多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量.pdf

无损检测2023年第45卷第7 期53试验研究DOI:10.11973/wsjc202307011多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇，胡静，莫润阳（陕西师范大学陕西省超声学重点实验室，西安7 10 119）摘要：研究多模式全聚焦方法对钢板对接焊缝内部不同倾斜角度缺陷的定量能力。以矩形刻槽代表焊缝内的条状缺陷，采用有限元方法获取刻槽单频散射系数，同时与波传播模型结合进行全矩阵数据模拟,对倾角不同的刻槽进行仿真成像。结果表明,LL-L,TT-T,TT-L等 3 种半跨模式可覆盖0 40 倾角的缺陷，TL-LT,LL-LL,TL-TL,TT-TL,TT-LL等 5种全跨模式可覆盖107 0 倾角的缺陷，对缺陷角度表征能力最佳，应在实际检测中优先考虑。另外，刻槽长度定量易受散射强度影响，用同一阈值进行定量识别并不适合全部模式。关键词：超声相控阵；全矩阵数据；多模式全聚焦方法中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 7-0 0 53-0 8Detection and quantification of weld internal defects by multi-mode total focus methodSONG Zeyu,HU Jing,MO Runyang(Key Laboratory of Ultrasound of Shaanxi Province,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China)Abstract:The quantitative ability of multi-mode total focus method for defects with different inclination angles in butt weld of steel plate was studied.The rectangular slot was used to represent the sliver defect in the weld,thesingle-frequency scattering coefficient of the slot was obtained by the finite element method,and combined with thewave propagation model for full matrix data simulation,the slots with different dip angles were simulated andimaged.The results showed that different modes had different coverage for defect angle.Three half-span modes,LL-L,TT-T and TT-L,can cover the defects of O40dip angle,and five full-span modes,TL-LT,LL-LL,TL-TL,TT-TL and TT-LL,can cover the defects of 1070dip angle,they had the best characterization ability fordefect angle,and should be given priority in practical detection.In addition,the quantitative identification of slotlength was easily affected by the scattering intensity,and the quantitative identification with the same threshold wasnot suitable for all modes.Key words:ultrasonic phased array;full matrix data;multi-mode total focus method超声相控阵近年在工业无损检测领域得到了广泛应用1。基于全矩阵捕捉（FMC)数据的全聚焦方法(TFM)相较传统相控阵技术，具有更高的分辨收稿日期：2 0 2 2-12-2 6基金项目：国家自然科学基金资助项目（12 0 7 42 3 8，119 7 42 3 2，11727813)作者简介：宋泽宇（19 9 8 一），男，硕士，主要研究方向为超声无损检测通信作者：莫润阳，女，博士，教授，主要研究方向为超声无损检测,率和更广的成像范围，已成为后处理成像技术的热点研究方向之一2 。作为TFM的扩展，多模式全聚焦方法（MTFM)3考虑声波在界面的反射以及模式转换，可利用缺陷在不同方向的散射信息进行多种模式成像，更适合检测裂纹、未焊透、未熔合和夹渣等条状焊接缺陷。FIDAHOUSSEN等4 结合CIVA仿真和试验方法，研究了MTFM对垂直于检测面裂纹的成像性能。JIN等5 发现，MTFM能够有效检出与检测面垂直的裂纹及平行于声人射方向的裂纹，且可对裂纹长度和角度进行精确定量，但每无损检测2023年第45卷第7 期54多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇，等：种模式对角度的精确定量范围不超过2 0。采用MTFM中任一模式成像时,可能会将其他模式的回波信号在错误的位置重建为伪像。为排除伪像干扰，李衍6 1分析了伪像来源和滤除方法，提出了多模式融合方法以降低伪像影响，并总结了不同模式适宜检测的缺陷类型；金士杰等7 提出全模式TFM，即在每个成像点筛选各模式中的最强信号，通过综合MTFM结果抑制伪像产生。无论是多模式融合法还是全模式TFM,单一模式始终是根本和基础，了解各个模式性能有利于改善成像质量、提升效率和解析缺陷特性。考虑到模式分析一般需要大量不同参数的标准反射体样本，逐一加工试样并对其进行检测成像成本大且效率极低，故采用FMC模拟数据成像成为增加先验样本的一种重要方法。业内常使用FeildI 超声仿真工具包8 、基于半解析法的CIVA软件9 和有限元(FE)方法10 1来模拟FMC数据。FeildI仅适合对单一介质中的规则反射体建模11；CIVA软件与FE方法模拟FMC数据时，每修改一次模型参数（如结构形状、阵元位置、阵列方向角度和散射体位置)都需重新构建模型，应用不便且工作量大。ZHANG等12 提出了一种测量裂纹散射系数矩阵的FE模型并试验验证了其准确性；其还将散射系数矩阵与波的射线传播模型13 结合，并称之为混合模型，用于生成FMC模拟数据。BUDYN等14 对混合模型作单频近似后提出了灵敏度模型，能够快速生成缺陷的MTFM强度预测图像，采用仿真方法对焊缝中的条状缺陷进行多模式全聚焦成像及定量检测研究，能够避免很多不必要的干扰。以不同角度的刻槽为对象，首先采用单频近似的混合模型方法生成FMC模拟数据并据此进行多模式全聚焦成像；为对仿真结果进行检验，采用全聚焦采集系统对刻槽进行成像，并将仿真结果与试验结果进行对比，分析各模式对刻槽角度、长度的定量能力。研究不仅检验了单频混合模型对刻槽缺陷的成像性能，也为钢板对接焊缝中条状缺陷MTFM成像检测的参数选择及优化提供参考。1MTFM成像及FMC仿真模型1.1MTFM成像基本原理多模式声束传播路径如图1所示（图中T表示横波，L表示纵波，短横线用以区分到达缺陷前后的路径）,其中直接模式即常规TFM,图中的模式分别命名为T-T,LT-T,TT-LT,每条路径可为横波或纵波，排列组合并根据声场的互易性排除穴余模式，能够得到3 种直接模式，8 种半跨越模式和10 种全跨越模式，共计2 1种TTLTT(a)直接模式(b)半跨模式(c)全跨模式图1多模式声束传播路径示意MTFM成像时，2 1种模式分别使用各自的路径计算时延，任一模式的计算都需要在成像区域划分网格点，以作为信号后处理的聚焦点，对FMC数据中的A扫描信号进行希尔伯特变换，并根据时延对信号幅值求和得到聚焦点的像素值I（y）为nnI(y)=22g,ti;(y)(1)i=1.j-1式中：y为聚焦点位置矢量；g；为经过希尔伯特变换后的信号（由i号阵元发射i号阵元接收）；n为阵元总数；t为回波信号的时延。以上述方法处理全部聚焦点则可得到检测图像。1.2FMC数据仿真模型FMC数据作为MTFM成像的基础，包含全部模式的散射信息，采集原理为：激励相控阵探头的一个阵元，令全部阵元接收，遍历激励每个阵元后，可得到所有发射阵元和接收阵元的A扫描信号。仿真FMC数据时，需要限定模式类型以计算波传播中的各个参数，因此可单独生成各模式的FMC仿真数据。任一模式的FMC数据均基于Thompson-Gray线性时不变超声检测模型13 ，预测接收到的A扫描信号频谱为G,(,y)=P,(w,y)U(a)eioti;(y)(2)式中：G;（w,y）为接收信号频谱，为角频率；U(）为发射信号频谱；P（w，y）为整个系统的频率响应，包括电响应和机械响应（考虑到阵列产品的电子电路和电声特性是固定的，故忽略系统的电响应)P,(w,y)=T(y)T,(y)R;(y)R,(y)B,(y)B,(y).D,(w,y)D,(w,y)S,(w,y)(3)式中：T（y）和R（y）分别为透射和反射系数；B（y）为波束展宽系数；D（w，y）为阵元的声束指向性系数；S,（，y）为缺陷的散射系数。考虑到碳钢中超声衰减较小，数据模拟中忽略声衰减系数，S；（w，y）可使用有限元方法获取，其余系数可看作超声传播过程中的传递函数，其相关参数如图2 所示（图中M。为阵元中心，M1为声波无损检测2023年第45卷第7 期55多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇等：在试块表面的入射点，p1为纵波入射角，为横波反射角，0 pl为纵波反射角，0 p2为纵波折射角，0 为横波折射角）。Mo阵元1横波10s1纵波0plOpl纵波楔块OM,试块0p2TOs2纵波1横波图2超声传播过程中传递函数的相关参数使用带楔块的纵波探头检测时，楔块中的纵波在被检试块表面发生折射，纵波和横波的透射系数分别为Tp和T2cp1COs20s1COs20s2TPp(4)Cp24-2Cs2Cp1 Sin20p2Cos20slTps-(5)式中：c为声速，下标1，2 分别表示介质为楔块，试块，P，s 表示纵波和横波。公表达式为cisin20isin20plcos*20s1+Cp2cosOp1P2cos*202+cesin20s2sin20p2Cp2201式中：为介质密度。试块底部的反射过程需要额外考虑横波入射时的反射系数,Rpp为纵波人射纵波反射的反射系数，其余类比。sin20p1sin20,1-(cg1/c)cos*20slRp(6)-2cp1sin20p1Cos20slRps=(7)2(cp1/cs1)sin20s1cos20slRsp(8)亚sin20p1 sin20s1-(cgi/c31)cos?20slR=(9)亚式中：=sin20psin20s1+(ci/c）c o s*2 0 s l。指向性函数D(w，0）15 表达式为(cp1/cs1)-2sin?0)cos0(元asingD(a,0)=sincF(sino)入（）(10)式中 Fo(5)=(25-2-4(2-1)1/21/2Cpl，=为中间变量,指代 sin;a 为阵元宽度;入（)为角频率对应的波长；D(w,）与式(3)中D(w,y)含义相同。Nicolas推导了多层介质中的波束展宽系数B;(y)M,Mg+11/2B,(y)=(11)I.q=0式中:a=Vcosa，v。为第层介质中的折射率，cosa为声波在第层界面的人射角，。为第层界面的折射角或反射角；M。为声波经过第q层介质分界面的折射点。1.3刻槽散射系数矩阵及FMC仿真缺陷的散射特性常用散射系数矩阵描述，散射系数矩阵是人射角、散射角和频率的函数。由于全聚焦算法属于一阶启发式方法14，受频率影响较小，为快速获得散射系数在此作单频近似，散射矩阵描述了远场散射振幅与入射角9 1和散射角2 的关系12 ,usS(01,02)exp-ik(r1-)(12)u入式中：S(01,0,）为式(3)中 S,（,y）的单频表示；u和u。分别为散射波和人射波振幅；r1为信号测量点到散射体的距离；入为散射波波长；k为波数。为获取刻槽的散射矩阵，建立如图3 所示的二维有限元模型，r为缺陷外切圆半径，h为缺陷中心到信号发射边界的距离。通常情况下，当使用超声相控阵探头在样品表面扫查时，缺陷位于阵元的远场区域，人射声波可近似为平面波12 ，在边界AB处激励2.5MHz的正弦信号模拟人射波。为便于计算，旋转刻槽以得到不同声入射角的仿真结果。设监测圆上的探针数目为N且等间隔排列，通过插值方法还原散射系数所需探针数N为元er2十N。,其中 N。=3,为表征亚波长缺陷散射所入需的最少探针数16 ，N仅取决于散射体外接半径r2。考虑r为3 mm时，N须不小于2 0,以3 为间隔旋转刻槽改变人射角，并在监测圆上设置12 0 个探针，用于捕获不同散射角的信号。由于测量信号包含人射波和散射波，减去无缺陷模型中的测量结果可得单纯的缺陷散射信号。有限元仿真材料为碳钢，无损检测2023年第45卷第7 期56多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量IDT宋泽宇，等：AB入射波h监测圆吸收层2mm0162Xm=21缺陷48图3刻槽缺陷散射矩阵仿真模型其密度为7 8 50 kgm-3，杨氏模量为2.110 llPa，缺陷尺寸（宽长）为1mmX6mm，泊松比为0.3，网格类型为自由三角形，网格尺寸为0.15mm，时间步为2 X10%s。为获取L-L及L-T两种模式的散射系数，需设定合适的h、r 以避免不同模式的散射信号同时到达探针造成信号混叠。另外，为模拟T-T和T-L的散射系数，在激励边界与模型材料之间增加一层介质，调整边界至合适角度使折射纵波全反射且横波垂直向下传播，以此模拟横波入射情况。2结果与讨论2.1刻槽的散射系数矩阵色度图矩形刻槽的L-L,L-T,T-T,T-L散射矩阵的可视化图像如图4所示（散射系数无量纲）。图4（a）中L-L模式的ai区域和a2区域分别表示缺陷长边的镜面散射以及透射产生的遮挡效应，a3区域较小的散射系数来自于刻槽窄边的端角反射，与L-L散射模式相比，T-T散射模式图4（c)的波长更短，镜面散射和透射遮挡区域较小，但对于L-L模式中散射系数小于0.2 的区域，T-T模式在这些区域中具有更强的散射系数，能够反映更多端角散射信息，可见，散射矩阵能够反映刻槽缺陷的散射特性。散射系数散射系数3603600.81.03003000.80.62402400.6180180a20.460.41201200.260600.200601201802403003606012018024030036001/C)01/)(a)L-L(b)L-T散射系数散射系数3600.753600.253003000.600.202402400.450.15180C1800.3020.101201200.150.0560600060120180240300 36060120180240300 36001/C)01/C)(c)T-T(d)T-L图4刻槽缺陷各模式下散射矩阵的可视化图像2.2刻槽FMC数据仿真结果焊缝的相控阵超声检测布置如图5所示，检测所用楔块角度为3 5，被检焊板材料为碳钢，板厚为30mm，以探头左下角为坐标原点建立坐标系，刻槽无损检测2023年第45卷第7 期57多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇等：3515mmT30mmTL图5焊缝的相控阵超声检测布置中心与坐标原点的水平距离为l，刻槽深度为15 mm,倾角为 Qd。令 a=30,计算 l 为 0 100mm内所有位置的焦点强度，并以强度最大处的1值作为最佳成像位置生成多模式模拟图像。各模式下刻槽的FMC图像如图6 所示。所用楔头为32阵元相控阵探头，中心频率为2.5MHz，阵元数为3 2,阵元芯距为1mm,设备为中科院声学所UT-studio32/128型相控阵超声检测系统。对比图6 中TT-TT试验图像和模拟图像发现,试验图像存在两个明显的端角反射，而模拟图像仅显示出一个反射体，这是由于提取散射矩阵时仅考虑每个散射方向最强的散射系数，两个端角的散射信息被综合反映为一个反射点。另需注意到，在模拟和试验图像中缺陷走向基本一致，但模拟图像因无噪声、底面回波和其他模式伪像的干扰，更有利于缺陷定量，这正是模拟方法的优势。00010uu/2uu/210-520203030-10(a)LT-T(试验)(b)LT-T(模拟)00-1510wu/2uru/210-20AP/巢2020-253030(c)TL-TL(试验)(d)TL-TL(模拟)00-30u/210uuu/&10-352020-403030020406080100020406080100/mma/mm(e)TT-TT(试验)(f)TT-TT(模拟)图6各模式下刻槽的FMC图像为便于缺陷量化评定，对模拟和试验图像分别进行强度标定。Q.=20lg(13)一smaxImQm=20lg(14)mmax式中：下标s和m分别表示来自试验和模拟的FMC数据，Q为标定后的缺陷强度；I为单一模式的最大强度；Ismax和Immax分别为所有模式中试验和模拟的最大强度。模拟图像和试验图像的强度对比如图7 所示，可见，模拟图像的相对变化幅度大于试验图像的相对变化幅度。考虑到试验成像中存在噪声、伪像叠加及模型本身的误差，模拟结果对试验结果的预测仍有较大误差，但无论模拟还是试验成像，TT-TT模式的缺陷图像强度均最大，且多数模拟结果的强度大小与试验结果具有相似的规律。5试验0模拟8P/-10-15-20-2505101520模式序号图7FMC模拟图像和试验图像的强度对比2.3刻槽倾斜角度及长度定量结果使用混合模型生成1mm6mm（宽长）刻槽的全矩阵模拟数据，倾角a以10 为间隔从0 到80变化进行MFTM成像，并使用MATLAB编程（拟合矩形框方法17 )测量强度高于一6 dB的缺陷图像尺寸，再与预设缺陷形态对比，分析MTFM对无损检测2023年第45卷第7 期58多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇，等：缺陷角度和长度的定量能力。以士10 为基准线（虚线），不同模式对刻槽倾角的测量误差如图8 所示。以半跨模式为例，将角度定量结果分为3 类，当Qd分别为0 2 5，1540,03 5时，LL-L,TT-T,TT-L模式的误差小于士10，能够较准确地定量刻槽倾角，说明这些模式能覆盖倾角在该范围的缺陷并捕捉刻槽较强的镜面反射信息，对该范围走向的缺陷具有最强的角度表征能力;LL-T,LT-T模式虽然存在误差较稳定的角度区域但误差较大，对缺陷角度的表征能力较弱；TL-L,TL-T,LT-L模式的角度定量误差随缺陷倾角变化而线性改变，其成像不受缺陷实际角度的影响，不具备角度定量能力。考虑到缺陷倾角对缺陷轮廓的表征影响最大，应重点关注角度表征能力最强的模式。各模式对刻槽的强度和长度的定量结果如图9,10，图中两条虚线内的范围表示角度定量较准确的范围。图9 中各模式在虚线之间均存在强度峰值点，说明在对应角度捕捉到了最强的镜面反射信号，随着横轴远离峰值点，TT-T和TT-TL等模式强度先下降后上升，在角度表征范围外趋于平稳，反映了镜面反射到端角散射的变化过程，且镜面反射较弱时的成像强度可能会小于端角散射的成像强度，如TT-T模式在Qa为3 0 处产生强度极小值。mA LL-LALL-T8080TT-T.LT-T60TT-L6040(。/40202000-20-20-40400102030405060708001020304050607080刻槽角度/）刻槽角度/）(a)半跨模式1(b)半跨模式2A.TL-L8040TL-T60.LT-L2040020-20A.TL-LTo LL-LL0-40TT-TL-20B-.TT-TL-60*TT-LL-4001020304050607080010 20 304050607080刻槽角度）刻槽角度）(c)半跨模式3(d)全跨模式130ATL-LL30A.LT-TL20O.TT-TT20.LT-LL10.TT-LT100(。/0-10-10-20-20-30-30-40-40-50-50-60-60-70-700102030405060708001020304050607080刻槽角度）刻槽角度）(e)全跨模式2(f)全跨模式3图8不同模式对刻槽倾角的测量误差由于统一采用一6 dB法定量，缺陷长度定量精度受到散射强度的影响。图10 中部分模式的强度和图9 中的长度定量结果呈负相关关系，如半跨模式中角度定量精度较高的LL-L,TT-T,TT-L模式无损检测59多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇等：ATL-LT0ALL-L0O-LL-LL-5OTT-T-5TL-TL.TT-LTT-TL-10-10TT-LL-15151p/-20-2025-25-30-30-35-351-40-4001020304050607080010 203040506070 80刻槽角度/）刻槽角度）(a)部分半跨模式(b)部分全跨模式图9各模式对刻槽的成像强度820.ALL-LA TL-LT1OTT-TLL-LL6.TT-L15TT-TLBTT-TL/14TT-LL11025020-4-51010203040506070 80010203040506070 80刻槽角度/)刻槽角度/）(a）部分半跨模式(b)部分全跨模式图10各模式对刻槽长度的定量误差强度较高，缺陷长度的定量反而偏短，强度适中的模式反而具有更精确的长度定量能力，如TT-L和TT-LL模式。3结语为分析MTFM各模式对焊缝条状缺陷的定量能力，利用单频近似的混合模型生成全矩阵模拟数据并对刻槽缺陷进行MTFM成像，分析各模式对刻槽的定量评价能力，并与试验数据进行对比以验证模型性能。从结果看,LL-L,TT-T,TT-L等 3 种半跨模式和 TL-LT,LL-LL,TL-TL,TT-TL,TT-L等5种全跨模式分别覆盖了0 为0 40 和10 70的刻槽缺陷，基本包含了直接模式中的所有难检角度，对缺陷角度表征能力最优，在实际检测中可优先采用;LL-T,LT-T,TL-LL,TT-TT,TT-LT 等 5种模式的角度定量精度较低，可根据实际情况作次要参考;TL-L,TL-T,LT-L,LT-TL,LT-LL等5种模式的成像角度不受缺陷实际角度影响，仅适用于缺陷检出，在进行多模式融合处理时，可以排除这些模式以减少计算量，并获得更准确的缺陷轮廓。另外，在统一使用一6 dB法进行缺陷测长时，缺陷强度高的模式测量结果可能偏短，因此不同模式定量时的强度阈值有待进一步研究。此外，单频近似的混合模型精度有待提高，考虑频率对散射系数的影响能进一步提升模拟成像精度。参考文献：1周正干，李洋，周文彬.相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展J.机械工程学报，2 0 16，52（6）：1-11.2HOLMES C,DRINKWATER B W,WILCOX P D.Post-processing of the full1 matrix of ultrasonictransmit-receivearraydatafornon-destructiveevaluationJJ.NDT&E International,2005,38(8):701-711.3ZHANG J,DRINKWATER B W,WILCOX P D,etal.Defect detection using ultrasonic arrays:the multi-mode total focusing method J.NDT&EInternational,2010,43(2):123-133.4FIDAHOUSSEN A,CALMON P,LAMBERT M,et al.Imaging of defects in several complexconfigurations by simulation-helped processing ofultrasonicarrayydata J.AIPConferenceProceedings,2010,1211(1):847-854.2023年第45卷第7 期无损检测2023年第45卷第7 期60（上接第19 页）AAAAAA多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量宋泽宇，等：5 JIN S J,LIU C F,SHI S Q,et al.Comparison ofmorphology characterization for regular cracks 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