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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)［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(diǎn)，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(diǎn)。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(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，從而對檢測對象進(jìn)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(shí)現(xiàn)全矩陣采集（full matrix capture，F(xiàn)MC），而后再運(yùn)用全聚焦法（total focusing method，TFM）實(shí)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(jìn)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(jìn)行修正，補(bǔ)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(shí)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(diǎn)，并依次對各個單元格進(jìn)行虛擬聚焦。因此，在實(shí)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(jìn)行疊加后處理，獲得該相應(yīng)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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?；诨莞估碚摰娜瘥惙e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(shí)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(jìn)行延時疊加的方式實(shí)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(jìn)行逐一修正。將式（1）進(jìn)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(yàn)

為驗(yàn)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(yàn)，試驗(yàn)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(jī)、電氣控制部分和機(jī)械掃查部分構(gòu)成。憑借PXI總線的同步和可擴(kuò)展優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)PXI機(jī)箱之間的串接擴(kuò)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(fù)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(jī)械掃查部分實(shí)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(yàn)。

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(jìn)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(jìn)行修正處理，用于補(bǔ)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。