基于超聲相控陣全聚焦修正技術(shù)的焊接缺陷定量檢測(cè)方法

周紅明，陳 挺

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.浙江省文創(chuàng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 麗水 323000；3.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310063）

由于殘余應(yīng)力和復(fù)雜使用環(huán)境的影響及焊接過(guò)程中造成的氣孔、夾渣、夾雜、裂紋、咬邊、未焊透和未熔合等基礎(chǔ)缺陷的存在，焊縫始終是焊接件中最為薄弱的部分，成為質(zhì)量監(jiān)控的重點(diǎn)［1］。

大量的研究表明，超聲無(wú)損檢測(cè)在焊接質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用中表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于具備檢測(cè)速度快、缺陷定量精確及易于與信息技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，相控陣技術(shù)成為近年來(lái)超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。常規(guī)的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，是通過(guò)聚焦延遲算法對(duì)聲束進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行掃描［2-3］。為了改善超聲相控陣檢測(cè)成像的質(zhì)量，學(xué)者們提出了全聚焦成像技術(shù)，其原理是基于后處理的思維，先利用陣列中的各個(gè)陣元發(fā)射-接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)全矩陣采集（full matrix capture，F(xiàn)MC），而后再運(yùn)用全聚焦法（total focusing method，TFM）實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)缺陷的高質(zhì)量成像［4］。

然而超聲波在介質(zhì)中傳播路徑的不同會(huì)使得傳播能量的損耗各異，使得不同位置缺陷的成像幅值存在差異，影響超聲相控陣全聚焦成像的質(zhì)量，從而降低被檢缺陷定量的準(zhǔn)確性。因此，有必要對(duì)檢測(cè)信號(hào)能量的衰減進(jìn)行修正，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。筆者在現(xiàn)有超聲相控陣全聚焦算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)多元高斯疊加模型研究工件內(nèi)的聲場(chǎng)分布情況，并利用計(jì)算結(jié)果對(duì)全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，補(bǔ)償超聲波在傳輸過(guò)程中的能量損耗，從而完善超聲相控陣全聚焦成像檢測(cè)技術(shù)。

1 TFM成像算法

TFM 成像技術(shù)是基于虛擬聚焦算法實(shí)現(xiàn)的，先將成像區(qū)域劃分成若干個(gè)單元格，即虛擬聚焦點(diǎn)，并依次對(duì)各個(gè)單元格進(jìn)行虛擬聚焦。因此，在實(shí)現(xiàn)成像以前需要先獲取全矩陣數(shù)據(jù)，即獲取成像區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元格的超聲A掃信號(hào)。獲取信號(hào)的過(guò)程為：依次激勵(lì)每一個(gè)陣元發(fā)射超聲波，所有的陣元并行接收回波信號(hào)，將接收到的信號(hào)定義為Sij，其中i，j=1，2，…，N（N為陣元數(shù)量），采集完成后共獲取N×N組數(shù)據(jù)，形成一個(gè)如圖1所示的N×N全矩陣。

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)

獲取全矩陣后，針對(duì)需要聚焦的單元格位置，利用延時(shí)法則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后處理，獲得該相應(yīng)點(diǎn)處的幅值信息A(x，y)，依次對(duì)成像區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)單元格位置進(jìn)行上述處理，即可得到被檢測(cè)區(qū)域的成像結(jié)果。如圖2 所示，聚焦點(diǎn)p(x，y)的幅值計(jì)算式為

圖2 全聚焦原理示意圖

式中，tip、tpj分別為信號(hào)發(fā)射陣元i和信號(hào)接收陣元j到聚焦點(diǎn)p之間的超聲波渡越時(shí)間，tij為信號(hào)Sij需要延遲的時(shí)間。

然而，由于相控陣陣元發(fā)射聲波具有指向性，在不同方位上所產(chǎn)生的能量各不相同，不同聲程所產(chǎn)生的能量衰減程度也各異。因此，當(dāng)缺陷在被檢工件中所處位置不同時(shí)，成像所得到的缺陷定量會(huì)產(chǎn)生一定程度的誤差。為此有必要對(duì)超聲波傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的能量衰減進(jìn)行補(bǔ)償修正，以減少缺陷定量的誤差。

2 全聚焦修正技術(shù)

為解決超聲波傳輸過(guò)程中的能量衰減問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建超聲相控陣輻射聲場(chǎng)分布模型，對(duì)超聲波能量的衰減進(jìn)行補(bǔ)償修正，以提高檢測(cè)的可靠性。目前存在多種能夠模擬相控陣檢測(cè)聲場(chǎng)的方法?；诨莞估碚摰娜瘥惙e分模型在多數(shù)情況下難以得到聲場(chǎng)解析解，需要借助數(shù)值積分，求解效率較低。多元高斯聲束疊加法（multi-Gaussian beam method）計(jì)算簡(jiǎn)單且效率高，能夠較好地解決聲束多界面?zhèn)鞑?wèn)題。

2.1 焊件中相控陣輻射聲場(chǎng)計(jì)算模型

Wen 等［5］提出可用高斯聲束疊加來(lái)表示超聲換能器所產(chǎn)生的聲場(chǎng)。如圖3所示，當(dāng)聲束在多層介質(zhì)中傳播時(shí)，在第m+1 層介質(zhì)中的高斯聲束的速度振幅vm+1可表示為［6］

其中，

超聲相控陣通過(guò)控制換能器陣列中各個(gè)陣元的延遲發(fā)射時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)和聚焦，因此對(duì)于相控陣所產(chǎn)生的聲場(chǎng)可以通過(guò)各個(gè)陣元所產(chǎn)生聲場(chǎng)的延遲疊加得到。由N個(gè)陣元構(gòu)成的超聲相控陣在第m+1層介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲場(chǎng)可表示為

式中，v0為陣元表面的振動(dòng)幅度，k為將陣元離散成若干個(gè)小單元的數(shù)量，DR為陣元離散后小單元的指向性系數(shù)［6］。

2.2 基于輻射聲場(chǎng)模型的全聚焦修正方法

TFM成像技術(shù)采用對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)疊加的方式實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的虛擬聚焦。然而超聲波信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衰減，衰減程度與傳輸聲程有關(guān)。同時(shí)，焊縫界面上的折射也會(huì)對(duì)回波信號(hào)的能量產(chǎn)生影響。回波信號(hào)能量的損失會(huì)使得TFM 成像算法對(duì)缺陷的尺寸產(chǎn)生誤判，甚至可能引起漏檢，影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性。為解決上述問(wèn)題，筆者所采用的策略是對(duì)超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中所損失的能量進(jìn)行逐一修正。將式（1）進(jìn)行修改，得到修正后的成像幅值A(chǔ)(x，y)為

式中，v_N( )ω表示超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中的聲場(chǎng)分布，通過(guò)式（8）計(jì)算可得。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的測(cè)量模型及TFM修正成像方法的可行性，利用對(duì)比試塊開(kāi)展超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。檢測(cè)系統(tǒng)主要由多路超聲發(fā)射/接收板卡、超聲相控陣換能器、PXI總線工控主機(jī)、電氣控制部分和機(jī)械掃查部分構(gòu)成。憑借PXI總線的同步和可擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)PXI機(jī)箱之間的串接擴(kuò)展，并支持多通道同時(shí)工作。由多路復(fù)用發(fā)射接收一體化板卡負(fù)責(zé)相控陣換能器超聲波信號(hào)的激勵(lì)和接收。由電氣控制部分和機(jī)械掃查部分實(shí)現(xiàn)相控陣換能器對(duì)工件的全方位掃查。

如圖5 所示，相控陣換能器（5L64-NW1）中心頻率為5 MHz，采樣頻率100 MHz，按照全矩陣數(shù)據(jù)采集方法采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在鋼制試塊上加工出3 個(gè)孔徑為2 mm 的圓孔模擬焊接缺陷，用于超聲相控陣檢測(cè)成像試驗(yàn)。

圖5 超聲相控陣換能器及檢測(cè)試件尺寸圖

將修正處理后的全聚焦成像結(jié)果與處理前的成像結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出：在未經(jīng)修正的成像結(jié)果中，同尺寸的圓形缺陷，由于位置不同，表征缺陷大小的能量幅值具有明顯的差異；而經(jīng)過(guò)修正處理后，由于回波信號(hào)的能量衰減問(wèn)題得到緩解，圖像中的能量分布更加均勻，同尺寸不同位置的圓形孔缺陷在圖像中差異較小，成像效果得到明顯改善。

圖6 檢測(cè)成像結(jié)果

表1列出了回波幅值修正前與修正后的缺陷面積。采用超聲無(wú)損檢測(cè)中常用的-6 dB 法來(lái)表征檢測(cè)圖像中對(duì)應(yīng)的缺陷面積，直徑為2 mm的圓形孔面積為3.14 mm2，修正前與修正后的缺陷平均面積分別為2.96 mm2和3.18 mm2，可見(jiàn)修正后的缺陷大小估算更為準(zhǔn)確。

表1 回波幅值修正前后缺陷測(cè)量面積

4 結(jié)論

筆者使用多元高斯疊加模型計(jì)算了被檢工件內(nèi)的聲場(chǎng)分布情況，利用計(jì)算結(jié)果對(duì)超聲相控陣檢測(cè)的回波信號(hào)幅值進(jìn)行修正處理，用于補(bǔ)償聲波在傳輸過(guò)程中的能量損耗，結(jié)果表明該方法可以有效提高超聲相控陣檢測(cè)全聚焦成像的圖像質(zhì)量，改善圖像中缺陷回波信號(hào)的能量分布均勻性，使缺陷定量誤差得到有效降低。