基于合成孔徑聚焦的不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測技術(shù)

彭國平,陳振華,葉偉文,盧　超

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院， 廣州 510663;2.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

?

基于合成孔徑聚焦的不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測技術(shù)

彭國平1,陳振華2,葉偉文1,盧超2

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院， 廣州 510663;2.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

奧氏體不銹鋼焊縫受粗大柱狀晶組織的影響，其焊縫的超聲TOFD檢測信號(hào)信噪比低、掃描圖像模糊，缺陷檢測容易誤判或漏檢。為提高檢測信號(hào)信噪比及掃描圖像分辨力，引入合成孔徑聚焦算法對(duì)超聲TOFD-D掃描采集的A信號(hào)進(jìn)行處理，并分析了變跡窗對(duì)處理后檢測信號(hào)信噪比的影響。研究表明，通過優(yōu)化選擇變跡窗可提高檢測信號(hào)的信噪比和缺陷的D掃描圖像分辨力，有效地增強(qiáng)了超聲TOFD檢測技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫的檢測能力。

超聲TOFD；不銹鋼焊縫；合成孔徑聚焦；變跡窗

奧氏體不銹鋼焊縫是部件整體結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域,且常常服役在高溫高壓、腐蝕、沖刷、放射性的惡劣環(huán)境下，對(duì)其進(jìn)行無損檢測是保障奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)安全的重要保障[1-3]。超聲衍射時(shí)差法(Time of Flight Diffraction)具有檢測信息豐富、抗噪聲強(qiáng)、效率高、定位定量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是焊縫無損檢測最有效的方法之一[4-6]。然而，受焊縫粗大柱狀晶結(jié)構(gòu)的影響，TOFD檢測信號(hào)信噪比低，缺陷檢測時(shí)容易漏檢和誤判。將合成孔徑聚焦技術(shù)應(yīng)用于超聲TOFD檢測中，以增強(qiáng)缺陷的衍射波圖像已早有報(bào)道，剛鐵等將合成孔徑聚焦技術(shù)應(yīng)用在鋁合金厚板的超聲TOFD 成像中，可快速、準(zhǔn)確地捕捉裂紋端部，實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位與定量；周靖宇等提出D掃描圖像的合成孔徑聚焦算法，有效地提高了圖像分辨率，增強(qiáng)了缺陷識(shí)別的能力；謝雪等建立了超聲TOFD-D掃描圖像合成孔徑數(shù)學(xué)模型，增強(qiáng)了有效的衍射波信號(hào)、使圖像端部的甩弧線減弱或消失[7-9]。大部分研究工作均為通過合成孔徑聚焦技術(shù)提高成像分辨率的，而將其應(yīng)用于抑制結(jié)構(gòu)噪聲的研究還很少有報(bào)道。

由于相關(guān)性較高的缺陷端衍射波脈沖，在基于合成孔徑聚焦算法的延時(shí)疊加取平均后基本不變，而相關(guān)性較弱的噪聲脈沖經(jīng)延時(shí)疊加取平均后相對(duì)降低，據(jù)此合成孔徑聚焦技術(shù)除了可以提高圖像分辨率外，還可用于抑制由焊縫組織引起的結(jié)構(gòu)噪聲。針對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測時(shí)能量衰減大、噪聲干擾強(qiáng)的問題，提出將合成孔徑聚焦技術(shù)應(yīng)用于超聲TOFD-D掃描成像中，并且比較了變跡窗抑噪效果的影響，獲得較優(yōu)的變跡窗形狀和合成孔徑長度。研究結(jié)果表明，基于優(yōu)化后的合成孔徑聚焦變跡窗，檢測信號(hào)經(jīng)合成孔徑聚焦算法后信噪比提高，超聲TOFD-D掃描圖像的效果得到一定改善。

1　奧氏體不銹鋼焊縫的超聲TOFD-D掃描

1.1試驗(yàn)方法和試樣制備

為提高超聲TOFD圖像的橫向和深度分辨力，檢測探頭采用中心頻率10 MHz、晶片直徑3 mm的超聲TOFD專用探頭，配備60°斜楔在鋼中產(chǎn)生60°的折射縱波，實(shí)測探頭前沿為8 mm。檢測試塊由一塊含人工缺陷焊縫試塊和一塊無缺陷試塊拼接而成，每塊試塊的焊縫長度為70 mm、厚度35 mm(焊接參數(shù)、材料、幾何尺寸均一致)；在含缺陷試塊上分別加工了兩個(gè)垂直于焊縫截面、直徑1 mm、長度20 mm的橫孔，兩橫孔分別位于焊縫中心和焊縫熔合線上，兩孔深度d=17.5 mm。兩探頭沿焊縫中心對(duì)稱布置做D掃描成像，聲束入射點(diǎn)間距PCS為95 mm；為降低柱狀晶組織引起的散射噪聲，探頭布置于焊縫根部，試樣結(jié)構(gòu)尺寸和試驗(yàn)方法如圖1所示。掃描過程中，在掃描方向上每隔0.62 mm提取A掃描信號(hào)，并重組為D掃描圖像。

1.2TOFD-D掃描成像及檢測信號(hào)分析

按上述試驗(yàn)方法獲得奧氏體不銹鋼焊縫的超聲TOFD-D掃描圖像如圖2所示，圖像中橫軸為掃描距離、縱軸為檢測波脈沖到達(dá)時(shí)間(深度)。圖中縱軸26 μs處為底波、22 μs附近為直通波；22～26 μs區(qū)域是缺陷衍射波和晶粒散射形成的焊縫圖像區(qū)域；掃描距離10 mm處為橫孔1,60 mm處為橫孔2；橫孔特征圖像中間存在模糊間斷，且周圍分布著大量噪聲圖像。

圖1　試樣尺寸及試驗(yàn)方法示意

圖2　奧氏體不銹鋼焊縫的D掃描圖像

圖3　缺陷和完好區(qū)域檢測信號(hào)

對(duì)超聲TOFD-D掃描采集的全波型A掃描信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦處理，以提高檢測信號(hào)信噪比及圖像分辨率。研究過程中，通過檢測信號(hào)信噪比分析合成孔徑聚焦算法的處理效果。圖3為典型的缺陷超聲TOFD檢測信號(hào)和完好區(qū)域的檢測信號(hào)。直通波信號(hào)位于21.15 μs，缺陷衍射波位于22.65 μs，底波位于25.37 μs。設(shè)衍射波信號(hào)為Sf、噪聲信號(hào)為Sn，如圖3(a)所示，信噪比R定義為：

(1)

式中：ASF為缺陷衍射波的最高幅值；ASN為缺陷波到底波之間噪聲信號(hào)的最高幅值。

2　基于焊縫D掃描數(shù)據(jù)的合成孔徑聚焦原理

基于焊縫D掃描采集的A信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦處理。檢測探頭在確定的軌跡運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)軌跡上的若干位置向成像區(qū)域發(fā)射超聲脈沖，同時(shí)接收相應(yīng)的衍射及散射信號(hào)，記錄下各位置的接收信號(hào)。若要得到物體內(nèi)某點(diǎn)的聚焦成像，只需在單個(gè)(組)探頭在各個(gè)位置上接收到的信號(hào)中,篩選對(duì)應(yīng)于這點(diǎn)衍射的聲傳播時(shí)間處的信號(hào)進(jìn)行匹配疊加即可，相當(dāng)于把每一點(diǎn)都當(dāng)作聚焦點(diǎn)來處理以增強(qiáng)該點(diǎn)檢測波能量及分辨率?；诔昑OFD-D掃描過程逐點(diǎn)采集的A掃描信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦處理，其算法原理如圖4所示。圖4所示焊縫中心軸線P點(diǎn)的合成孔徑聚焦算法原理圖，P點(diǎn)位于深度為d的焊縫中心處，探頭間距為2S，收發(fā)探頭相對(duì)于焊縫軸線對(duì)稱分布；探頭位于l0時(shí)，檢測聲束主軸與缺陷P相交，則該處缺陷衍射波到達(dá)時(shí)間為：

(2)

式中：c為焊縫中縱波聲速。

當(dāng)探頭向y方向做D掃描成像運(yùn)動(dòng)至li時(shí)，P處缺陷衍射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間為：

(3)

則，位置li處探頭接收的衍射波到達(dá)時(shí)間相對(duì)于l0處的延時(shí)Δti為：

(4)

l0處P位置的檢測信號(hào)經(jīng)合成孔徑聚焦算法處理后的檢測信號(hào)表示為：

(5)

式中：XPi為探頭位于li處接收到的檢測信號(hào)；ωi為變跡系數(shù)；2N+1為參與合成孔徑聚焦處理的A信號(hào)個(gè)數(shù)，信號(hào)采集區(qū)域關(guān)于l0對(duì)稱，兩對(duì)稱區(qū)域各取N個(gè)信號(hào)參與處理。

圖4　合成孔徑聚焦算法原理示意

理論上，為獲得焊縫全區(qū)域的合成孔徑聚焦信號(hào)，需在焊縫深度方向做逐點(diǎn)合成孔徑聚焦。然而，該方法計(jì)算量很大，將造成計(jì)算資源的浪費(fèi)。研究僅對(duì)疑似缺陷位置做合成孔徑聚焦。處理過程如下：獲取直通波與底波間多個(gè)較高幅值脈沖的到達(dá)時(shí)間、計(jì)算到達(dá)時(shí)間對(duì)應(yīng)的深度并定為疑似缺陷位置，對(duì)這些位置按式(2)～(5)進(jìn)行合成孔徑聚焦處理；若該疑似缺陷為真實(shí)缺陷，則缺陷衍射波幅值基本不變；否則，疑似缺陷衍射波幅值大大降低。此外，超聲TOFD檢測中，缺陷衍射波信號(hào)具有較高的相關(guān)性和相似性，而結(jié)構(gòu)噪聲即使來自于柱狀晶結(jié)構(gòu)散射，其相關(guān)性和相似性與缺陷信號(hào)相比較低。由于合成孔徑聚焦的核心算法為信號(hào)的延遲疊加，相關(guān)性較高的缺陷衍射波疊加取平均后幅值降低較小，而相關(guān)(相似)性較低的結(jié)構(gòu)噪聲則降低較大。據(jù)此，合成孔徑聚焦算法也可實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。

通過幅值變跡ωi使距離重建點(diǎn)位置最遠(yuǎn)的回波幅值較小，而使接近重建點(diǎn)中心位置回波的幅值較大，這樣可降低檢測聲束旁瓣的影響，提高圖像質(zhì)量[10]。常用的幅值變跡通過各類窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)，研究分別采用矩形窗和高斯窗作為變跡窗函數(shù)進(jìn)行合成孔徑聚焦的變跡處理，并討論各類窗函數(shù)對(duì)合成孔徑聚焦算法的影響，各窗函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

矩形窗：

(6)

高斯窗：

(7)

式中：K為整數(shù)，表示合成孔徑長度(窗口寬度)；a為高斯窗形狀調(diào)整系數(shù)。

式(7)中a影響高斯窗函數(shù)在窗口邊緣的幅值衰減程度。圖5所示為合成孔徑長度K=60的各幅值變跡窗函數(shù)幅值歸一化分布圖。

圖5　窗函數(shù)幅值分布

3　合成孔徑參數(shù)優(yōu)化及處理效果

采用上述三種變跡窗函數(shù)對(duì)超聲TOFD-D掃描信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦處理，分析變跡窗函數(shù)和合成孔徑長度K對(duì)處理效果的影響，參與比較的變跡窗為矩形窗、高斯窗a=1、高斯窗a=2。細(xì)致分析缺陷的4個(gè)代表性特征信號(hào)，分別為：橫孔1中部檢測信號(hào)和端部信號(hào)(掃描位置為10,18 mm)、橫孔2中部和端部信號(hào)(掃描位置為60,52 mm)；分析各特征信號(hào)在各變跡窗下經(jīng)合成孔徑聚焦處理后信號(hào)信噪比隨合成孔徑長度的變化規(guī)律，圖6中虛線為原始信號(hào)信噪比，如圖6所示。矩形窗在K=20時(shí)，處理后的缺陷中部檢測信號(hào)信噪比最高，但此時(shí)端部檢測信號(hào)信噪比在三種窗口函數(shù)中最低；與此相比，高斯窗在合成孔徑長度為20,60時(shí)，缺陷中部信號(hào)和缺陷端部信號(hào)均能獲得較高的信噪比。此外，參與合成孔徑聚焦處理的A掃描信號(hào)更有利于合成孔徑的疊加去噪。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇高斯窗函數(shù)對(duì)超聲TOFD-D掃描信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦。

圖6　橫孔不同位置三種變跡窗下檢測信號(hào)信噪比隨合成孔徑長度K的變化趨勢

由于文中D掃描采用的是基于幅值和相位特征的D掃描成像方式，合成孔徑聚焦算法后會(huì)使得信號(hào)正向幅值有較大提高；因此，為增強(qiáng)合成孔徑處理后的幅值聚焦效果，研究中還對(duì)合成孔徑處理后的信號(hào)幅值進(jìn)行了平方處理，幅值平方指的是將信號(hào)幅值進(jìn)行平方并保持其符號(hào)(相位)不變。圖7為采用高斯窗(a=1)和高斯窗(a=2)、K分別為40和60的合成孔徑聚焦的D掃描圖；從圖像上看，a=2高斯窗的抑噪效果更好,其加權(quán)系數(shù)隨距中心區(qū)域的距離下降更為迅速，按該窗函數(shù)加權(quán)幅值可有效抑制聲束旁瓣干擾，獲得能量更為集中、焦點(diǎn)直徑更小的聚焦聲束，具有更好的抑制噪聲的能力。

圖8為變跡窗選用高斯窗a=2時(shí)，兩橫孔4個(gè)特征信號(hào)的合成孔徑聚焦處理前后對(duì)比。經(jīng)合成孔徑聚焦處理后，兩橫孔中部的衍射波幅值均有較大提高，信噪比獲得較大改善；對(duì)于端部信噪比的改善情況，橫孔1右端的衍射波信號(hào)的信噪比變化并不明顯、而橫孔2左端的衍射波信噪比具有較大改善；檢測信號(hào)中的噪聲整體上得到抑制。此外，經(jīng)幅值平方處理后，噪聲信號(hào)被進(jìn)一步抑制。

圖7　合成孔徑聚焦檢測圖像

圖8　兩橫孔4個(gè)特征信號(hào)的合成孔徑聚焦處理前后對(duì)比

4　結(jié)論

(1) 合成孔徑聚焦算法可應(yīng)用于奧氏體不銹鋼焊縫的超聲TOFD-D掃描信號(hào)處理中，可有效提高檢測信號(hào)信噪比及圖像質(zhì)量,避免漏檢和誤判。

(2) 變跡窗函數(shù)及合成孔徑長度對(duì)處理后的圖像質(zhì)量均有影響，較大的合成孔徑長度有利于抑制噪聲，能量向中心聚焦的變跡窗則有利于提高缺陷圖像的邊緣分辨率,及避免放大噪聲。a=2的高斯窗可在增強(qiáng)缺陷中部區(qū)域信噪比的同時(shí)，兼顧端部信噪比。

(3) 由柱狀晶引起的噪聲的波形特征并非隨機(jī)分布，但由于其相關(guān)性和相似性與衍射波相比較低，噪聲信號(hào)在經(jīng)歷延時(shí)疊加后被抑制。

[1]韓恩厚, 王儉秋, 吳欣強(qiáng). 核電高溫高壓水中不銹鋼和鎳基合金的腐蝕機(jī)制[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2010, 46(11):1379-1390.

[2]高東海, 范振中, 黃鳳英. 不銹鋼異質(zhì)焊縫超聲探傷界面回波的分析 [J].無損檢測,2013,35(7):13-15.

[3]孫咸. 不銹鋼焊縫金屬的組織演變及其影響[J]. 機(jī)械制造文摘, 2012(6): 6-10.

[4]BALASUBRAMANIUM T, BABY S, PARDIKAR R J. Time-of-flight diffraction technique for accurate sizing of surface breaking cracks[J]. Insight, 2003, 45(5): 600-604.

[5]BASKARAN G, BALASUBRAMANIAM K, LAKSHMANA R C. Shear-wave time of flight diffraction (S-TOFD) technique[J].NDT & E International, 2006, 39(6): 458-467.

[6]聶勇, 李曉梅, 許遠(yuǎn)歡. 核設(shè)備不銹鋼堆焊層下裂紋超聲波檢測技術(shù)[J]. 無損檢測,2011,33(7):25-27.

[7]剛鐵，遲大釗，袁媛. 基于合成孔徑聚焦的超聲TOFD 檢測技術(shù)及圖像增強(qiáng)[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(10):7-10.

[8]周靖宇, 林丹源, 陳建華, 等. 合成孔徑聚焦技術(shù)在TOFD檢測中的應(yīng)用[J]. 無損檢測，2012, 34(5): 59-61.

[9]謝雪, 祝美麗, 楊會(huì)敏, 等. 合成孔徑聚焦技術(shù)在超聲衍射時(shí)差法缺陷長度定量中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(18): 20-24.

[10]杜英華. 合成孔徑聚焦超聲成像技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué)，2010.

Ultrasonic TOFD Technique for Stainless Steel Weld Based on Synthetic Aperture Focusing

PENG Guo-ping1, CHEN Zhen-hua2, YE Wei-wen1, LU Chao2

(1.Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou 510663, China;2.Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nachang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Coarser columnar grain leads to awful signal to noise ratio and image resolution , which always produces misjudging of the defects in austenitic stainless steel weld by use of ultrasonic TOFD technique. In order to improve the testing effectiveness, synthetic aperture focusing technique is adopted to process the testing signal extracted by TOFD-D scanning, and influences of apodized function are also studied to optimize the scanning imagery in the research. The results indicate that the signal noise can be depressed by the use of synthetic aperture focusing technique, and the resolution of D-scan image and recognition ability of the weld defects is also enhanced through optimizing apodized function.

Ultrasonic TOFD; Stainless steel weld; Synthetic aperture focusing; Apodized function

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11104129);廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技資助項(xiàng)目(2015kj15)

彭國平(1977-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)及無損檢測工作。

陳振華， E-mail: zhenhuachen@yeah.net。

10.11973/wsjc201609011

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0040-05