分享：厚壁奧氏體不銹鋼焊縫TRL面陣探頭全聚焦成像檢測的仿真與分析

奧氏體焊縫具有柱狀晶組織、晶粒粗大、各向異性等特征，故當超聲波在焊縫中傳播時，會嚴重受到其彈性各向異性的影響，進而出現(xiàn)聲速變化、散射衰減增大、波束偏移以及檢測信噪比低等問題，給缺陷的檢出、精確定量和定位帶來了極大的困難[1]。雙晶面陣列探頭是解決奧氏體不銹鋼焊縫等粗晶材料超聲檢測的主要技術(shù)手段，主要研究方向包括探頭設(shè)計、超聲檢測工藝開發(fā)與試驗驗證等[2-4]。相控陣超聲檢測技術(shù)具有靈活的聲束可控性、較強的檢測適應(yīng)性、良好的缺陷檢出率等特點，已在奧氏體焊縫檢測中得到了成功應(yīng)用[5-6]。但其掃描聲束范圍有限，導致聚焦效果受到影響。近年來興起的全聚焦檢測，優(yōu)點在于其成像質(zhì)量遠遠優(yōu)于常規(guī)相控陣超聲方法的成像質(zhì)量，檢測結(jié)果具有較高的信噪比和孔型缺陷形狀還原度，可在一定程度上克服厚壁奧氏體不銹鋼焊縫的檢測信噪比低、難度大等問題。因此，文章利用CIVA 仿真平臺，建立厚壁奧氏體不銹鋼焊縫模型，基于TRL面陣探頭對其全聚焦檢測成像模式進行仿真與分析，為厚壁奧氏體不銹鋼焊縫的全聚焦成像檢測工藝的制定提供參考。 

1.   全聚焦成像原理

全聚焦(Total focusing method，TFM)成像是一種特殊的相控陣超聲檢測技術(shù)。其實現(xiàn)方式是逐一激發(fā)陣列探頭的單個（或多個）陣元，同時所有（或設(shè)定的）陣元組接收信號，依次遍歷激發(fā)所有陣元（或陣元組）之后，根據(jù)延遲法則對目標網(wǎng)格化區(qū)域內(nèi)的每一個點進行計算和成像，其原理示意如圖1所示。 

圖  1  全聚焦成像原理示意

TFM的成像質(zhì)量遠遠優(yōu)于常規(guī)相控陣超聲成像方法的，且可根據(jù)不同成像路徑，實現(xiàn)多種成像模式，如圖2所示。 

圖  2  TFM的不同成像模式

由圖2可知，探頭與缺陷間存在L、T、LL、LT、TL或TT（L表示縱波，T表示橫波）6種成像路徑?？紤]到聲束互逆性，諸如LL-TL、LT-LL兩種模式波具有相同的聲傳播路徑，在多模式全聚焦成像中可被視為一種模式波。因此，經(jīng)排列組合可得，多模式全聚焦成像的3類模式共包含21種模式波，分別為3種直接模式、8種半跨模式和10種全跨模式。其中，每種模式波的重建圖像被稱為視圖，全部21種視圖如表1所示。對比常規(guī)全聚焦成像，多模式全聚焦成像考慮了更多的成像路徑，擴大了可重建缺陷的范圍。 

2.   模型建立與缺陷設(shè)置

CIVA仿真軟件在材料特性模擬、檢測技術(shù)模擬、缺陷檢測與評估、試驗驗證與優(yōu)化方面具有一定的優(yōu)勢?；趯W氏體不銹鋼主管道焊縫全聚焦成像工藝設(shè)計仿真的需要，文章選取CIVA仿真平臺進行建模。 

2.1   模型建立

基于奧氏體不銹鋼主管道相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在AutoCAD軟件中制作三維模型，包括母材及焊縫部分，截取整個管道中的60°范圍區(qū)域作為仿真試件，如圖3所示。利用制作的焊縫三維CAD模型，在仿真平臺中建立奧氏體不銹鋼主管道焊縫檢測模型。CIVA相控陣超聲檢測模型及焊縫坡口結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。 

圖  3  仿真試件的CAD模型

圖  4  CIVA相控陣超聲檢測模型及焊縫坡口結(jié)構(gòu)示

同時，文章選取厚度為76 mm的奧氏體不銹鋼主管道焊縫對比試塊，利用中心頻率為1.5 MHz，陣元排布為8×4的TRL面陣探頭分別獲取焊縫部分和母材部分中深度分別為10，30，60 mm的?3.2 mm側(cè)鉆孔的試驗信號。在仿真模型中建立相同缺陷并獲取相應(yīng)的仿真信號，然后與試驗信號對比,對比結(jié)果如表2所示。 

對于母材和焊縫，得到的仿真信號與試驗信號的信噪比誤差為0.95 dB和0.24 dB，相對誤差分別為4.11%和1.14%，驗證了仿真模型的有效性。 

2.2   缺陷設(shè)置

為了分析不同種類、尺寸和位置缺陷的全聚焦仿真成像結(jié)果，文章基于仿真模型，在焊縫中設(shè)置了參數(shù)如表3所示的仿真缺陷。 

3.   全聚焦檢測技術(shù)分析與優(yōu)化

3.1   全聚焦模式設(shè)置

文章采用TRL面陣探頭，僅用縱波進行發(fā)射和接收，可簡化為1種直接模式（L-L）、1種半跨模式（LL-L）和1種全跨模式（LL-LL）。下面將以焊縫不同位置的不同類型缺陷作為參考，對比不同全聚焦成像模式的特點，選擇更適宜的全聚焦成像模式。 

3.2   全聚焦仿真成像結(jié)果與分析

針對上文缺陷設(shè)置，分別進行不同模式的全聚焦仿真成像，并對仿真成像的結(jié)果進行對比分析。 

3.2.1   氣孔缺陷

為分析不同位置氣孔缺陷的全聚焦成像檢測能力，在厚度為76 mm的奧氏體不銹鋼焊縫仿真模型中分別設(shè)置深度為6，38，70 mm，直徑為2.0 mm的氣孔缺陷，并通過對比不同模式的全聚焦成像結(jié)果，分析成像模式對成像效果的影響，其全聚焦直接模式成像仿真結(jié)果如圖5所示。 

圖  5  深度分別為6，38，70 mm氣孔缺陷的全聚焦直接模式成像仿真結(jié)果

由圖5可知，深度分別為6，38，70 mm，直徑為2 mm的氣孔缺陷在直接模式全聚焦成像中清晰可見，且該模式能夠表征氣孔缺陷的上表面位置，相比相控陣超聲扇形掃查成像，全聚焦成像受到奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的噪聲影響更小，更容易判斷缺陷的數(shù)量和位置，利于定量分析。由于發(fā)射的超聲波聲束脈沖為多周期高斯脈沖，存在數(shù)個波峰，因此在氣孔的全聚焦成像中，可以觀察到氣孔的上表面處包含2~3個條狀像，與多個小氣孔的成像結(jié)果類似。在實際檢測中，多個小氣孔缺陷和一個大尺寸氣孔缺陷對焊縫力學性能的影響往往并不相同，因此需要對缺陷的數(shù)量和尺寸進行確認。這可以通過調(diào)整探頭位置改變超聲聲束入射角度來確認，若為大氣孔缺陷，則條狀像的角度改變，位置也會改變，向聲束新覆蓋的氣孔上表面移動；若為多個小氣孔缺陷，則條狀像僅角度改變，位置基本不變。 

為進一步對氣孔缺陷進行定量分析，整理深度分別為6，38，70 mm，直徑為2 mm氣孔缺陷的全聚焦成像定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表4所示。 

由表4可知，氣孔缺陷平均定位誤差為0.56 mm，定位誤差較小，全聚焦成像基本可以表征氣孔缺陷在焊縫中的位置；氣孔缺陷平均尺寸定量誤差為1.41 mm，可以觀察到，受到奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的影響，隨著深度增加，超聲波聲束出現(xiàn)發(fā)散，導致氣孔缺陷的反射回波成像偏大。 

為了比較不同全聚焦成像模式對氣孔缺陷成像結(jié)果的影響，選取不同深度，直徑為2 mm的氣孔缺陷進行試驗，其直接模式、半跨模式和全跨模式成像結(jié)果對比如圖6至圖8所示。 

圖  6  深度為6 mm氣孔缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  7  深度為38 mm氣孔缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  8  深度為70 mm氣孔缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

由圖6至圖8可知，半跨模式和全跨模式的氣孔缺陷成像拖尾都較長，遠大于直接模式全聚焦成像結(jié)果。這主要是半跨模式和全跨模式下的超聲波傳播時間較長，聲束發(fā)散較嚴重，導致對氣孔缺陷尺寸估計的誤差偏大。但3種模式下的成像都可以較好地表征氣孔缺陷所在的位置。 

為進一步說明3種成像模式對氣孔缺陷的檢測能力，計算氣孔缺陷在不同全聚焦成像模式下的定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表5所示。 

綜上所述，檢測氣孔缺陷時，使用直接模式成像的定位誤差和尺寸定量誤差更小，故應(yīng)選擇全聚焦直接模式成像對氣孔缺陷進行檢測。 

3.2.2   裂紋缺陷

為分析不同位置裂紋缺陷的全聚焦成像檢測能力，在厚度為76 mm的奧氏體不銹鋼焊縫仿真模型中分別設(shè)置深度為10，38，60 mm的裂紋缺陷，其長度均為10 mm，并通過對比不同模式的全聚焦成像結(jié)果，分析成像模式對成像效果的影響。不同深度下，長度為10 mm裂紋缺陷的全聚焦直接模式成像結(jié)果如圖9所示。 

圖  9  不同深度下，長度為10 mm裂紋缺陷的全聚焦直接模式成像仿真結(jié)果

由圖9可知，長度為10 mm的裂紋缺陷在直接模式全聚焦成像中清晰可見，且缺陷所在位置能夠被表征，相比相控陣超聲扇形掃查成像，全聚焦成像更容易判斷缺陷的數(shù)量和位置，利于定量分析。由于發(fā)射的超聲聲束脈沖為多周期高斯脈沖，存在數(shù)個波峰，因此在裂紋的全聚焦成像中，可以觀察到裂紋缺陷附近存在2~3個條狀像，與多個平行小裂紋的成像結(jié)果類似。在實際檢測中，多個小裂紋缺陷和一個大裂紋缺陷對焊縫力學性能的影響往往并不相同，因此需要對缺陷的數(shù)量和尺寸進行確認。這可以通過調(diào)整探頭位置改變聲束入射角度來確認，若為一個大尺寸裂紋，則裂紋中部的反射成像可能會由于角度改變而無法成像，僅剩余裂紋缺陷兩個尖端衍射波保持在空間絕對位置內(nèi)不變，其他成像會改變位置或變?nèi)跸?；若為多個平行小裂紋，則會剩余多個尖端衍射波保持在空間絕對位置內(nèi)不動。從圖9中可以觀察到，隨著裂紋缺陷尺寸增加，缺陷的全聚焦直接成像越來越趨近下尖端一側(cè)，而上尖端一側(cè)成像強度較弱，經(jīng)過全聚焦平均化后未能顯現(xiàn)，而導致定位時誤差增大。 

為進一步對裂紋缺陷的全聚焦成像結(jié)果進行定量分析，整理長度為10 mm裂紋缺陷的全聚焦成像定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表6所示。 

由表6可知，長度為10 mm裂紋缺陷的平均定位誤差為1.90 mm，定位誤差較小，全聚焦基本可以表征裂紋缺陷在焊縫中的位置；缺陷平均尺寸定量誤差為0.81 mm，裂紋缺陷成像的幅值最高處趨向于裂紋的下尖端，這主要是空間中聲波能量分布不均勻?qū)е碌?，盡管全聚焦成像方法能夠在一定程度上增加空間平均性，但是能量的不均勻仍能從全聚焦圖像中觀察到，這也導致利用裂紋缺陷中心進行定位測量時，定位誤差會在一定程度上增大。同時，受到奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的影響，超聲波聲束會出現(xiàn)發(fā)散，導致裂紋缺陷的反射回波邊緣呈現(xiàn)發(fā)散的現(xiàn)象，在一定程度上彌補了空間不均勻?qū)е铝鸭y尺寸定量偏小的不足。 

為了比較不同全聚焦成像模式對不同深度裂紋缺陷成像結(jié)果的影響，選取不同深度下長度為10 mm的裂紋缺陷進行試驗，其直接模式、半跨模式和全跨模式成像結(jié)果對比如圖10至圖12所示。 

圖  10  深度為10 mm裂紋缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  11  深度為38 mm裂紋缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  12  深度為60 mm裂紋缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

由圖10至圖12可知，直接模式、半跨模式和全跨模式的成像方式不同，直接模式下，超聲波聲束傳播方向近似與裂紋取向垂直，因此其成像主要為裂紋的主體部分；而半跨和全跨模式下，超聲波傳播方向與裂紋取向呈較小的角度，因此其成像主要為裂紋的上下尖端部分。由于超聲波傳播距離過大，受材料噪聲影響，偽像較強，且會一定程度影響裂紋的判斷，但基本能夠觀察到裂紋尖端衍射波的存在。同時可知，3種模式下的成像都可以較好地表征不同深度裂紋缺陷所在的位置。 

為進一步說明3種成像模式對不同深度裂紋缺陷的檢測能力，整理不同深度下長度為10 mm裂紋缺陷的不同全聚焦成像模式下的定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表7所示。 

由表7可知，對于深度為10 mm的裂紋，半跨模式的定位誤差和尺寸定量誤差均小于直接成像模式和全跨模式的，這主要是由于在此裂紋所處的角度下，半跨模式和全跨模式成像顯示的為裂紋缺陷上、下尖端的衍射波，且半跨模式比全跨模式的聲程更小，受奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的影響更小，因此成像效果更好。對于深度為38 mm的裂紋，直接模式的定位誤差和尺寸定量誤差均小于半跨模式和全跨模式的，這主要是由于在此裂紋所處的角度下，半跨模式和全跨模式成像顯示的為裂紋缺陷上、下尖端的衍射波，但是受奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的影響，定位誤差和尺寸定量誤差增大。但是3種成像模式的誤差差距較小，根據(jù)裂紋角度的不同，成像誤差也會相應(yīng)變化，因此在檢測中可以通過變換成像模式以降低檢測誤差。對于深度為60 mm的裂紋，直接模式的定位誤差和尺寸定量誤差均小于半跨模式和全跨模式的，這主要是由于在此裂紋所處的角度下，半跨模式和全跨模式成像顯示的為裂紋缺陷上、下尖端的衍射波，同時裂紋缺陷位于焊縫近底面，半跨模式和全跨模式下缺陷回波與底面回波混疊，增大了定位誤差和尺寸定量誤差。故檢測近底面裂紋缺陷時，應(yīng)優(yōu)先選擇直接成像模式。 

綜上所述，裂紋缺陷位于焊縫近底面和中部時，可以綜合直接成像模式和半跨模式進行檢測；當裂紋位于焊縫近底面時，優(yōu)先選擇直接成像模式。 

3.2.3   側(cè)壁未熔合缺陷

為分析不同位置側(cè)壁未熔合缺陷的全聚焦成像檢測能力，在厚度為76 mm，長度為10 mm的奧氏體不銹鋼焊縫仿真模型中分別設(shè)置深度為6，38，70 mm的側(cè)壁未熔合缺陷，并通過對比不同模式的全聚焦成像結(jié)果，分析成像模式對成像效果的影響。其直接模式成像結(jié)果如圖13所示。 

圖  13  不同深度下，長度為10 mm側(cè)壁未熔合缺陷的全聚焦直接模式成像仿真結(jié)果

由圖13可知，深度為6 mm時，長度為10 mm側(cè)壁未熔合缺陷的上、下尖端在直接模式全聚焦成像中清晰可見，且缺陷所在位置能夠被表征，相比相控陣超聲扇形掃查成像，全聚焦成像更容易判斷缺陷的數(shù)量和位置，利于定量分析。從圖13中可以觀察到，在深度為6 mm位置側(cè)壁未熔合缺陷下尖端附近存在一些偽像，這主要有以下兩個原因：一是結(jié)構(gòu)噪聲引起的背景噪聲，形成了偽像；二是側(cè)壁未熔合缺陷呈條形，超聲聲束傳播至缺陷處時，除了在缺陷尖端產(chǎn)生衍射波外，還會產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，一部分反射波由探頭接收，從而形成偽像。通過改變探頭位置實施多次檢測，可以降低偽像對缺陷判斷的影響。 

為進一步對不同深度側(cè)壁未熔合缺陷的全聚焦成像結(jié)果進行定量分析，整理不同深度側(cè)壁未熔合缺陷的全聚焦成像定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表8所示。 

由表8可知，不同深度側(cè)壁未熔合缺陷平均定位誤差為0.65 mm，定位誤差較小，全聚焦成像基本可以表征側(cè)壁未熔合缺陷在焊縫中的位置；不同深度側(cè)壁未熔合缺陷平均尺寸定量誤差為0.17 mm，全聚焦成像對不同深度側(cè)壁未熔合缺陷上、下尖端的定位較為準確，且能夠較為準確地估計側(cè)壁未熔合缺陷的尺寸，且隨著深度增加，尺寸定量誤差和定位誤差在一定范圍內(nèi)波動，較為穩(wěn)定。 

為了比較不同全聚焦成像模式對不同深度側(cè)壁未熔合缺陷成像結(jié)果的影響，選取不同深度，長度為10 mm的側(cè)壁未熔合缺陷進行試驗，其直接模式、半跨模式和全跨模式成像結(jié)果對比如圖14至圖16所示。 

圖  14  深度為6 mm側(cè)壁未熔合缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  15  深度為38 mm側(cè)壁未熔合缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

圖  16  深度為70 mm側(cè)壁未熔合缺陷的不同模式全聚焦成像仿真結(jié)果

由圖14至圖16可知，對于深度分別為6，38，70 mm的側(cè)壁未熔合缺陷，直接模式、半跨模式和全跨模式下的成像都可以較好地表征缺陷所在位置。 

為進一步說明3種成像模式對側(cè)壁未熔合缺陷的檢測能力，整理不同深度下，長度為10 mm側(cè)壁未熔合缺陷的不同全聚焦成像模式下的定位和尺寸定量誤差，結(jié)果如表9所示。 

由表9可知，對于深度為6，38 mm的側(cè)壁未熔合缺陷，半跨模式的誤差比其他兩種方法的誤差稍大，且成像中側(cè)壁未熔合缺陷的上、下尖端衍射波發(fā)散嚴重，不建議采用。因此，在檢測近表面和中部側(cè)壁未熔合缺陷時，可綜合考慮直接模式和全跨模式。對于深度為70 mm的側(cè)壁未熔合缺陷，直接模式的定位誤差和尺寸定量誤差均小于半跨模式和全跨模式的，半跨模式和全跨模式下探頭接收聲波的角度偏離實際聲波的反射角度，導致超聲成像產(chǎn)生發(fā)散和存在背景噪聲的現(xiàn)象，而使得底面回波和缺陷回波發(fā)生混疊，也就增大了誤差和缺陷分析難度。因此，在檢測近底面?zhèn)缺谖慈酆先毕輹r，應(yīng)優(yōu)先考慮直接模式成像。 

綜上所述，當側(cè)壁未熔合缺陷處于焊縫近表面和焊縫中部時，推薦以直接成像模式成像為主，結(jié)合全跨模式成像，以提高缺陷分析的精度；當側(cè)壁未熔合缺陷位于焊縫近底面時，應(yīng)使用直接模式成像。 

4.   結(jié)論

文章針對厚壁奧氏體不銹鋼焊縫TRL面陣探頭全聚焦檢測的成像模式進行了仿真與分析，得出如下結(jié)論。 

（1）采用TRL面陣探頭對厚壁奧氏體不銹鋼焊縫進行全聚焦檢測，可有效檢出焊縫中的氣孔、裂紋、側(cè)壁未熔合等缺陷。 

（2）針對焊縫中不同類型和位置的缺陷，可采用不同成像模式來提高定位與定量精度。 

（3）焊縫中同為體積型或面積型的其他類型缺陷，其檢出效果和定位定量效果與上述結(jié)論一致。 

（4）試驗結(jié)果可為厚壁奧氏體不銹鋼焊縫的全聚焦成像檢測工藝的制定提供參考。

文章來源——材料與測試網(wǎng)