Page 122 - 无损检测2024年第九期

龚思璠，等：

碳钢焊缝典型缺陷的非线性特征

焊接作为一种不可或缺的技术，在产品加工、设 块材料为20 钢，属于低碳钢。试块规格有两种，尺
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备制造等领域得到了广泛应用。焊接工艺很容易受 寸（长×宽×高） 分别为400 mm×400 mm×30 mm
到外部环境的变化以及焊接材料等因素的影响，在 及400 mm×400 mm×20 mm，剖口形式为V形或X
焊接区域往往会存在一些缺陷，而缺陷容易引发设 形，试块表面状态为粗磨表面，采用氩弧焊、手工电
备故障、财产损失甚至人员伤亡等问题 [1-3] 。因此， 弧焊的焊接工艺。1 检测试块实物如图1所示。
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及时检测出焊接区域存在的缺陷，准确识别缺陷类
型具有非常重要的实际应用价值 [4-6] 。
国内外学者在缺陷检测、缺陷识别等领域进
行了大量研究。譬如，宋俊俊等 针对透射式非线
[7]
性超声检测在现场应用受到制约的问题，开展了
12Cr1MoVG 蒸汽管道蠕变的反射式非线性超声无损
检测研究；MERY等 提出一种基于分割、纹理特征
[8]
提取及分类的焊缝缺陷检测方案；张帅领等 提出一
[9]
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种基于变分模态分解的风电机组水冷壁管焊接裂纹 图 1 1 试块实物
缺陷识别方法；SONG 采用径向基函数网络对多传 1.2 试验装置
[10]
感器采集的信息进行映射，获得缺陷的几何轮廓；梁 此次试验采用相控阵超声检测系统检测试块焊
海波等 [11] 针对多传感器管道缺陷检测数据融合精度 缝缺陷。相控阵超声检测系统由HS PA30-E相控阵
不高的问题，提出一种基于改进鸟群算法与加权正则 超声波检测仪、探头、楔块、编码器组成。相控阵检
化极限学习机的管道缺陷数据融合方法。 测仪与离线分析软件PCAnly配套使用。采样频率
缺陷检测信号中蕴藏着丰富的信息，如何从采 设定为100 MHz，采用型号为5L32-0. 6×10-A30的线
集到的非稳态缺陷信号中提取缺陷特征，进而进行 性探头，该探头的阵元数量为32，晶片长度为10 mm，
识别或分类，是缺陷识别的关键。目前根据缺陷信 晶片中心间距为0. 6 mm，探头频率为5 MHz，使用的
号进行缺陷识别多采用时域/频域特征指标， 其类型 楔块型号为SA30-60S-C(37)。
繁多，且对于各类缺陷的聚类性和识别效果不尽相 1.3 试验过程
同。考虑到缺陷的存在会导致超声波在被检试件内 首先，正确连接相控阵超声检测系统各组件，根
的传播呈现非线性、非稳态的特点，探索基于非线性 据各测试试块的规格尺寸、剖口类型、焊缝宽度等完
动力学理论的缺陷识别新方法，是对于现有基于时 成基本检测参数的设置和聚焦法则的建立。其次，
域/频域特征识别方法的有效补充。目前， 针对采集 使用CSK-IA试块、PRB-Ⅰ试块完成声速校准、楔
的无损检测信号进行非线性动力学研究的成果并不 块延时校准，灵敏度校准、时间-角度增益修正，完
多见。赵胤翔等 [12] 开展了锚杆无损检测反射信号分 成编码器校准，旨在减小测量误差。最后，根据设
形分析及其应用研究；武静等 [13] 利用 Lyapunov指数 置的检测参数布置探头，完成对检测试块的数据采
实现了超声导波检测的试验研究；唐铭希 [14] 利用混 集。以1 检测试块为例，其检测时的主要参数如表1
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沌特征量揭示了磁致伸缩导波信号的混沌特性。但 所示。
在基于非线性特征参数对缺陷类型进行表征方面，
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表1 1 检测试块的试验参数
迄今还未见相关报道。因此，文章从非线性的角度
类型 项目 参数
研究相控阵超声检测系统采集的缺陷信号，探索基 试块尺寸 400 mm×400 mm×30 mm
试块参数
于非线性特征值的碳钢焊缝典型缺陷表征方法，从 剖口形式 X
而为焊缝缺陷识别提供一定的借鉴。 扫查方式 扇扫
聚焦类型 深度聚焦
1 碳钢焊缝相控阵超声检测试验 扫查参数 聚焦距离/mm 60.00
探头前端距/mm 40.00
1.1 试件制备 扫查角度范围/（°） 37~72
制作6个包含气孔、夹渣、未熔合、未焊透和纵 声波模式 横波
检测参数
向裂纹5种缺陷的试验试块（编号依次为1 ~6 ），试 采样频率/MHz 100
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2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测