Page 105 - 无损检测2021年第八期

赵天伟, 等:

带不锈钢堆焊层的主管道焊缝全聚焦超声检测

声波在传播过程中发生衰减和散射, 导致检测波形 性构建表 征 信 号 相 位 分 布 的 相 干 因 子, 能 够 降 低
出现草状回波且信噪比低, 从而不利于缺陷的识别 TFM 重建图像中的噪声幅值。成像过程中构建的
, ) 为
与定量 [ 6-7 ] 。目前, 基于全矩阵捕捉 ( FMC ) 数据的 相位相干因子 C ( x ref z ref
全聚焦方法( TFM ) 被广泛应用于超声检测中, 其 C ( x ref z ref = 1- varcos φ x ref z reft i j +

[ 8 ]
, ,
, )

通过对阵列的 A 扫描信号进行延时叠加处理, 实现 varsin φ x ref z reft i j 1 / 2 ( 2 )
, ,

了声能在待检区域的逐点聚焦 [ 9-11 ] , 提高了检测信 式中: 为信号相角; var为求方差运算。
φ
噪比 [ 12 ] 。在此基础上, CAMACHO 等 [ 13 ] 进一步提 利用式( 3 ) 对全聚焦图像进行实时逐点加权处
出了用于抑制结构噪声的相位相干成像( PCI ) 法, 理, 以提升检测信噪比。
其利用阵列信号的相位相干性构建相位相干因子, ( , ) ( , ) , ) ( 3 )
I PCI x ref z ref = I TFM x ref z ref C ( x ref z ref
并对全聚焦图像进行加权处理, 进一步改善了信噪 ( , ) 为加权处理后得到信号的响应
式中: I PCI x ref z ref
比和成像质量。 总幅值。
文章首先简要介绍了 TFM 和 PCI法的原理,
2 金相分析
然后分析了堆焊层区域的宏观和微观金相, 最后对
比应用 PCI法前后的 TMF 成像结果, 分析了检测 带奥氏体不锈钢堆焊层的合金钢对接管段外

信噪比和缺陷辨识能力的变化情况。 观如图 1 ( a ) 所示, 管段壁厚为 74mm , 堆焊层试样
1 技术原理 [ 见图 1 ( b )] 为从其焊缝区截取得到, 试样尺寸为

21.0mm×14.5mm×11.5mm ( 长 × 宽 × 高)。
1.1 全聚焦方法
TFM 是一种基于相控阵探头 FMC 数据的信
号后处理方法 [ 14 ] 。该方法的原理为: 对于阵元数量
为 N 的相控阵探头, 各阵元依次发射超声脉冲信
号, 所有阵元同时接收并储存 A 扫描信号, 完整的
全矩阵数据包括 N 个时域信号; 随后, 对成像区域
2
进行网格划分并建立坐标系, 将每个阵元简化为一

个点。在超声垂直入射的条件下, 用( x i 0 ) 表示阵
,

,
元i 的位置坐标。设任意聚焦点 Q 的坐标为( x ref
), 根据各阵元到 Q 点的声程计算延时法则, 所
z ref

( , ) 表示
有经过该点信号的响应总幅值I TFM x ref z ref
为 [ 15 ]
N N
(
, )
()
,
I TFM x ref z ref = ∑∑ y i j t i j x ref z ref 1

i =1 j=1

式中: ( t ) 为阵元i ( x i 0 ) 发射, 阵元 j x j 0 ) 接

,
( ,
y i j

( , ) 为第i 个阵元发射, 第
收的超声信号; t i j x ref z ref
j 个阵元接收的信号经过Q 点时的传播时间。
将阵列时域信号通过延时叠加聚焦到每个网格 图 1 带奥氏体不锈钢堆焊层的合金钢对接管段及
点上, 即可实现被检区域的 TFM 成像和缺陷检测。 堆焊层试样外观
1.2 相位相干成像方法 利用水性砂纸对样品进行打磨、 抛光处理, 并采
主管道内表面堆焊的奥氏体不锈钢引起的结构 用重铬酸钾冷酸液腐蚀剂腐蚀试样表面。利用蔡司
噪声会干扰缺陷识别。 TFM 仅利用信号的幅值信 MEF-4 型金相显微镜对堆焊层试样的宏观及微观
息进行延时叠加处理, 虽然提高了缺陷信号的幅值, 组织结构进行观察。
但同时也提高了噪声幅值。与之相比, PCI法基于 奥氏体不锈钢堆焊层试样的宏观金相照片如图
超声信号的相位分布统计特征进行自适应 加权成 2 所示, 可见, 堆焊层内晶粒呈柱状分布, 晶粒宽度
像, 利用了阵列 A 扫描信号中缺陷回波相位分布一 为 200~300 μ m , 长度为 3000~4000 μ m , 晶粒取

致, 噪声相位分布散乱的特征 [ 16-17 ] 。基于相位相干 向较为杂乱, 生长方向为 -60°~30° 。奥氏体晶粒
3
6

2021 年 第 43 卷 第 8 期

无损检测