈沖激勵信號，其聲束垂直于陣元入射，實現超聲相控陣的聲場聚焦，模型中的物理場包括聲結構邊界與壓電效應。

圖6 超聲相控陣聲場仿真模型

該模型中超聲相控陣聚焦于陣元中心的正下方，圖7為超聲相控陣延時計算示意圖。C為預設焦點；B為陣元中心；A為第一個陣元中心；D為第n個陣元中心；N為換能器陣元總數。在Rt△BCD中，有BC2+BD2=CD2，可以得到表達式：

圖7 超聲相控陣延時計算示意圖

(2)

式中：F為陣元中心到預設焦距的距離；tn為第n個陣元的延遲時間；p為陣元中心距；c為聲波速度。化簡得到第n個陣元的延時tn的表達式：

(3)

2.2 不同缺陷類型的相控陣聲場傳播規律

文中建立長條狀缺陷與圓孔狀缺陷模型仿真超聲相控陣聲場的發射與傳播，其中長條狀缺陷尺寸為10 mm×1 mm，圓孔狀缺陷直徑為1 mm，使用局部瞬時加速度來代表模型內部聲場分布云圖，圖8a為不同時刻長條狀缺陷模型內部聲場分布云圖，t=1.30 μs與t=3.32 μs時，相控陣聲場均未到達缺陷處，t=6.66 μs時，聲場與長條狀缺陷相互作用，主要形成缺陷反射波，其缺陷反射方向范圍較窄，且聲場主要能量沿垂直于缺陷方向傳播，其余方向能量占比小，t=7.50 μs時，缺陷發射回波沿豎直方向向上傳播，未與缺陷作用的聲場與缺陷衍射波沿豎直方向向下傳播。圖8b為不同時刻圓孔狀缺陷模型內部聲場分布云圖，t=1.04 μs與t=3.80 μs時，相控陣聲場均未到達缺陷處，t=5.80 μs時，聲場在圓孔狀缺陷處發生反射，其缺陷反射方向范圍較寬，且各個方向反射波能量分布均勻，與長條狀缺陷反射回波相比，在豎直方向上的圓孔狀缺陷反射波能量較小，t=8.32 μs時，缺陷發射回波沿垂直于圓孔切線方向向外傳播，直接造成了在豎直方向上聲場的一次回波與二次回波均較小。

圖8 不同缺陷形狀的模型內部聲場云圖

2.3 不同缺陷尺寸的相控陣聲場傳播規律

建立不同寬度尺寸與長度尺寸的長條狀缺陷模型，對超聲相控陣聲場傳播進行仿真研究，圖9為t=7.50 μs時不同尺寸缺陷模型的內部聲場分布云圖。4種尺寸缺陷模型在t=7.50 μs時刻均產生了明顯的缺陷發射波，且發生了不同程度的衍射，形成了大小不一的聲影區，缺陷長度尺寸較小的模型聲影區最小，如圖9d所示，缺陷長度尺寸一定時，隨著缺陷寬度的減小，聲影區大小隨之提高，即S3>S2>S1，此時可將缺陷看作為障礙物，其尺寸有限但比超聲波的波長大得多，入射在缺陷上的聲波幾乎全部被反射，從而在缺陷下面形成一個上寬下窄的聲影區[12]，在聲波靠近缺陷邊緣時，可以將邊緣看作直線聲源[13]，所以聲影區并非是被缺陷遮擋的全部區域，不同尺寸的缺陷其聲影區大小不一。

圖9 不同缺陷尺寸的模型內部聲場云圖

2.4 聲場作用機理對相控陣檢測結果的影響

由聲場仿真結果可知，試塊中的2種缺陷上表面均與聲場入射方向垂直，因此聲場與2種缺陷發生作用后的傳播方向一樣，其能量分布區域及比例差異不大，于是缺陷的上表面尺寸成為了影響接收的回波信號幅值強弱的主要因素，而缺陷的寬度尺寸影響著聲場與缺陷的衍射作用。顯然，圓孔狀缺陷的表面尺寸相比于長條狀缺陷小得多，其相控陣聲波與圓孔狀缺陷上表面的反射作用較小。圖10中心陣元組件電壓波形圖。圖10a為不同缺陷形狀模型中經過中心陣元組件的電壓波形圖，長條狀缺陷模型的缺陷回波信號與底面回波信號高于圓孔狀缺陷，同樣說明了長條狀缺陷對于相控陣聲場在豎直方向上的反射作用更強，換能器接收的缺陷回波與底面回波信號更強。同時不同寬度的缺陷模型其底面回波信號有著細微的差別，如圖10b所示。結合實際檢測的效果，中厚板低碳鋼深度缺陷的聲場作用對檢測結果產生著影響，長條狀缺陷對于相控陣聲場在豎直方向上的反射作用更強，聲影區隨缺陷寬度尺寸減小而增大，同時在缺陷處的反射較為集中的相控陣聲場具有更高的檢測靈敏度與分辨力。

圖10 中心陣元組件電壓波形圖

3 基于OpenGL的缺陷三維可視化

為獲得中厚板低碳鋼深度缺陷的直觀成像效果，文中探討基于三維數據庫OpenGL的三維顯示算法過程，并對中厚板低碳鋼相控陣檢測數據的三維顯示結果進行分析驗證。Qt OpenGL是開放三維圖形庫中的一種，功能強大，可以實現建模、變換、光照和材質設置、紋理映射顯示列表等功能，包含很多渲染函數[14-15]。文中通過工具庫GLUT(OpenGL utility toolkit)處理OpenGL程序，采用子類化Qt的QGL Widget控件實現窗體空間可視化，在此基礎之上，通過多普勒三維顯示實現缺陷的三維可視化。首先初始化OpenGL引擎；隨后進行場景繪制，實現場景的柵格化，定義其窗口的寬高；建立了可視化環境之后，接下來數據進行繪制，在環境中實現缺陷的可視化，其中數據繪制函數包含矩陣標準化、幾何變換及投影繪制等部分，實現缺陷數據完整的三維視圖的顯示；最后對建立的三維模型進行交互層設置，這里采用鼠標追蹤球的方法(鼠標響應/移動/滾輪事件)實現缺陷三維場景的交互功能，整體算法流程如圖11所示。

圖11 相控陣檢測缺陷的三維顯示算法流程圖

在三維顯示的實現過程中，幾何數據轉換為頂點并處理為片元送入幀緩存，這種方式計算機更容易將圖像繪制得到。函數Paint GL()經過矩陣操作、幾何變換和投影變換實現缺陷數據的三維變換，將相鄰的前后臺位平面幀存依次繪制在三維空間內，完成空間缺陷數據的三維顯示，OpenGL中圖形變換是通過矩陣操作實現的，同時由于繪制的圖像是一個一個像素點構成的，且在投影變化時會失去深度信息，因此在繪制圖像之前或之后要清除顏色與深度的緩存，缺陷數據的三維繪制方法如下：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|

GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//清除顏色深度緩存

glLoadIdentity();//單位矩陣設置

glTranslatef(0.0f, 0.0f, d->zTra);//模型變換沿z軸移動

glRotatef(d->xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);//模型變換沿x軸旋轉

glRotatef(d->yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);//模型變換沿y軸旋轉

glRotatef(d->zRot, 0.0f, 0.0f, 1.0f);//模型變換沿z軸旋轉

GLdouble _x1, _x2;//double型參數

GLdouble _y0 =-d->m_fHeight;

for(int i=0; i<2; i++)

{

d->drawlShapeWeld(true, _y0, &_x1, &_x2);//位平面連接處

d->drawFrame(true, _y0, _x1, _x2);//圖像繪制

d->drawlShapeWeld(false, _y0, &_x1, &_x2);

d->drawFrame(false, _y0, _x1, _x2);

_y0+= d->m_fHeight;

}

基于上述缺陷三維顯示過程，分析驗證不同缺陷的三維可視化效果，圖12a為長條狀缺陷的三維顯示圖，缺陷數據的相控陣陣元激發數為64，陣元中心激勵頻率15 MHz，聚焦深度為30 mm，以8陣元分組激發時，可以較為清晰看到幾何結構中3個不同位置的長條狀缺陷，且缺陷邊界受無雜波信號的干擾較小。圖12b為圓孔狀缺陷的三維顯示圖，缺陷數據的相控陣陣元激發數為32，陣元中心激勵頻率5 MHz，聚焦深度為30 mm，以8陣元分組激發時，可以較為清晰看到幾何結構中三個不同位置的圓孔狀缺陷，且缺陷三維顯示結果相對完整，并未出現缺陷未顯示的情況，同時相控陣檢測效果越好，三維顯示結果越可靠。

圖12 不同缺陷的三維顯示效果

4 結論

(1)長條狀缺陷對于相控陣聲場在豎直方向上的反射作用更強，聲影區隨缺陷寬度尺寸減小而增大，換能器接收到的底面回波電壓信號隨之降低，同時在缺陷處的反射較為集中的相控陣聲場具有更高的檢測靈敏度與分辨力，這對于中厚板內部缺陷的超聲相控陣檢測具有實際指導意義。

(2)實現了中厚板低碳鋼基于OpenGL的缺陷三維可視化，三維顯示效果清晰直觀，其相控陣檢測效果越好，三維顯示結果越可靠。