本發(fā)明涉及一種各向異性焊縫缺陷陣列檢測(cè)的修正的全聚焦成像方法，特別是一種適用于以奧氏體不銹鋼為代表的各向異性焊縫中缺陷定位的超聲陣列檢測(cè)方法，其將射線追蹤算法與全聚焦成像方法相結(jié)合對(duì)相控陣采集的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各向異性焊縫中缺陷的準(zhǔn)確定位，屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性及低溫韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造和核電等重大基礎(chǔ)行業(yè)的關(guān)鍵部位，如核電中的冷卻劑管道，航天器中的機(jī)身、艙壁及壓力容器等。在這些大型設(shè)備中，奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)間的連接多采用焊接方式。受焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝、材料殘余應(yīng)力及結(jié)構(gòu)尺寸等因素的影響，焊縫中易產(chǎn)生不同數(shù)量和程度的焊接缺陷。此外，這些大型設(shè)備多運(yùn)行在高溫、高壓及腐蝕等惡劣環(huán)境中，而焊縫是整個(gè)設(shè)備的薄弱部位，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、裂紋等各類危害性缺陷，成為影響重大設(shè)備安全運(yùn)行的事故隱患。

目前，工程上常用的焊縫無損檢測(cè)方法包括：滲透法、射線法及超聲法等。滲透法可檢測(cè)焊縫表面開口缺陷，但檢測(cè)程序繁瑣、周期長(zhǎng)；射線法主要用于焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)，但這種檢測(cè)方法對(duì)人體有害，且對(duì)焊縫中危害性較大的裂紋、未熔合等面積型缺陷不敏感；超聲檢測(cè)技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、靈敏度高、無毒無害、檢測(cè)速度快、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，且對(duì)焊縫中的缺陷定位定量精度較高。因此，超聲無損檢測(cè)在奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，已成為該領(lǐng)域中最為常用的檢測(cè)方法。

在焊接過程中，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫內(nèi)部會(huì)形成柱狀晶組織，柱狀晶具有非均勻性和各向異性。雖然大部分的柱狀晶體都具有各向異性，但當(dāng)晶粒尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，其對(duì)超聲的傳播影響較小，同時(shí)晶粒取向隨機(jī)分布使材料整體呈現(xiàn)各向同性，因此，可以作為各向同性材料處理。而奧氏體焊縫中晶粒粗大，大概為超聲波波長(zhǎng)的幾倍，超聲波在其中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生畸變、分離和曲線傳播等行為，嚴(yán)重影響超聲波檢測(cè)的定位精度和檢測(cè)靈敏度。因此，奧氏體不銹鋼焊縫的上述組織特點(diǎn)，大大增加了超聲波在焊縫中傳播的復(fù)雜性和檢測(cè)的難度。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，超聲相控陣技術(shù)是近年來超聲檢測(cè)中的一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用相控陣技術(shù)開展了對(duì)焊縫的檢測(cè)研究。但都是基于商用超聲相控陣系統(tǒng)進(jìn)行的檢測(cè)，因此，均未考慮焊縫的各向異性和非均勻性。

本發(fā)明考慮各向異性的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合基于費(fèi)馬原理的射線追蹤算法，對(duì)現(xiàn)有的全聚焦成像算法進(jìn)行修正，使全聚焦成像算法適用于各向異性焊縫的缺陷檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的內(nèi)容在于提出一種適用于各向異性焊縫內(nèi)部缺陷識(shí)別的全聚焦成像方法。通過相控陣采集全矩陣數(shù)據(jù)，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全聚焦處理。在進(jìn)行全聚焦成像時(shí)，需要計(jì)算陣元到各聚焦點(diǎn)的距離及時(shí)間?？紤]焊縫的各向異性，使用基于費(fèi)馬原理的射線追蹤算法對(duì)聲束在焊縫中的傳播路徑進(jìn)行追蹤，進(jìn)行計(jì)算傳播時(shí)間，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用全聚焦成像的方法進(jìn)行成像，從而正確顯示缺陷的位置。

本發(fā)明提出的適用于各向異性焊縫內(nèi)部缺陷識(shí)別的修正的全聚焦成像方法，其基本在于。

1)通過商用相控陣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)中采用相控陣探頭通過全矩陣模式采集得到時(shí)域信號(hào)gij(t),(i＝1,2,...,n；j＝1,2,...,n)，其中，下標(biāo)i表示第i個(gè)陣元激勵(lì)，j表示第j個(gè)陣元接收；

2)對(duì)采集到的全矩陣時(shí)域信號(hào)gij(t)進(jìn)行hilbert變換得到信號(hào)的包絡(luò)hij(t)；

3)根據(jù)費(fèi)馬原理的射線追蹤方法計(jì)算激勵(lì)、接收陣元與成像點(diǎn)的傳播時(shí)間tij(x,z)即每一成像點(diǎn)到激勵(lì)和接收陣元的傳播傳播時(shí)間tij(x,z)；

4)將每一成像點(diǎn)到激勵(lì)和接收陣元的傳播傳播時(shí)間tij(x,z)代入到全聚焦公式聚焦點(diǎn)(x,z)的幅值i(x,z)，在每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像結(jié)果；

5)輸出成像結(jié)果，從成像結(jié)果可以看出實(shí)際缺陷的位置；

假設(shè)采用一維線性相控陣的陣元個(gè)數(shù)為n，其中陣元i為激勵(lì)陣元，陣元j為接收陣元。由激勵(lì)陣元i激勵(lì)的聲束到達(dá)待測(cè)試件成像區(qū)域聚焦點(diǎn)(x,z)處，然后由此聚焦點(diǎn)反射后經(jīng)楔塊為接收陣元j所接收。每個(gè)陣元都激勵(lì)出聲束，被所有陣元所接收，那么就會(huì)得到n×n組全矩陣數(shù)據(jù)hij(t)，則聚焦點(diǎn)(x,z)的幅值i(x,z)可表示為

其中，hij(tij(x,z))為時(shí)域信號(hào)取希爾伯特包絡(luò)后對(duì)應(yīng)的聚焦點(diǎn)(x,z)的幅值信息，tij(x,z)為聲束從激勵(lì)陣元i到達(dá)聚焦點(diǎn)(x,z)后，再經(jīng)傳播至接收陣元j所用的時(shí)間；設(shè)待測(cè)試件內(nèi)波速為v，則傳播時(shí)間tij(x,z)為：

其中，xi表示激勵(lì)陣元位置，xj表示接收陣元位置。速度v為變量，表示當(dāng)前位置處的群速度，是與φ和θ相關(guān)的函數(shù)，φ表示當(dāng)前聚焦點(diǎn)位置的晶粒方向，θ表示聚焦點(diǎn)處波的入射方向；當(dāng)超聲波傳播的介質(zhì)的彈性常數(shù)已知的條件下，速度v與晶粒方向φ和聲束的入射方向θ有關(guān)。由于波的互易性，所以只需求出激勵(lì)陣元至聚焦點(diǎn)的傳播時(shí)間。

由于焊縫內(nèi)部晶粒方向分布不是唯一的固定值，因此，若按常規(guī)的方法先求解速度，然后計(jì)算時(shí)間，這樣運(yùn)算量會(huì)非常大。本發(fā)明擬采用費(fèi)馬原理可以計(jì)算出超聲波在各向異性介質(zhì)中的傳播時(shí)間tij，代入公式(1)即可實(shí)現(xiàn)各向異性介質(zhì)的全聚焦成像的聚焦點(diǎn)(x,z)的幅值。

根據(jù)超聲波波的波動(dòng)方程可以推導(dǎo)出各向異性介質(zhì)中超聲波的群速度v的不同方向的速度分量va表達(dá)式：

其中，candl為材料的剛度系數(shù)矩陣，a、n、d和l為指標(biāo)符號(hào)，且取值為1、2、3；分別表示x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸方向；a和l為自由標(biāo)，n和d為啞標(biāo)，p為極化矢量，與波的入射方向有關(guān)；ρ為密度，慢度矢量m＝k/ω；k為波矢量，ω為角頻率；最終的群速度v為三個(gè)方向的速度分量的合成矢量。

當(dāng)晶粒方向發(fā)生變化時(shí)，材料的剛度系數(shù)矩陣會(huì)隨著晶粒方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；結(jié)合公式(4)得出，超聲波在各向異性介質(zhì)中的傳播速度與波的入射方向和當(dāng)前的晶粒方向有關(guān)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)超聲波的傳播路徑進(jìn)行追蹤；焊縫母材區(qū)為各向同性介質(zhì)，焊縫區(qū)為各向異性介質(zhì)。

基于費(fèi)馬原理的射線追蹤原理；對(duì)焊縫邊界上的點(diǎn)進(jìn)行離散化；首先計(jì)算激勵(lì)陣元到各邊界上離散點(diǎn)的時(shí)間；然后計(jì)算邊界上的離散點(diǎn)到聚焦點(diǎn)之間的時(shí)間；把計(jì)算的兩個(gè)時(shí)間相加即為超聲波從激勵(lì)陣元到聚焦點(diǎn)的傳播時(shí)間；最后比較所有路徑中傳播時(shí)間最短的路徑即為波的傳播路徑。

所述的各向異性焊縫的修正的全聚焦成像方法，其特征在于：所述的全聚焦成像方法是相控陣在與基于費(fèi)馬原理的射線追蹤算法完成的。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)考慮材料的各向異性，對(duì)超聲波在各向異性材料中的傳播的速度與超聲波的入射方向和晶粒的分布建立了關(guān)系；(2)在材料微觀晶粒方向已知的情況下，可以對(duì)超聲波在各向異性材料中的傳播路徑進(jìn)行跟蹤；(3)考慮材料的各向異性，并與射線追蹤算法相結(jié)合，對(duì)常規(guī)的全聚焦成像方法進(jìn)行了修正，使超聲波在檢測(cè)各向異性材料時(shí)對(duì)缺陷定位更加準(zhǔn)確，解決了超聲波對(duì)各向異性材料中的缺陷定位不準(zhǔn)確的問題。

附圖說明

圖1是基于費(fèi)馬原理的射線追蹤方法示意圖；

圖2是各向異性焊縫缺陷陣列檢測(cè)的全聚焦成像流程圖；

圖3是常規(guī)的全聚焦成像結(jié)果圖；

圖4是修正的全聚焦成像結(jié)果圖；

圖5是焊縫多晶層模型示意圖；

其中：1—陣列；2—各向同性材料；3—各向異性材料；4—焊縫邊界；5—邊界上離散點(diǎn)；6—待確定的追蹤聲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

被檢測(cè)對(duì)象為316不銹鋼焊縫，母材看作為各向同性材料，焊縫區(qū)看作為各向異性材料。

基于費(fèi)馬原理的射線追蹤原理如圖1所示。對(duì)圖中v型焊縫邊界上的點(diǎn)進(jìn)行離散化。

316不銹鋼的彈性常數(shù)矩陣如下：

316不銹鋼的密度為8120kg/m³。各向異性焊縫部分設(shè)為單層晶粒，方向?yàn)?°。缺陷位于(-5,30)。缺陷類型為圓通孔，直徑為1mm。

如圖3所示，基于各向異性焊縫的全聚焦成像方法的具體實(shí)施步驟為：

6)通過商用相控陣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中所用相控陣探頭的陣元個(gè)數(shù)為n，通過全矩陣模式采集得到時(shí)域信號(hào)gij(t),(i＝1,2,...,n；j＝1,2,...,n)，其中，下標(biāo)i表示第i個(gè)陣元激勵(lì)，j表示第j個(gè)陣元接收。

7)對(duì)采集到的全矩陣時(shí)域信號(hào)gij(t)進(jìn)行hilbert變換得到信號(hào)的包絡(luò)hij(t)。

8)根據(jù)費(fèi)馬原理的射線追蹤方法計(jì)算激勵(lì)、接收陣元與成像點(diǎn)的傳播時(shí)間tij(x,z)。

9)將每一成像點(diǎn)到激勵(lì)和接收陣元的傳播傳播時(shí)間tij(x,z)，代入到全聚焦公式，在每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像結(jié)果。

10)輸出成像結(jié)果，從成像結(jié)果可以看出實(shí)際缺陷的位置。

圖3為常規(guī)全聚焦成像結(jié)果，缺陷定位有一定的偏差。圖4為修正后的全聚焦成像結(jié)果，可以看出，此方法可以準(zhǔn)確定位缺陷。

上述步驟中，換能器陣列數(shù)目n為16。

上述的焊縫模型中，晶粒方向可分為單層，也可分為多層。

實(shí)施例2

也可以根據(jù)晶粒方向?qū)缚p模型進(jìn)行分區(qū)即將焊縫分為多層晶粒方向結(jié)構(gòu)；參見圖5；首先計(jì)算初始點(diǎn)激勵(lì)陣元到各層邊界上離散點(diǎn)的時(shí)間；然后計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)所在層的與前一層交界線上的離散點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間的時(shí)間；由于波的入射方向?yàn)槲粗?，所以不能直接?jì)算速度。根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)所在層的與前一層交界線上的離散點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的連線可以求出波的傳播方向，根據(jù)波的傳播方向可以反推出波的入射方向；已知波的入射方向和晶粒方向可以計(jì)算群速度，進(jìn)而求得傳播時(shí)；最后比較所有路徑中總傳播時(shí)間最短的路徑即為波的傳播路徑；將所得最終時(shí)間帶入公式即可。

上述步驟只是本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，本發(fā)明的實(shí)施不限于此。