CN107085038A - 各向异性焊缝缺陷阵列检测的修正的全聚焦成像方法 - Google Patents
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Abstract
各向异性焊缝缺陷阵列检测的修正的全聚焦成像方法，属于无损检测领域。该方法通过对相控阵一维线性阵列传感器接收的全矩阵数据进行处理，考虑材料的各向异性，计算超声波在各向异性介质中的群速度，然后利用基于费马原理的射线追踪算法计算超声波在各向异性介质中的传播时间，最终实现各向异性焊缝的全聚焦成像。其优势在于通过考虑焊缝的各向异性，将运行效率较高的基于费马原理的射线追踪方法和全聚焦成像方法相结合，解决了常规的全聚焦成像对各向异性介质中的缺陷定位不准的问题，同时，提高了相控阵在各向异性介质的中的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种各向异性焊缝缺陷阵列检测的修正的全聚焦成像方法，特别是一种适用于以奥氏体不锈钢为代表的各向异性焊缝中缺陷定位的超声阵列检测方法，其将射线追踪算法与全聚焦成像方法相结合对相控阵采集的全矩阵数据进行处理，实现对各向异性焊缝中缺陷的准确定位，属于无损检测领域。
背景技术
奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性、抗氧化性及低温韧性等特点，被广泛应用于石油化工、机械制造和核电等重大基础行业的关键部位，如核电中的冷却剂管道，航天器中的机身、舱壁及压力容器等。在这些大型设备中，奥氏体不锈钢结构间的连接多采用焊接方式。受焊接设备、焊接材料、焊接工艺、材料残余应力及结构尺寸等因素的影响，焊缝中易产生不同数量和程度的焊接缺陷。此外，这些大型设备多运行在高温、高压及腐蚀等恶劣环境中，而焊缝是整个设备的薄弱部位，极易产生应力腐蚀、裂纹等各类危害性缺陷，成为影响重大设备安全运行的事故隐患。
目前，工程上常用的焊缝无损检测方法包括：渗透法、射线法及超声法等。渗透法可检测焊缝表面开口缺陷，但检测程序繁琐、周期长；射线法主要用于焊缝内部缺陷检测，但这种检测方法对人体有害，且对焊缝中危害性较大的裂纹、未熔合等面积型缺陷不敏感；超声检测技术具有穿透力强、灵敏度高、无毒无害、检测速度快、易实现自动化等特点，且对焊缝中的缺陷定位定量精度较高。因此，超声无损检测在奥氏体不锈钢焊缝检测中得到了广泛应用，已成为该领域中最为常用的检测方法。
在焊接过程中，在焊接热循环的作用下，焊缝内部会形成柱状晶组织，柱状晶具有非均匀性和各向异性。虽然大部分的柱状晶体都具有各向异性，但当晶粒尺寸远小于超声波波长时，其对超声的传播影响较小，同时晶粒取向随机分布使材料整体呈现各向同性，因此，可以作为各向同性材料处理。而奥氏体焊缝中晶粒粗大，大概为超声波波长的几倍，超声波在其中传播时会发生畸变、分离和曲线传播等行为，严重影响超声波检测的定位精度和检测灵敏度。因此，奥氏体不锈钢焊缝的上述组织特点，大大增加了超声波在焊缝中传播的复杂性和检测的难度。
随着工业生产和科学技术的进步，超声相控阵技术是近年来超声检测中的一个新的技术热点。目前，国内外学者使用相控阵技术开展了对焊缝的检测研究。但都是基于商用超声相控阵系统进行的检测，因此，均未考虑焊缝的各向异性和非均匀性。
本发明考虑各向异性的微观结构，结合基于费马原理的射线追踪算法，对现有的全聚焦成像算法进行修正，使全聚焦成像算法适用于各向异性焊缝的缺陷检测。
发明内容
本发明的内容在于提出一种适用于各向异性焊缝内部缺陷识别的全聚焦成像方法。通过相控阵采集全矩阵数据，然后对采集的数据进行全聚焦处理。在进行全聚焦成像时，需要计算阵元到各聚焦点的距离及时间。考虑焊缝的各向异性，使用基于费马原理的射线追踪算法对声束在焊缝中的传播路径进行追踪，进行计算传播时间，在此基础上，运用全聚焦成像的方法进行成像，从而正确显示缺陷的位置。
本发明提出的适用于各向异性焊缝内部缺陷识别的修正的全聚焦成像方法，其基本在于。
1)通过商用相控阵进行检测实验；实验中采用相控阵探头通过全矩阵模式采集得到时域信号gij(t),(i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N)，其中，下标i表示第i个阵元激励，j表示第j个阵元接收；
2)对采集到的全矩阵时域信号gij(t)进行Hilbert变换得到信号的包络hij(t)；
3)根据费马原理的射线追踪方法计算激励、接收阵元与成像点的传播时间tij(x,z)即每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间tij(x,z)；
4)将每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间tij(x,z)代入到全聚焦公式聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)，在每个像素点进行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像结果；
5)输出成像结果，从成像结果可以看出实际缺陷的位置；
假设采用一维线性相控阵的阵元个数为N，其中阵元i为激励阵元，阵元j为接收阵元。由激励阵元i激励的声束到达待测试件成像区域聚焦点(x,z)处，然后由此聚焦点反射后经楔块为接收阵元j所接收。每个阵元都激励出声束，被所有阵元所接收，那么就会得到N×N组全矩阵数据hij(t)，则聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)可表示为
其中，hij(tij(x,z))为时域信号取希尔伯特包络后对应的聚焦点(x,z)的幅值信息，tij(x,z)为声束从激励阵元i到达聚焦点(x,z)后，再经传播至接收阵元j所用的时间；设待测试件内波速为v，则传播时间tij(x,z)为：
其中，xi表示激励阵元位置，xj表示接收阵元位置。速度v为变量，表示当前位置处的群速度，是与φ和θ相关的函数，φ表示当前聚焦点位置的晶粒方向，θ表示聚焦点处波的入射方向；当超声波传播的介质的弹性常数已知的条件下，速度v与晶粒方向φ和声束的入射方向θ有关。由于波的互易性，所以只需求出激励阵元至聚焦点的传播时间。
由于焊缝内部晶粒方向分布不是唯一的固定值，因此，若按常规的方法先求解速度，然后计算时间，这样运算量会非常大。本发明拟采用费马原理可以计算出超声波在各向异性介质中的传播时间tij，代入公式(1)即可实现各向异性介质的全聚焦成像的聚焦点(x,z)的幅值。
根据超声波波的波动方程可以推导出各向异性介质中超声波的群速度v的不同方向的速度分量va表达式：
其中，Candl为材料的刚度系数矩阵，a、n、d和l为指标符号，且取值为1、2、3；分别表示x、y、z三个坐标轴方向；a和l为自由标，n和d为哑标，p为极化矢量，与波的入射方向有关；ρ为密度，慢度矢量m＝k/ω；k为波矢量，ω为角频率；最终的群速度v为三个方向的速度分量的合成矢量。
当晶粒方向发生变化时，材料的刚度系数矩阵会随着晶粒方向进行旋转，即进行坐标转换；结合公式(4)得出，超声波在各向异性介质中的传播速度与波的入射方向和当前的晶粒方向有关；在此基础上，对超声波的传播路径进行追踪；焊缝母材区为各向同性介质，焊缝区为各向异性介质。
基于费马原理的射线追踪原理；对焊缝边界上的点进行离散化；首先计算激励阵元到各边界上离散点的时间；然后计算边界上的离散点到聚焦点之间的时间；把计算的两个时间相加即为超声波从激励阵元到聚焦点的传播时间；最后比较所有路径中传播时间最短的路径即为波的传播路径。
所述的各向异性焊缝的修正的全聚焦成像方法，其特征在于：所述的全聚焦成像方法是相控阵在与基于费马原理的射线追踪算法完成的。
本发明具有以下优点：(1)考虑材料的各向异性，对超声波在各向异性材料中的传播的速度与超声波的入射方向和晶粒的分布建立了关系；(2)在材料微观晶粒方向已知的情况下，可以对超声波在各向异性材料中的传播路径进行跟踪；(3)考虑材料的各向异性，并与射线追踪算法相结合，对常规的全聚焦成像方法进行了修正，使超声波在检测各向异性材料时对缺陷定位更加准确，解决了超声波对各向异性材料中的缺陷定位不准确的问题。
附图说明
图1是基于费马原理的射线追踪方法示意图；
图2是各向异性焊缝缺陷阵列检测的全聚焦成像流程图；
图3是常规的全聚焦成像结果图；
图4是修正的全聚焦成像结果图；
图5是焊缝多晶层模型示意图；
其中：1—阵列；2—各向同性材料；3—各向异性材料；4—焊缝边界；5—边界上离散点；6—待确定的追踪声线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
被检测对象为316不锈钢焊缝，母材看作为各向同性材料，焊缝区看作为各向异性材料。
基于费马原理的射线追踪原理如图1所示。对图中V型焊缝边界上的点进行离散化。
316不锈钢的弹性常数矩阵如下：
316不锈钢的密度为8120kg/m3。各向异性焊缝部分设为单层晶粒，方向为0°。缺陷位于(-5,30)。缺陷类型为圆通孔，直径为1mm。
如图3所示，基于各向异性焊缝的全聚焦成像方法的具体实施步骤为：
6)通过商用相控阵进行检测实验。实验中所用相控阵探头的阵元个数为N，通过全矩阵模式采集得到时域信号gij(t),(i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N)，其中，下标i表示第i个阵元激励，j表示第j个阵元接收。
7)对采集到的全矩阵时域信号gij(t)进行Hilbert变换得到信号的包络hij(t)。
8)根据费马原理的射线追踪方法计算激励、接收阵元与成像点的传播时间tij(x,z)。
9)将每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间tij(x,z)，代入到全聚焦公式，在每个像素点进行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像结果。
10)输出成像结果，从成像结果可以看出实际缺陷的位置。
图3为常规全聚焦成像结果，缺陷定位有一定的偏差。图4为修正后的全聚焦成像结果，可以看出，此方法可以准确定位缺陷。
上述步骤中，换能器阵列数目N为16。
上述的焊缝模型中，晶粒方向可分为单层，也可分为多层。
实施例2
也可以根据晶粒方向对焊缝模型进行分区即将焊缝分为多层晶粒方向结构；参见图5；首先计算初始点激励阵元到各层边界上离散点的时间；然后计算目标点所在层的与前一层交界线上的离散点到目标点之间的时间；由于波的入射方向为未知量，所以不能直接计算速度。根据目标点所在层的与前一层交界线上的离散点与目标点的连线可以求出波的传播方向，根据波的传播方向可以反推出波的入射方向；已知波的入射方向和晶粒方向可以计算群速度，进而求得传播时；最后比较所有路径中总传播时间最短的路径即为波的传播路径；将所得最终时间带入公式即可。
上述步骤只是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。
Claims (2)
1.适用于各向异性焊缝内部缺陷识别的修正的全聚焦成像方法，其基本在于，包括以下步骤：
1)通过商用相控阵进行检测实验；实验中采用相控阵探头通过全矩阵模式采集得到时域信号gij(t),(i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N)，其中，下标i表示第i个阵元激励，j表示第j个阵元接收；
2)对采集到的全矩阵时域信号gij(t)进行Hilbert变换得到信号的包络hij(t)；
3)根据费马原理的射线追踪方法计算激励、接收阵元与成像点的传播时间tij(x,z)即每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间tij(x,z)；
4)将每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间tij(x,z)代入到全聚焦公式聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)，在每个像素点进行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像结果；
5)输出成像结果，从成像结果可以看出实际缺陷的位置；
假设采用一维线性相控阵的阵元个数为N，其中阵元i为激励阵元，阵元j为接收阵元。由激励阵元i激励的声束到达待测试件成像区域聚焦点(x,z)处，然后由此聚焦点反射后经楔块为接收阵元j所接收；每个阵元都激励出声束，被所有阵元所接收，那么就会得到N×N组全矩阵数据hij(t)，则聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)表示为
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其中，hij(tij(x,z))为时域信号取希尔伯特包络后对应的聚焦点(x,z)的幅值信息，tij(x,z)为声束从激励阵元i到达聚焦点(x,z)后，再经传播至接收阵元j所用的时间；设待测试件内波速为v，则传播时间tij(x,z)为：
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其中，xi表示激励阵元位置，xj表示接收阵元位置；速度v为变量，表示当前位置处的群速度，是与φ和θ相关的函数，φ表示当前聚焦点位置的晶粒方向，θ表示聚焦点处波的入射方向；当超声波传播的介质的弹性常数已知的条件下，速度v与晶粒方向φ和声束的入射方向θ有关；
由于焊缝内部晶粒方向分布不是唯一的固定值，采用费马原理可以计算出超声波在各向异性介质中的传播时间tij，代入公式(1)即可实现各向异性介质的全聚焦成像的聚焦点(x,z)的幅值；
根据超声波波的波动方程可以推导出各向异性介质中超声波的群速度v的不同方向的速度分量va表达式：
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其中，Candl为材料的刚度系数矩阵，a、n、d和l为指标符号，且取值为1、2、3；分别表示x、y、z三个坐标轴方向；a和l为自由标，n和d为哑标，p为极化矢量，与波的入射方向有关；ρ为密度，慢度矢量m＝k/ω；k为波矢量，ω为角频率；最终的群速度v为三个方向的速度分量的合成矢量；
当晶粒方向发生变化时，材料的刚度系数矩阵会随着晶粒方向进行旋转，即进行坐标转换；结合公式(4)得出，超声波在各向异性介质中的传播速度与波的入射方向和当前的晶粒方向有关；在此基础上，对超声波的传播路径进行追踪；焊缝母材区为各向同性介质，焊缝区为各向异性介质；
基于费马原理的射线追踪原理，对焊缝边界上的点进行离散化，首先计算激励阵元到各边界上离散点的时间。然后计算边界上的离散点到聚焦点之间的时间；把计算的两个时间相加即为超声波从激励阵元到聚焦点的传播时间；最后比较所有路径中传播时间最短的路径即为波的传播路径。
2.按照权利要求1所述的适用于各向异性焊缝内部缺陷识别的修正的全聚焦成像方法，其基本在于，由于波的互易性，所以公式求取(2)时只需求出激励阵元至聚焦点的传播时间；
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