Page 44 - 无损检测2021年第十二期

李 衍:
双全法检测焊缝典型缺陷图谱解读

超声检测使用的声波一般是线性的, 也就是发
射和接收( 波束成形) 特定波束的声波, 其物理叠加
可通过采集后求和来得到。为进行与实际波束成形
相对应的 TFM 合成波束成形, 需从探头的发射声
阑与接收声阑获取所有基本 A 扫描信号。利用整 图2 声传播模式和声成像路径示意
套基本 A 扫描数据集来计算所有聚焦波束。 模型, 可用于预测针对无向缺陷与定向缺陷的全聚焦
1.1 全矩阵捕获( FMC ) 法检测波幅灵敏度。对涉及多个界面相互作用和波

该方法由全矩阵捕获声学采集获取数据集。 型变换的复杂声程, 声影响图有助于检测人员完善扫
FMC数据集由接收到的所有基本 A 扫描组合集 查布置, 提高最终 TFM 图像的信噪比和缺陷检出率。
成, 而这些 A 扫描信号来自相控阵超声探头每一阵
通常, 定向缺陷与非定向缺陷散射的声影响图
元发射的声波。该方法涉及探头各阵元声波从“ 一
是不同的。非定向散射体包括焊缝中的夹渣、 气孔
发全收” 至“ 全发全收” 的过程。
等体积型缺陷; 而定向散射体包括焊缝中的未熔合
任何波束形成法均可用于 FMC 数据集。可使
和裂纹等平面型缺陷。平面型缺陷的定向散射特性
用原始 FMC数据( 基本 A 扫描) 合成仿真常规相控
是一个重要参数, 而在相控阵换能器系统的建模中,
阵超声采集数据, 但 PAUT 波束形成法仅将波束聚
该参数往往被忽略。
焦于试件某精确位置上, 而 TFM 可显示整个关注
为计算声影响图, 资深专业团队研发了一种基
区( TFM 区) 上的波幅, 且关注区内每个像素位置均
于声线的半解析声学模型, 用于计算脉冲回波、 自串
能被聚焦。利用 TFM 处理 FMC 数据的主要目的
列和二次反射 TFM 检测模式的发、 收双向声压特
是获取关注区全聚焦的潜能。相同的 FMC 数据集
征值。该声学模型考虑了声波透射系数、 反射系数、
可作为呈现不同波集的多个 TFM 图像的来源。 几何波束扩散和材料衰减的影响。另外该模型还使
1.2 全聚焦法( TFM ) 用瑞利 - 佐默费尔德( Ra y lei g h-Sommerfeld ) 积分对
首先, 操作者输入界定 TFM 区参数, 即界定检测 平底孔远场散射响应进行建模( 平底孔散射响应用
目标区或关注区( ROI ), ROI 区及界定原理如图1所
于模拟定向缺陷)。
示 , 图中P ( 水平距离) 为-12~12mm , D ( 深度) 为

为证明该声学模型的实用性, 笔者针对如何将

-0.01~15mm 。将 TFM 区分成网格状, 网格中每 理论声影响图用于选定的 TFM 检测模式给出了实
一位置( 或像素) 的大小决定了网格分辨率。为使
用示例。某被检试件坡口形式为 V 型, 内含已知未
FMC数据具有意义, TFM 算法要输入关键变量( 如
熔合缺陷, 坡口角度为35° , 检测所用的探头型号为
声传播模式和分辨率), 并将数据分成波集或波组。
TFM 波集表示超声波从发射阵元到 TFM 区再到接 5L32-A32 , 楔块型号为 SA32-N55S-IHC 。坡口未

收阵元的波程, 该波程与一次波或二次波波型( 横波 熔合缺陷检测布置如图3所示。该模型用 ϕ 5mm
的斜向平底孔模拟坡口面未熔合, 孔底面与试块底
或纵波) 相关。如 TTT波集作为脉冲横波, 到达接收
面垂线夹角为35° 。其自串列( TLT ) 模式和二次反
阵元前会有两次反射( 一次底面反射, 一次缺陷反
射), 该情况下的声传播模式和声成像路径如图2所 射( TTTT ) 模式的理论声影响图如图4所示。
由图4可知, 与二次反射 TTTT 模式相比, 自
示, 图中 TT-T 和 T-TT 模式的波程相同, 波向相反
串列 TLT 模 式 的 声 影 响 图 颇 不 规 则。显 然, 用
( T为横波, L为纵波, TT-T 为间发直收, T-TT 为直
TLT 模式获取坡口未熔合尺寸的稳定测评值难度
发间收)。
较大; 且 TLT 模式预期波幅要比二次反射模式的
2 声影响图的应用 波幅低 3 个数量级( 因为 TLT 模式中, L 是变型
声影响图( AIM ) 是业界最新开发的一种半解析 波)。因此, 二次反射 TTTT 模式是首选的 TFM

图1 ROI 区界定原理示意 图3 坡口未熔合检测布置示意

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2021年 第43卷 第12期

无损检测