CN103969335B - 一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法 - Google Patents

Abstract

一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，利用超声相控阵B扫描图像中的四边形闸门法来重构工件任意截面内的缺陷图像，并利用计算机三维可视化技术，将任意截面内的缺陷检测结果对应显示在三维焊缝实体图形中。引入四边形闸门的确定方法，使超声波可以检测任意截面或者斜面的超声波检测图像，可以获得工件任意斜面的超声C扫描检测结果，同时应用计算机三维可视化技术，让检测结果更加直观地显示到工件三维几何图形中，方便检测人员定位和定量缺陷。

Description

一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法

技术领域

本发明涉及超声波检测领域，具体涉及超声波焊缝检测技术在焊缝检测中的应用，即一种焊缝侧壁未熔合自动炒成成像与可视化方法。

背景技术

超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。

超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。

与传统的手工艺超声波探伤相比，相控阵具有以下的优势：

1.检测速度快，现场检测时只需对环焊缝进行一次简单的线性扫查而无需来回移动即可完成全焊缝的检测，从准备到焊缝评定完毕，整个过程约需几分钟即可完成。

2.缺陷定位准确，检测灵敏度高。

3.到现场检测作业的劳动强度小。

4.检测结果直观，可实现实时显示。在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、存盘，实现检测结果的永久性保存。

5.对管道环焊缝、球罐、储罐等对接焊缝的检测，效率高、效果好。

就目前应用的情况来说，现场应用超声相控阵还有一定的局限性：

1.受客观影响大，工件表面光滑度，焊缝工艺完整性，轨道安装精度都会对检测结果产生影响。

2.检测不同壁厚，不同规格和材料的焊缝，需要不同的试块来做校准。

3.仪器调节过程复杂，调节准确性对检测结果影响大。

4.对手工电弧焊的检测效果低于自动焊。

5.检测对象有局限性。

相控阵相对于常规的单探头超声检测具有明显的技术优势：

速度：相控阵探头中被选择的晶片交替激发，使得电子扫描（E-扫描）能够实现高精度、快速的断面扫描（扇形S扫描）以及A扫描、滚动B扫描和L（线性）扫描，甚至能实现C扫描，能够非常快速地覆盖构件，要比常规单探头机械系统快得多，在相同时间里提供更好的覆盖。由于能够一次检测所有被检查部份，大大缩短了检测时间，相对节约成本，减少扫查时间，减轻监测人员的劳动强度，提高了检验精度和可靠性。

适应性：设置可在几分钟内改变，能够适应很多构件的尺寸与几何形状变化，能够适合于形状复杂构件检验

检验角度：取决于检测需要和阵列结构，所形成的波束能够在宽范围内选择波束角度（检验角度），使超声取向最佳化地垂直于预期的缺陷，例如焊缝中的未熔合

波束控制（通常为扇形扫描，S-扫描）能以适当的和更多的角度扫描并绘出构件图形达到最佳探测概率。S扫描对于仅有很小扫查位置的情况也是有用的从而比常规探头检验更适应扫查接触面积受限的区域。

电子聚焦可以使波束形状与尺寸在预期的缺陷位置达到最佳化，获得最大覆盖区域和最高分辨率，以及最佳的探测概率，获得最佳信号和高质量图象。聚焦明显地改善信噪比，而且可以允许在较低的脉冲电压下工作。

成像：对缺陷检测和图形绘制具有高的分辨率，能够显示缺陷“真实深度”的图像，因而比常规的波形显示更容易解释，能够通过预先编程的专用软件对扫描采集的数据进行分析评价，减少检测人员因素的影响。数据可以保存和按需要重现，甚至可以视频方式记录和重放。

相控阵超声检测系统还具备了编写检测报告、支持USB外部存储媒介以及网络传输等功能。

相控阵超声检测系统通常由数据采集单元、脉冲发生单元、电机驱动单元、相控阵探头、工业计算机、显示器等组成。系统在Windows平台上运行专用的操作软件，完成对被检工件的扫查、实时显示和结果评判。

就目前的相控阵技术发展阶段而言，较多的是采用比较简单的二维设置，复杂的三维设置还较少应用，因为目前的相控阵系统已经比常规的单通道系统昂贵得多。但是，随着更新型的便携式仪器的发展，采用复杂的三维设置将能具有更高的速度，更强的数据储存和显示，更小的扫查接触面积，以及更大的适应性，从而具备更高的应用价值。

在超声检测中，压电晶片是用于收集数据的。在相控阵应用中，相互独立的压电晶片被包裹在一个标准探头盒内。其引线卷缆通常由良好屏蔽的微细同轴电缆捆扎组成，通过商品化的多通道连接器与仪器连接。

压电元件通常以4到32组发射脉冲，相控阵探头上可以承受高达200V的发射电压。采集与分析软件可根据操作者输入的检验角度、焦距、扫查图形等设置来计算时间延迟。操作者也可以利用预先制备的文件。软件根据单独的“聚焦规则”，依据焦点和扫查组合的时间渡越来计算返回的时间延迟。相控阵仪器的时间延迟电路应能接近2ns精度以提供所需要的相位精度。

在脉冲激发下，每个压电元件产生一个波束。这些波束因为叠加和相消干涉形成波前。相控阵仪器对各单独通道发射脉冲是具有时间延迟的，从而能按规定形成一个预先计算的波前。对于接收，仪器则有效地完成逆转。例如，仪器接收的信号具有预先计算的时间延迟，综合时间变化的信号，然后显示出来。

综合得到并显示的波形与探伤仪具有同样角度、频率、聚焦孔径等的探头信号通道同样有效。

相控阵仪器其中的一个非常重要的关键是软件。因为相控阵能提供相当可观的应用适应性，这取决于软件的多功能性。应用软件要能够强有力地管理超声检测信号的采集。除了处理计算聚焦规则以外，要求软件具有强大的编码能力和全数据储存、显示结果，具备良好的数据处理能力等。

相控阵检验可以是手动，半自动，或者全自动，取决于应用，速度，预算等要求。

软件能够节约用户的时间和精力。虽然对于初次设置准备时需要耗费一定的时间，但是信息被记录在文件中后可以第二次重新加载提取，而修改一个已制定的设置是很快速的，这与常规探头的调整是截然不同的，这也与目前越来越广泛使用的数字化超声探伤仪的使用程序是相同的道理。

从实际应用的观点来看，超声相控阵仅仅是一种发生和接收超声波的方法。一旦超声波进入材料中，它就与发生方法无关，无论是压电，电磁，激光或者相控阵。因此，超声检验的许多细节是保留不变的。例如，对于常规超声，5MHz是最佳的检验频率，而相控阵也利用同样的频率，聚焦孔径尺寸，聚焦长度，以及入射角。

和常规超声检测一样，相控阵也是利用扫查来采集数据。但是其激发电脉冲和超声波的接收则对于扫查图形的变化提供了重要的信息。

超声相控阵是一种特殊的超声检测技术，类似相控阵雷达、声纳和其他波动物理学应用的原理。当然，超声波具有波长较短，模式变化，以及更多复杂成分的特性。应用于材料损评价（NDE）领域的工业超声相控阵技术来源于70年代医学诊断设备首先采用的相控阵技术。

超声相控阵的关键是采用了全新的发生与接收超声波的方法，它利用精密复杂的多晶片阵列探头和功能强大的软件来控制高频声束，使其通过被检测材料，并显示保真的（或几何校正的）回波图像，所生成材料内部结构的图像类似于医用超声波图像。相控阵技术不仅是探查缺陷，而且在检测诸如压力容器和管路的腐蚀和绘制腐蚀图等方面也有其独特的功效。

常规的超声检测通常采用一个压电晶片来产生超声波，一个压电晶片只产生一个固定的声束，其传递是预先设计选定，并且不能变更。

超声相控阵技术是采用许多个小的压电晶片（例如128个晶片），由这些小压电晶片组成组件辐射的总能量形成超声束。

通过在不同的时间内相继激发一个阵列式探头的各个单元，可以将超声波前聚焦并控制到一个特定的方向。另外，电子上为一个阵列确定相位顺序和相继激发的速度可以使探头“扫描”或“扫调”通过一个选择的波束角或一个检测的区域，而不需要对探头进行人工操作。

电子线性扫描

电子线性扫描（E-扫描）是通过多路技术以相同的聚焦规则（时间延迟）沿阵列来实现的。典型的阵列可达到128个压电元件。E扫描能够实现用一个紧凑的焦点来快速覆盖。如果阵列是平面并且线形的，则扫查图形是简单的B扫描。如果阵列是曲面的，则扫查图形也将是曲面的。E扫描可以通过简单编程实现。例如，一个相控阵可以容易地通过编程实现腐蚀绘图，或者利用45°和60°横波检查焊缝，模拟常规的ASME手工检验。

常规手工超声焊缝检验是利用一个单探头实施的，操作者进行前后“扫描”以覆盖焊接区域。许多自动化焊接检验系统也是利用类似的方式，使用一个单探头前后扫查覆盖焊接区域。这是很消耗时间的，而且在扫查开始和结束时系统还有盲区。

作为对照，相控阵利用线性扫描方式。通常使用两个阵列探头分布于焊缝两侧。它能产生上千种不同的超声束，可配置40°到70°范围的扫查角度（β角），以满足分区扫查所需要的各种角度。这里探头是线性地在焊缝周围或者沿焊缝扫查，每个探头扫过焊缝的整个规定区域。它常常可以利用相控阵实现更多的波束（相当于单独的常规探头）同时扫描。线性扫描是最简单的方式，例如用于轧管、ERW焊接管的检验。

扇形扫描（S-扫描）是相控阵所独有的。它利用同组压电元件但是由编程改变时间延迟来控制波束通过一系列角度来实现扫查。

S扫描的典型应用例如一个固定阵列，扫查横过一个相对达不到的构件，如涡轮转子叶片，并绘出叶片的形貌与缺陷。S扫描也可以用于检验焊缝，但是有一定局限，主要取决于阵列的频率和压电元件的间距，扇形扫描的角度可以从±20°到±80°变化。

组合扫描是结合了线性扫描、扇形扫描和精确聚焦而得到的实用的综合显示。对于焊缝和其他构件可以选择最适宜的角度，在电子扫描中可以快速有效地检验。例如，结合线性与纵波的扇形扫描可以在一个给定的角度范围内使超

声束完全覆盖被检验的构件，例如±20°。当使用简单的直波束不能充分检验到所有需要检查的区域时，这种组合扫描的检验就体现出优势了。在焊缝检验中，对于给定的焊缝几何形状常常要求规定的角度。对于这些应用，可通过针对特定的焊缝倾斜角编程来实现在规定的位置上达到精确的波束角度。

以管道环焊缝的检测为例，采用区域划分法，根据壁厚、坡口形式、填充次数将焊缝分成垂直方向上的几个区，每个分区高度一般为1～3mm，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查（每个区都由一组独立的晶片进行扫查），检测主声束的角度按照主要缺陷的方向来设定（例如在自动焊中主要是未熔合，即将波束尽量垂直于熔合线），通常采用聚焦声束进行扫查，焦点尺寸一般为2mm或更小。它们可以有效的检测各自的区域，而且临近区域反射体上的重叠最小。每个分区以焊缝中心线为界，分为上游、下游两个通道，其检测结果在带状图上以相对应的通道显示出。再辅以TOFD（衍射时差法）和Ｂ扫描功能，对焊缝进行分析、判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊缝未熔合超声检测方法，可以检测任意界面的超声波图像，同时能够生成任意界面的焊缝三维实体图像，通过与任一界面的C扫描结果图像对比，更加方便检测人员定位和定量缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，利用超声相控阵B扫描图像中的四边形闸门法来重构工件任意截面内的缺陷图像，并利用计算机三维可视化技术，将任意截面内的缺陷检测结果对应显示在三维焊缝实体图形中。

所述四边形闸门通过待测工件平面的几何位置和形状，利用镜像原理和传播声程来定量确定。

所述闸门确定步骤为：将检测焊缝图像按照底面镜像，在镜像后的图像中依据超声波的传播声程来选取闸门，闸门可以是任意四边形。

所述闸门开始和结束的两边平行于焊缝侧壁并位于侧壁一前一后位置。

所述三维焊缝实体图形为结合检测结果的C扫描图像和计算机三维可视化技术声程的焊缝三维模型。

所述三维焊缝实体图像为焊缝侧壁未融合检测结果与工件三维几何结构进行对应显示的图像。

本发明的有益效果如下：

1、引入四边形闸门的确定方法，使超声波可以检测任意截面或者斜面的超声波检测图像。

2、利用本发明的超声波检测方法可以获得工件任意斜面的超声C扫描检测结果。

3、应用计算机三维可视化技术，让检测结果更加直观地显示到工件三维几何图形中，方便检测人员定位和定量缺陷。

附图说明

图1是V字型焊缝结构分析原理图。

图2是现阶段相控阵数据闸门选取方式示意图。

图3是四边形闸门选取方式示意图。

图4是本发明方法的C扫描结果图。

图5是C扫描结果三维可视化结果图。

1、工件任一界面，2、相控阵换能器楔块，3、工件主体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法进行详细描述，利用超声相控阵B扫描图像中的四边形闸门法来重构工件任意截面内的缺陷图像，并利用计算机三维可视化技术，将任意截面内的缺陷检测结果对应显示在三维焊缝实体图形中。

如图3所示：四边形闸门通过待测工件平面的几何位置和形状，利用镜像原理和传播声程来定量确定。闸门确定步骤为：将检测焊缝图像按照底面镜像，在镜像后的图像中依据超声波的传播声程来选取闸门，闸门可以是任意四边形。闸门开始和结束的两边平行于焊缝侧壁并位于侧壁一前一后位置。

如图4和图5所示：三维焊缝实体图形为结合检测结果的C扫描图像和计算机三维可视化技术声程的焊缝三维模型。三维焊缝实体图像为焊缝侧壁未融合检测结果与工件三维几何结构进行对应显示的图像。

为了克服现有的超声相控阵C扫描成像只能单一显示水平面内检测结果，难以显示焊缝侧壁未熔合这种倾斜面内缺陷分布情况，本发明提出四边形闸门的选取方法。该方法通过任意四边形的闸门来对应工件当中的任意斜面，并通过这个斜面对应的数据来获得该斜面的C扫描图像。

进一步，对于C扫描结果的显示，目前的超声相控阵的检测结果只能是一张二维的平面扫查结果图像，这样跟实际的斜面的结果就很难对应起来。本发明通过结合计算机的三维可视化技术和C扫描结果，能够在三维的计算机场景当中显示焊缝的三维模型，并且显示待检测面的C扫描结果。

下面以V字型焊缝为例说明本发明的闸门选取方法和检测结果三维可视化。V字型的焊缝结构分析如图1，这里用到工件底面反射波来垂直工件侧壁入射，进而检测工件侧壁未融合。传统超声相控阵闸门的选取方式如图2所示，该方法难以准确显示焊缝侧壁位置的缺陷分布状态。本发明的闸门确定方式首先从几何位置来确定闸门四边形位置，首先将检测焊缝图像按照底面镜像，在镜像后的图像中依据传播声程来选取闸门，闸门的区域如图3所示。本发明对焊缝侧壁未熔合的C扫描成像结果如图4所示。进一步，我们将焊缝侧壁未融合检测结果与工件三维几何结构进行对应显示，如图5所示。同理，依据本方可以检测和显示其它任意斜面的缺陷情况。

具体步骤总结为：在相控阵B扫描图像中设置任意四边形闸门，四边形闸门依据被显示截面的几何结构确定，具体利用镜像原理和传播声程来定量确定，依据该四边形闸门来重构该截面的C扫描数据，利用计算机可视化技术显示C扫描图像到工件三维几何模型中。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，其特征在于：利用超声相控阵B扫描图像中的四边形闸门法来重构工件任意截面内的缺陷图像，并利用计算机三维可视化技术，将任意截面内的缺陷检测结果对应显示在三维焊缝实体图形中；

所述四边形闸门通过待测工件平面的几何位置和形状，利用镜像原理和传播声程来定量确定。

2.根据权利要求1所述的一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，其特征在于：所述闸门确定步骤为：将检测焊缝图像按照底面镜像，在镜像后的图像中依据超声波的传播声程来选取闸门，闸门可以是任意四边形。

3.根据权利要求2所述的一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，其特征在于：所述闸门开始和结束的两边平行于焊缝侧壁并位于侧壁一前一后位置。

4.根据权利要求1所述的一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，其特征在于：所述三维焊缝实体图形为结合检测结果的C扫描图像和计算机三维可视化技术声程的焊缝三维模型。

5.根据权利要求4所述的一种焊缝侧壁未熔合自动超声成像与可视化方法，其特征在于：所述三维焊缝实体图形为焊缝侧壁未融合检测结果与工件三维几何结构进行对应显示的图像。