CN114235953B - 一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声无损检测领域，公开了一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的时间或回波深度为基准，确定出加强筋处的扫查路径；沿扫查路径方向移动探头位置，使探头的移动方向与加强筋处焊缝方向平行，扇扫视图中出现疑似缺陷后，沿扫查路径方向前后移动探头，找出检测缺陷的最佳位置范围，确定型腔内部加强筋附近微小缺陷的位置信息；使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，通过对采集到的射频信号的加权处理，来进一步实现对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强，从而提高封闭型窄腹板扩散焊精密构件内部微小缺陷的分辨率和信噪比。

Description

一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测 方法

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，主要涉及一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法。

背景技术

由于含型腔扩散焊零件内部带有复杂型腔，型腔与型腔之间为加强筋结构，且其加强筋处焊缝宽度范围在3～4mm之间。常规射线检测，工业CT检测，对封闭型构件内部焊缝的检测存在小尺寸缺陷定量不准确、成本过高等问题。而磁粉检测和渗透检测只能检测表面缺陷。目前针对封闭型构件的检测方法主要是超声检测，但常规超声相控阵探头的直径较大，在对毫米级的加强筋进行检测时，受限于加强筋宽度，常规超声检测难以有效射入加强筋内部，或加强筋内部声传播复杂导致缺陷难以识别。

而相控阵超声扇形扫描检测通过控制声束的偏转可实现声束的定向扫查，通过控制声束的聚焦可以实现任意位置的动态深度聚焦和多角度、多方位的扫查。相控阵超声扇形扫描检测时，含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处会出现高强度的结构波，由于扇形扫描使用的换能器阵元数较少，成像质量受到孔径限制，当结构波与微小缺陷重合或邻近时，扇扫图像的成像分辨率精度不佳，使检测人员对缺陷回波的辨别与分析存在一定的干扰，容易造成缺陷的漏检，导致其在服役过程中存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，解决了目前相控阵超声检测方法容易造成缺陷的漏检，导致其在服役过程中存在安全隐患的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，包括以下步骤：

步骤一、将超声相控阵探头放置在含型腔扩散焊零件上，利用相控阵扇扫描成像方法，以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的时间为基准，或以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的回波深度为基准，确定型腔内部加强筋的位置和方向，之后使超声相控阵探头发射声束主声轴方向与加强筋的焊接方向平行，确定出加强筋处的扫查路径；

步骤二、沿扫查路径方向移动超声相控阵探头位置，使超声相控阵探头的移动方向与加强筋处焊缝方向平行；

扇扫视图中出现疑似缺陷后，沿扫查路径方向前后移动超声相控阵探头，找出检测缺陷的最佳位置范围，确定型腔内部加强筋附近微小缺陷的位置信息。

进一步，步骤一具体为：

将超声相控阵探头放置在含型腔扩散焊零件上，观察成像图并移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像显示的是底面回波时，判断此时超声相控阵探头在含型腔扩散焊零件的实心结构上方；

继续移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像显示的是型腔上空腔反射回波时，判断此时超声相控阵探头在型腔上方；

继续移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像中出现多次回波时，判断此时超声相控阵探头在加强筋正上方，转动超声相控阵探头使超声相控阵探头的发射声束主声轴与加强筋处焊缝平行；

确定型腔内部加强筋的位置后，移动超声相控阵探头，当扇形扫描图像中回波位置不变时，此移动方向则为加强筋处的扫查路径。

进一步，步骤二中，沿扫查路径方向前后移动探头时，探头放置在扇扫视图中偏离缺陷正上方方位角10°～20°位置。

进一步，在步骤二之后，还包括以下步骤：

使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，对采集到的射频信号进行加权处理，完成对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强。

进一步，使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，对采集到的射频信号进行加权处理的具体包括以下步骤：

3.1、采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据，所述原始数据为一个延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…M}，数据集中的任意数据S_m表示第m个阵元接收到的N个角度下的射频信号，并以N_t×N_f×M三维矩阵形式保存；

其中第一维度N_t代表信号的采样点数，N_f为扇形扫描图像中的波束角度数，M为超声相控阵探头的接收阵元数；

3.2、根据射频信号解析表达式S(τ)＝Q(τ)+jI(τ)，将射频信号数据集{S_m＝1,2…M}拆分为同相分量集{Q_m＝1,2…M}和正交分量集{I_m＝1,2…M}，分别保存为N_t×N_f×M三维矩阵Q和I，利用反正切函数关系式B＝atan(I/Q)求得三维矩阵B，并形成数据集{B_m＝1,2…M}；

3.3、令q_m＝cos B_m，i_m＝sin B_m，通过数据集{B_m＝1,2…M}求得数据集{q_m＝1,2…M}和{i_m＝1,2…M}，m表示接收阵元序号，m＝1：M；

利用for循环分别求出数据集{S_m＝1,2…M}中m个数据的和∑S、{q_m＝1,2…M}中m个数据的平方和∑q²、及{i_m＝1,2…M}中m个数据的平方和∑i²；

3.4、令S＝∑S，W＝sqrt(∑q²+∑i²)，最后通过矩阵S与W的点乘，完成对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强。

进一步，步骤3.4中，矩阵S与W的点乘后，得到优化处理后的扇形扫描图像，优化处理后的扇形扫描图像均在0～-35dB的动态显示范围内。

进一步，检测时，超声相控阵探头的检测参数为：采样频率f_s＝30MHz，发射/接收阵元数均为32，发射角度θ为-30°～30°，角度间隔1°，共61个发射角度。

进一步，超声相控阵探头是型号为L5L64-0.6×10-C77。

进一步，超声相控阵探头的中心频率f_c＝5MHz，阵元数为64，阵元中心间距为0.6mm，阵元长度为10mm，阵元宽度为0.55mm。

进一步，超声相控阵探头所发射的超声波的传播速度设为6150m/s，聚焦深度28mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，将探头放置在含型腔扩散焊零件上，使超声相控阵探头发射声束主声轴方向与加强筋的焊接方向平行，沿加强筋平行方向移动探头，使缺陷位置偏离非缺陷结构波，从而减弱非缺陷回波对缺陷观察的影响。通过调整超声探头的摆放位置，确定型腔内部加强筋的位置和扫查路径，从而达到削弱复杂反射造成的非缺陷结构波干扰，确定型腔内部加强筋附近微小缺陷的位置信息，一定程度上解决了扇形扫描图像中结构波与微小缺陷难以分辨的问题。本发明所提出的方法属于超声无损检测领域，非常适合于提高无损检测的缺陷检测能力，且易于在通用探伤仪上实现，具有良好的推广及应用前景。

进一步，在此基础上采集超声相控阵扇形扫描的原始数据，将射频数据拆分为同相分量集和正交分量集，利用反正切函数关系和正弦余弦函数得到两个数据集，并对其做平方和的开方处理，得到处理后的矩阵，利用此矩阵对叠加后的射频信号做优化处理，来实现对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强，从而进一步抑制加强筋复杂反射造成的非缺陷结构波干扰。通过对扇形扫描信号的算法优化，进一步削弱结构波干扰，减小结构波附近的伪影，令结构波成像区域变窄，同时微小缺陷的幅值增大，有效提高相控阵超声扇形扫描对含型腔扩散焊零件加强筋内部微小缺陷的检测能力。

进一步，沿扫查路径方向前后移动探头时，探头放置在扇扫视图中偏离缺陷正上方方位角10°～20°位置，这样放置可以获得较好的缺陷检出效果。

附图说明

图1是本发明中含型腔扩散焊零件的俯视图；

图2为本发明中含型腔扩散焊零件的正视图；

图3是超声信号采集检测系统的示意图；

图4是超声检测探头的摆放位置和移动方向；

图5是含型腔扩散焊零件不同内部结构处的扇形扫描图像；图5(a)为底面回波对应的扇形扫描图像；图5(b)为型腔上空腔反射回波对应的扇形扫描图像，图5(c)为加强筋处回波对应的扇形扫描图像；

图6是加强筋正上方探头不同摆放位置的扇形扫描图像；图6(a)为探头处于图4中位置A时的扇形扫描图像；图6(b)为探头处于图4中位置B时的扇形扫描图像；图6(c)为探头处于图4中位置C时的扇形扫描图像；

图7是削弱非缺陷结构波干扰的算法流程图；

图8是算法处理后的含型腔扩散焊零件的扇形扫描图像；图8(a)为图6(a)加权后的扇形扫描图像；图8(b)为图6(b)加权后的扇形扫描图像；图8(c)为图6(c)加权后的扇形扫描图像。

其中，1为主机，2为显示器，3为超声信号采集系统，4为面板，5为超声相控阵探头，6为含型腔扩散焊零件，7为焊缝，8为平底孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的时间为基准，或以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的回波深度为基准，，确定出加强筋处的扫查路径；确定扫查路径；使探头放置在扇扫视图中缺陷偏离正上方方位角10°～20°位置，用于削弱非缺陷结构波的干扰；使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，通过对采集到的射频信号的加权处理，来进一步实现对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强。从而提高封闭型窄腹板扩散焊精密构件内部微小缺陷的分辨率和信噪比。

本实施方案的检测对象是两块带有中空结构的钛合金坯料扩散焊接而成的含型腔扩散焊零件，以下对本发明-一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法的超声相控阵扇形扫描成像流程作进一步详细描述。

如图1和2所示，含型腔扩散焊零件6由两块钛合金材质的零件经扩散焊连接而成，每块钛合金零件长370mm、宽100mm、高28mm，且在其表面存在挖空结构，经扩散焊连接后含型腔扩散焊零件中存在三个型腔，相邻型腔由加强筋结构分隔，加强筋宽度为3mm。为模拟焊缝处缺陷，在含型腔扩散焊零件6中加强筋结构处加工了Φ0.8mm的平底孔8，平底孔8埋深为28mm。

如图3所示，实验检测装置包括主机1、显示器2、超声信号采集系统3及超声相控阵探头5，信号采集系统3上设有面板4。其中，主机1与显示器2、超声信号采集系统3分别通过PCI-E线进行连接。超声相控阵探头5与面板4上的超声波发射/接收32通道接口相连接。

具体地，超声相控阵探头5是型号为L5L64-0.6×10-C77的超声相控阵探头，中心频率f_c＝5MHz，阵元数为64，阵元中心间距为0.6mm，阵元长度为10mm，阵元宽度为0.55mm。超声相控阵探头5置于含型腔扩散焊零件6正上方，对含型腔扩散焊零件6进行扇形扫描成像，具体的步骤如下：

1)首先在显示器2的系统控制程序中设置检测参数：采样频率f_s＝30MHz，发射/接收阵元数均为32，发射角度θ范围为-30°～30°，角度间隔1°，共61个发射角度；本实验超声波在钛合金中的传播速度设为6150m/s，聚焦深度28mm。随后将超声相控阵探头放置在含型腔扩散焊零件6上，观察成像图并移动探头位置，当出现图5(a)中所示回波时，说明此时探头在含型腔扩散焊零件的实心结构上方，扇形扫描图像显示的是底面回波，当出现图5(b)所示回波时，说明此时探头在型腔上方，扇形扫描图像显示的是型腔上空腔反射回波，当图中28mm深位置处出现多次回波时，说明此时探头在加强筋正上方，转动探头使出现图5(c)中所示回波，说明此时探头的发射声束主声轴与加强筋处焊缝平行。确定型腔内部加强筋的位置后，移动探头，当图中回波位置不变时，此移动方向则为加强筋处的扫查路径即图3中箭头所指方向；

2)沿扫查路径方向缓慢移动探头位置，当扇扫视图中出现疑似缺陷回波时，移动探头使缺陷回波置于扇扫视图中心位置，固定探头进行数据采集。为削弱复杂反射造成的非缺陷结构波干扰，沿扫查方向移动探头，使探头置在扇扫视图中缺陷偏离正上方方位角10°～20°位置，如图4所示，位置C为探头放置在缺陷正上方，将探头固定在A、B、C的位置，进行数据采集；通过采集这三处的数据，找出检测缺陷的最佳位置范围；

3)由步骤2)采集得到超声相控阵扇形扫描成像的原始数据，即一个延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…32}，数据集中的任意数据S_m表示第m个阵元接收到的61个角度下的射频信号，并以768×61×32三维矩阵A的形式保存，其中第一维度768代表信号的采样点数，61为扇扫描图像中的波束角度数，32为探头的接收阵元数，将矩阵A的第三维度进行叠加，以发射角度θ为横轴，深度x为纵轴，对其进行图像化显示，图6(a)为探头在位置A扫描得到的扇形扫描图像，图6(b)为探头在位置B扫描得到的扇形扫描图像，图6(c)为探头在位置C扫描得到的扇形扫描图像；

4)如图7所示，为进一步削弱非缺陷结构波的干扰，优化含型腔扩散焊零件6的扇形扫描成像质量，利用射频信号的解析表达式S(τ)＝Q(τ)+jI(τ)，将3)中的射频信号数据集{S_{m＝1,2…,32}}拆分为同相分量集{Q_{m＝1,2…,32}}和正交分量集{I_{m＝1,2…,32}}，并以768×61×32三维矩阵的形式分别保存为矩阵Q和矩阵I，此时矩阵Q和矩阵I中含有幅值常量，根据反正切函数关系式B＝atan(I/Q)得到数据集{B_{m＝1,2…,32}}，同样保存为以768×61×32的三维矩阵B；

5)令q_m＝cos B_m，i_m＝sin B_m，根据4)中的数据集{B_{m＝1,2…,32}}进而求得数据集{q_{m＝1,2…,32}}和{i_{m＝1,2…,32}}；已知m＝1:32，m表示接收阵元的序号，在m＝1:32的for循环内，分别求出61个角度下的数据集{B_{m＝1,2…,32}}中m个数据的和∑S、{q_{m＝1,2…,32}}中m个数据的平方和∑q²、{i_{m＝1,2…,32}}中m个数据的平方和∑i²，即对矩阵B、分别平方后的矩阵Q和矩阵I的第三维度进行叠加，；令S＝∑S，W＝sqrt(∑q²+∑i²)，对S和W作点乘运算，达到对步骤3)中原始扇形扫描成像信号的优化处理，如图7所示即为步骤4)和5)优化算法的流程图，图8为图6优化处理后的扇形扫描图像，所有的扇形扫描图像均在0～-35dB的动态显示范围内。

扇形扫描固定发射角度后，其声束形状确定。探头移动时，阵元与缺陷的相对位置发生改变，缺陷在扇扫图像中的位置反映了探头与缺陷的实际位置关系。

由图6当探头位置移动时缺陷位置随之移动，当探头移动使缺陷偏离结构波位置时，可以观察到缺陷的位置；对比图6发现，图8中结构波与微小平底孔之间边界清晰，且两者横向宽度变窄，缺陷聚焦效果明显增强，说明经过算法优化处理后的扇形扫描图像的分辨率明显增强，图像质量得到改善，同时提高了含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的检测能力。

Claims (6)

1.一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将超声相控阵探头放置在含型腔扩散焊零件上，利用相控阵扇扫描成像方法，以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的时间为基准，或以扇形扫描视图中超声波到达型腔上空腔的回波深度为基准，确定型腔内部加强筋的位置和方向，之后使超声相控阵探头发射声束主声轴方向与加强筋的焊接方向平行，确定出加强筋处的扫查路径；

步骤二、沿扫查路径方向移动超声相控阵探头位置，使超声相控阵探头的移动方向与加强筋处焊缝方向平行；

扇扫视图中出现疑似缺陷后，沿扫查路径方向前后移动超声相控阵探头，找出检测缺陷的最佳位置范围，确定型腔内部加强筋附近微小缺陷的位置信息；

在步骤二之后，还包括以下步骤：

使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，对采集到的射频信号进行加权处理，完成对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强；

所述使用相控阵超声扇形扫描方法对含型腔扩散焊零件内部加强筋结构处回波信号进行采集，对采集到的射频信号进行加权处理，具体包括以下步骤：

3.1、采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据，所述原始数据为一个延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…M}，数据集中的任意数据S_m表示第m个阵元接收到的N个角度下的射频信号，并以N_t×N_f×M三维矩阵形式保存；

其中第一维度N_t代表信号的采样点数，N_f为扇形扫描图像中的波束角度数，M为超声相控阵探头的接收阵元数；

3.2、根据射频信号解析表达式S(τ)＝Q(τ)+jI(τ)，将射频信号数据集{S_m＝1,2…M}拆分为同相分量集{Q_m＝1,2…M}和正交分量集{I_m＝1,2…M}，分别保存为N_t×N_f×M三维矩阵Q和I，利用反正切函数关系式B＝atan(I/Q)求得三维矩阵B，并形成数据集{B_m＝1,2…M}；

3.3、令q_m＝cos B_m，i_m＝sin B_m，通过数据集{B_m＝1,2…M}求得数据集{q_m＝1,2…M}和{i_m＝1,2…M}，m表示接收阵元序号，m＝1：M；

利用for循环分别求出数据集{S_m＝1,2…M}中m个数据的和∑S、{q_m＝1,2…M}中m个数据的平方和∑q²、及{i_m＝1,2…M}中m个数据的平方和∑i²；

3.4、令S＝∑S，W＝sqrt(∑q²+∑i²)，最后通过矩阵S与W的点乘，完成对非缺陷回波信号的抑制和缺陷回波信号的增强；

步骤3.4中，矩阵S与W的点乘后，得到优化处理后的扇形扫描图像，优化处理后的扇形扫描图像均在0～-35dB的动态显示范围内。

2.根据权利要求1所述的一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，步骤一具体为：

将超声相控阵探头放置在含型腔扩散焊零件上，观察成像图并移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像显示的是底面回波时，判断此时超声相控阵探头在含型腔扩散焊零件的实心结构上方；

继续移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像显示的是型腔上空腔反射回波时，判断此时超声相控阵探头在型腔上方；

继续移动超声相控阵探头位置，当扇形扫描图像中出现多次回波时，判断此时超声相控阵探头在加强筋正上方，转动超声相控阵探头使超声相控阵探头的发射声束主声轴与加强筋处焊缝平行；

确定型腔内部加强筋的位置后，移动超声相控阵探头，当扇形扫描图像中回波位置不变时，此移动方向则为加强筋处的扫查路径。

3.根据权利要求1所述的一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，步骤二中，沿扫查路径方向前后移动探头时，探头放置在扇扫视图中偏离缺陷正上方方位角10°～20°位置。

4.根据权利要求1所述的一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，检测时，超声相控阵探头的检测参数为：采样频率f_s＝30MHz，发射/接收阵元数均为32，发射角度θ为-30°～30°，角度间隔1°，共61个发射角度。

5.根据权利要求1所述的一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，超声相控阵探头的中心频率f_c＝5MHz，阵元数为64，阵元中心间距为0.6mm，阵元长度为10mm，阵元宽度为0.55mm。

6.根据权利要求1所述的一种含型腔扩散焊零件加强筋内部缺陷的超声相控阵检测方法，其特征在于，超声相控阵探头所发射的超声波的传播速度设为6150m/s，聚焦深度28mm。