CN115993398A - 一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，提出了一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法。采用由相控阵超声检测仪、相控阵探头和匹配斜楔块构成的检测系统，依据板材焊缝厚度和表面余高或凹陷宽度，选择合适的高阶模式波并采集对应全矩阵信号；基于费马定理，计算得到各重建点对应模式波所需的传播时间；最后，对待测区域逐点进行延时叠加处理，实现薄板焊缝缺陷的轮廓重建与定量检测。该方法考虑薄板内部多样化的声束传播路径，选择声束路径更长、声场覆盖范围更大的高阶模式波进行检测，从而避免焊接余高或凹陷对探头和楔块布置的限制，能够重建薄板焊缝缺陷的完整轮廓，且定量检测精度较高，具有较好的工程应用前景。

Description

一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法。

背景技术

焊接过程中受应力、电流和化学成分等因素影响，导致焊缝表面及内部产生缺陷。其中，焊接裂纹等面积型缺陷危害最严重，其在一定条件下会不断生长直至断裂，导致焊接结构失效。超声检测穿透力强，对面积型缺陷敏感，已经成为焊接缺陷检测的重要方法。然而，常规超声检测方法声场覆盖范围小，且受焊缝余高和凹陷影响，不利于薄板结构缺陷的特征识别和定量检测。

针对上述问题，国内外学者通过结合超声信号后处理技术，提高成像质量并进行缺陷轮廓表征，从而实现缺陷识别和定量检测。目前，相控阵超声结合合成孔径聚焦和全聚焦等方法能够扩大检测范围，但只能重建取向与主声束方向近似垂直的面积型缺陷轮廓，否则只能给出端点散射位置，难以得到缺陷完整信息。在此基础上，多模式全聚焦方法利用相控阵探头与缺陷之间沿直接、半跨和全跨路径传播的声波进行成像，结果表明，选用合适模式波能够完整重建特定取向的缺陷轮廓(Jin S J,Liu C F,Shi S Q,et al.Comparisonof mor phology characterization for regular cracks with multi-mode totalfocusing met hod[C].2019 IEEE Far East NDT New Technology&Application Forum(FE NDT),Qingdao,2019)。需要指出的是，上述研究均是针对表面规则板材中的缺陷实施检测，而焊接完成后的焊缝通常存在表面余高(付有卓.2A12铝合金薄板MIG焊工艺研究[J].现代制造技术与装备,2019(5):177-179)或凹陷(刘奔,刘宁,陈书锦.6061铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊研究[J].焊接技术,2021,50(9):7-10)。利用相控阵探头配合斜楔块布置在板材规则区域上进行检测时，焊缝余高和凹陷使得探头和楔块难以放置在近缺陷处，直接、半跨和全跨等常规多模式波的声场难以有效覆盖待测区域，导致缺陷轮廓重建不完整，而这一问题在薄板结构检测中尤为突出。

发明内容

本发明提供一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，其目的是针对薄板焊缝缺陷轮廓重建困难的问题，考虑薄板内部多样化的声束传播路径，选择声束路径更长，声场覆盖范围更大的高阶模式波进行缺陷轮廓重建和定量检测，从而避免焊接余高或凹陷对探头和楔块布置的限制；在此基础上，利用相控阵探头配合斜楔块实施检测，采集高阶模式波全矩阵信号并实施延时叠加成像，实现薄板焊缝缺陷的完整轮廓重建。

本发明的技术方案是：一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，针对薄板焊缝进行相控阵斜入射检测时，焊缝余高和凹陷使得探头和楔块难以放置在近缺陷处，直接、半跨和全跨等常规多模式波的声场难以有效覆盖待测区域，导致缺陷轮廓重建不完整的问题，考虑薄板内部多样化的声束传播路径，采用由相控阵超声检测仪1、相控阵探头2和楔块3构成的超声检测系统依据板材焊缝厚度和表面余高或凹陷宽度，选择高阶模式波并采集对应全矩阵信号；基于费马定理，计算得到各重建点对应模式波所需的传播时间；最后，对待测区域逐点进行延时叠加处理，实现薄板焊缝缺陷的轮廓重建与定量检测；

具体包括步骤如下：

步骤1.确定相控阵检测参数

针对待测试块4的材料、形状和尺寸信息，确定相控阵探头2中心频率和阵元数，以及楔块3类型和角度；

步骤2.全矩阵信号采集

依次连接相控阵超声检测仪1、相控阵探头2和楔块3，利用全矩阵捕捉功能采集高阶模式波的A扫描信号矩阵；有N个阵元的相控阵探头2，得到N²个A扫描信号；

步骤3.建立坐标系及重建区域网格划分

以楔块3和待测试块4交界面为x轴，相控阵探头2第一阵元在x轴的投影点为原点，沿楔块3前沿方向为x轴正向，待测试块4深度方向为y轴正向建立坐标系；将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意重建点P的坐标为(x₀,y₀)；

步骤4.高阶模式波选择

以图像重建点为界，设发射路径和接收路径在待测试块4内传播声程数分别为m段和n段，总声程数为l＝m+n段，当l≥5时的声传播路径称为高阶模式；根据声束在待测试块4内部传播总声程数l的不同，具体分为两种高阶模式：l是奇数时为高阶半跨模式，也称为l阶半跨模式；l是偶数时为高阶全跨模式，也称为l阶全跨模式；m和n的组合方式有多种，考虑声束互易性，5阶半跨模式的m和n组合可以是1+4和2+3，6阶全跨模式的m和n组合可以是1+5、2+4和3+3，以此类推，依据检测条件选择合适的高阶模式，其中高阶半跨模式对应于重建近似垂直的面积型缺陷轮廓；高阶全跨模式对应于重建具有倾斜角度的面积型缺陷轮廓；进一步考虑声束在待测试块4和缺陷表面的波型转换现象，每段声波的类型为纵波或横波；对于l阶半跨模式，共有(l-1)2^l-1种模式波；对于l阶全跨模式，共有(l-1)2^l-1+2^l/2-1种模式波；高阶半跨模式的m、n差值为奇数，高阶全跨模式的m、n差值为偶数；

步骤5.计算高阶模式波传播声时及折射点位置

相控阵探头2各阵元的激励声束在楔块3与待测试块4界面发生折射，在待测试块4底部、待测试块4表面和缺陷表面发生反射；发射阵元i和接收阵元j的坐标分别定义为(x_i，y_i)，(x_j，y_j)；入射信号和接收信号在楔块3和待测试块4间界面的折射点坐标分别定义为(x₁，0)，(x₂，0)，其发射路径传播声程包括楔块3内和待测试块4内声程：发射路径楔块3内声程定义为S_i0；待测试块4内发射路径共有m段声程，即发射声束进入待测试块4后在待测试块4底部和表面共反射m-1次，从楔块3和待测试块4界面第一个折射点开始定义第一段声程S_i1，第二段声程S_i2，直到激励声束在待测试块4底面或表面经历最后一次反射后，反射点与重建点P的距离定义为第m段声程S_im；高阶模式波的发射路径传播声时表示为：

式中，t_ip(x₀，y₀)表示第i个阵元发射声波到重建点P所用传播时间，即发射路径传播声时，c₁为楔块3内声速，c_2-k为待测试块4内第k段声程对应声速；

同理，对于接收路径按照如上原理进行声时计算；

式中，t_pj(x₀，y₀)表示重建点P散射回波到第j个阵元所用传播时间，即接收路径传播声时，S_j0表示接收路径楔块3内声程，S_jk表示待测试块4内传播的第k段声程；

结合式1)和式2)，入射信号和接收信号在界面处折射点的横坐标x₁和x₂根据费马定理，利用式3)计算得出：

步骤6.高阶模式波全聚焦图像重建

依据待测薄板焊缝厚度，以及表面余高或凹陷宽度，确定缺陷成像所用的l阶模式波种类；分别计算N²个A扫描信号的l阶模式波传播声时及折射点位置，通过延时叠加成像获得对应的重建点P处的聚焦幅值I_p-l(x₀，y₀)为：

式中，A_ij-l为l阶模式波下第i个阵元发射、第j个阵元接收A扫描信号；

对每个重建点进行式1)-4)的操作，实现待检测区域成像和缺陷轮廓表征；

步骤7.缺陷定位、定量以及定取向

依据高阶模式波成像结果，读取重建区域内峰值点坐标，利用-6dB法对缺陷进行深度、尺寸与倾斜角度定量。

所述步骤2中采集到的高阶模式波的A扫描信号矩阵保存为txt格式。

本发明的有益效果是：基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法考虑薄板中声束路径传播多样的特点，利用声束路径更长、声场覆盖范围更广的高阶模式波实施检测，能够避免焊接表面余高或凹陷等非平面区域对探头和楔块布置的限制，实现薄板焊缝缺陷的完整轮廓重建与定量检测。同时，该方法可依据板材表面非平面区域的宽度、板材厚度选择合适的高阶模式波进行成像，适用范围较广。

附图说明

图1是采用的超声检测系统示意图。

图2是存在表面余高、加工底面垂直开口裂纹的铝合金焊缝示意图。

图3是存在表面余高、加工内部倾斜裂纹的铝合金焊缝示意图。

图4是5阶半跨模式波TTT-TT传播路径示意图。

图5是6阶全跨模式波TTT-TTT的传播路径示意图。

图6是底面垂直开口裂纹的常规半跨模式波TT-T重建图像。

图7是底面垂直开口裂纹的5阶半跨模式波TTT-TT重建图像。

图8是内部倾斜裂纹的直接模式波T-T重建图像。

图9是内部倾斜裂纹的6阶全跨模式波TTT-TTT重建图像。

图中：1-相控阵超声检测仪；2-相控阵探头；3-楔块；4-待测试块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括相控阵超声检测仪1、相控阵探头2、倾斜有机玻璃楔块3。具体检测及处理步骤如下：

步骤(a)、如图2和图3所示，待测试块4均为厚度6mm的铝合金焊缝试块。试块一和试块二表面均存在宽度10mm、高度1mm的余高。在试块一余高正下方加工高度3mm的底面垂直开口裂纹，如图2所示。在试块二余高正下方加工中心深度3.5mm、长度3mm、倾斜角度40°的内部裂纹，如图3所示。

利用相控阵超声检测仪1，采用中心频率5MHz、32阵元的相控阵探头2配合55°楔块3对缺陷进行检测，其中采样频率100MHz，楔块3声速2330m/s，铝合金试块横波声速3230m/s。

步骤(b)、利用相控阵超声检测仪1的全矩阵捕捉功能对待检区域进行信号采集，获得所选模式波的全矩阵信号。

步骤(c)建立直角坐标系，以楔块3和待测试块4交界面为x轴，相控阵探头2第一阵元在x轴的投影点为原点，沿楔块3前沿方向为x轴正向，待测试块4深度方向为y轴正向建立坐标系，并将检测区域划分成60×60个矩形网格。

步骤(d)、高阶模式波种类选择

依据板材焊缝厚度、表面余高宽度，以及待测裂纹取向，分别选择5阶半跨模式波TTT-TT和6阶全跨模式波TTT-TTT检测试块一和试块二。两种高阶模式波声束路径传播示意图如图4和图5所示，其中T表示横波；

步骤(e)、图6和图7分别为试块一垂直底面开口裂纹的常规半跨模式波TT-T和5阶半跨模式波TTT-TT重建图像。其中，采用TT-T模式波检测时，楔块3前沿放置在余高边缘处，即探头距离缺陷最近位置。如图6所示，TT-T模式波只能重建缺陷部分轮廓，难以得到缺陷全部信息，经计算裂纹高度为1.92mm，定量误差达到1.08mm。相比之下，如图7所示，TTT-TT模式波在存在余高情况下仍能够重建缺陷完整轮廓。计算可得裂纹长度为2.98mm，定量误差为0.02mm，成像质量优于TT-T模式波。

图8和图9分别为试块2内部倾斜裂纹的直接模式波T-T和6阶全跨模式波TTT-TTT重建图像。T-T模式波只能给出裂纹端点图像，而TTT-TTT模式波重建了裂纹完整轮廓，计算可得裂纹中心深度为3.49mm，长度为2.98mm，倾斜角度为40.10°，定量误差分别为0.01mm、0.02mm和0.10°。

综上所述，该方法实现了带余高或凹陷的薄板焊缝缺陷轮廓重建，且定量误差较小，满足工程需求。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (2)

1.一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，其特征在于，该基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法依据板材焊缝厚度和表面余高或凹陷宽度，选择高阶模式波并采集对应全矩阵信号；基于费马定理，计算得到各重建点对应模式波所需的传播时间；最后，对待测区域逐点进行延时叠加处理，实现薄板焊缝缺陷的轮廓重建与定量检测；

具体包括步骤如下：

步骤1.确定相控阵检测参数

针对待测试块(4)的材料、形状和尺寸信息，确定相控阵探头(2)中心频率和阵元数，以及楔块(3)类型和角度；

步骤2.全矩阵信号采集

依次连接相控阵超声检测仪(1)、相控阵探头(2)和楔块(3)，利用全矩阵捕捉功能采集高阶模式波的A扫描信号矩阵；有N个阵元的相控阵探头(2)，得到N²个A扫描信号；

步骤3.建立坐标系及重建区域网格划分

以楔块(3)和待测试块(4)交界面为x轴，相控阵探头(2)第一阵元在x轴的投影点为原点，沿楔块(3)前沿方向为x轴正向，待测试块(4)深度方向为y轴正向建立坐标系；将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意重建点P的坐标为(x₀,y₀)；

步骤4.高阶模式波选择

以图像重建点为界，设发射路径和接收路径在待测试块(4)内传播声程数分别为m段和n段，总声程数为l＝m+n段，当l≥5时的声传播路径称为高阶模式；根据声束在待测试块(4)内部传播总声程数l的不同，具体分为两种高阶模式：l是奇数时为高阶半跨模式，也称为l阶半跨模式；l是偶数时为高阶全跨模式，也称为l阶全跨模式；依据检测条件选择高阶模式，其中高阶半跨模式对应于重建近似垂直的面积型缺陷轮廓；高阶全跨模式对应于重建具有倾斜角度的面积型缺陷轮廓；进一步考虑声束在待测试块(4)和缺陷表面的波型转换现象，每段声波的类型为纵波或横波；对于l阶半跨模式，共有(l-1)2^l-1种模式波；对于l阶全跨模式，共有(l-1)2^l-1+2^l/2-1种模式波；高阶半跨模式的m、n差值为奇数，高阶全跨模式的m、n差值为偶数；

步骤5.计算高阶模式波传播声时及折射点位置

相控阵探头(2)各阵元的激励声束在楔块(3)与待测试块(4)界面发生折射，在待测试块(4)底部、待测试块(4)表面和缺陷表面发生反射；发射阵元i和接收阵元j的坐标分别定义为(x_i，y_i)，(x_j，y_j)；入射信号和接收信号在楔块(3)和待测试块(4)间界面的折射点坐标分别定义为(x₁，0)，(x₂，0)，其发射路径传播声程包括楔块(3)内和待测试块(4)内声程：发射路径楔块(3)内声程定义为S_i0；待测试块(4)内发射路径共有m段声程，即发射声束进入待测试块(4)后在待测试块(4)底部和表面共反射m-1次，从楔块(3)和待测试块(4)界面第一个折射点开始定义第一段声程S_i1，第二段声程S_i2，直到激励声束在待测试块(4)底面或表面经历最后一次反射后，反射点与重建点P的距离定义为第m段声程S_im；高阶模式波的发射路径传播声时表示为：

式中，t_ip(x₀，y₀)表示第i个阵元发射声波到重建点P所用传播时间，即发射路径传播声时，c₁为楔块(3)内声速，c_2-k为待测试块(4)内第k段声程对应声速；

同理，对于接收路径按照如上原理进行声时计算；

式中，t_pj(x₀，y₀)表示重建点P散射回波到第j个阵元所用传播时间，即接收路径传播声时，S_j0表示接收路径楔块(3)内声程，S_jk表示待测试块(4)内传播的第k段声程；

结合式1)和式2)，入射信号和接收信号在界面处折射点的横坐标x₁和x₂根据费马定理，利用式3)计算得出：

步骤6.高阶模式波全聚焦图像重建

依据待测薄板焊缝厚度，以及表面余高或凹陷宽度，确定缺陷成像所用的l阶模式波种类；分别计算N²个A扫描信号的l阶模式波传播声时及折射点位置，通过延时叠加成像获得对应的重建点P处的聚焦幅值I_p-l(x₀，y₀)为：

式中，A_ij-l为l阶模式波下第i个阵元发射、第j个阵元接收A扫描信号；

对每个重建点进行式1)-4)的操作，实现待检测区域成像和缺陷轮廓表征；

步骤7.缺陷定位、定量以及定取向

依据高阶模式波成像结果，读取重建区域内峰值点坐标，利用-6dB法对缺陷进行深度、尺寸与倾斜角度定量。

2.根据权利要求1所述的基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，其特征在于，所述步骤2中采集到的高阶模式波的A扫描信号矩阵保存为txt格式。

Images