攪拌摩擦焊焊縫陣列超聲全聚焦成像檢測技術(shù)

王 飛 趙彥龍 危 荃 周正干 李文濤

（1 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

（2 空軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201109）

（3 北京航空航天大學(xué)機(jī)械及自動化學(xué)院，北京 100083）

文 摘 針對航天薄壁鋁合金攪拌焊焊縫的高精度、高分辨率檢測應(yīng)用需求，開展了陣列超聲全聚焦成像檢測技術(shù)研究?；谛毙▔K耦合下橫波多次反射全聚焦優(yōu)化算法搭建了陣列超聲檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對厚度為6 mm 攪拌摩擦焊焊縫不同位置處的Φ0.35 mm 橫孔進(jìn)行了相控陣超聲扇形掃描成像和陣列超聲全聚焦成像檢測對比試驗。試驗結(jié)果表明，兩種方法均能夠有效檢測出焊縫中心或熱力影響區(qū)的橫孔，但陣列超聲全聚焦成像檢測技術(shù)在信噪比和縱向分辨力方面更具優(yōu)勢，該技術(shù)的發(fā)展為航天領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件高精度、高分率、高可靠性檢測難題的解決提供了新的思路和途徑。

0 引言

攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種綠色、高可靠的焊接技術(shù)，目前已在航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)所不同的是，攪拌摩擦焊技術(shù)是利用攪拌工具的熱-力擠壓鍛造作用形成材料的固相連接，焊接過程中雖然不會產(chǎn)生傳統(tǒng)的氣孔、熱裂紋等焊接缺陷，但是當(dāng)焊接工藝控制不當(dāng)時，也會導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)一些微小孔洞類或弱結(jié)合缺陷［1-2］。

目前針對該類缺陷的檢測常采用相控陣超聲檢測方法，受方法本身及儀器硬件條件制約，在檢測薄壁或彎曲型面等幾何結(jié)構(gòu)特殊的焊縫時，有限數(shù)量的合成聲束和聚焦點(diǎn)往往難以確保探測區(qū)域的全覆蓋，進(jìn)而導(dǎo)致待檢區(qū)域范圍內(nèi)靈敏度差異，一定程度上也增加了缺陷的漏檢和誤檢概率，不利于檢測質(zhì)量的控制［3-4］。尤其是近年來隨著航天領(lǐng)域大直徑貯箱全攪拌摩擦焊技術(shù)的突破，對于提升焊縫檢測質(zhì)量的可靠性滿足現(xiàn)場原位高精度、高分辨率的檢測應(yīng)用需求就顯得尤為迫切。基于全矩陣數(shù)據(jù)采集（FMC）全聚焦（TFM）成像的陣列超聲檢測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)［6-7］。該技術(shù)相比于常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)，可針對具有復(fù)雜幾何外形或者復(fù)雜材料屬性的被測試件進(jìn)行檢測與評價算法的定制［3］，因此為解決航天領(lǐng)域復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)缺陷的高靈敏度、高可靠性檢測難題提供了有效解決方案。

本文圍繞航天薄壁鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的高靈敏度、高可靠性檢測應(yīng)用需求，結(jié)合小直徑人工缺陷對比試樣開展了相控陣超聲扇形掃描成像和陣列超聲全聚焦成像檢測對比試驗研究，分析了全聚焦成像檢測技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)而為該技術(shù)在航天領(lǐng)域的工程推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 陣列超聲成像檢測原理

1.1 相控陣超聲成像檢測原理

相控陣超聲檢測時主要控制陣列換能器各個陣元晶片的發(fā)射和接收延時（相位）來實(shí)現(xiàn)合成聲束的偏轉(zhuǎn)或聚焦，進(jìn)而通過B 型、C 型、S 型等顯示成像方式實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部缺陷的檢測，檢測原理如圖1所示［3-4］。

圖1 相控陣超聲檢測原理Fig.1 Principle of phased array ultrasonic testing

1.2 基于全矩陣數(shù)據(jù)采集全聚焦成像的陣列超聲檢測原理

1.2.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集原理

如圖2圖3所示，以N陣元的一維線性陣列探頭為例，基本原理為：依次對線陣換能器中編號1 到N的陣元進(jìn)行激勵，包括當(dāng)前激勵陣元在內(nèi)的1到N所有陣元并行接收，由此共可獲得N×N組波形數(shù)據(jù)。對于i陣元發(fā)射、j陣元接收所獲得的數(shù)據(jù)可表示為Sij，該Sij包含了對應(yīng)時間采樣點(diǎn)所接收到的信號幅值［4-5］。

圖2 全矩陣數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Schematic diagram of full matrix data collection

圖3 全矩陣數(shù)據(jù)Fig.3 Full matrix data

1.2.2 全聚焦成像算法原理［7-12］

基于斜楔塊入射的全聚焦成像算法原理如圖4所示，陣列換能器通過楔塊耦合于被檢區(qū)域上表面，通過1.2.1 中全矩陣數(shù)據(jù)采集方法獲得Sij。針對某一目標(biāo)聚焦點(diǎn)（x，z），利用延時法則將換能器中所有發(fā)射-接收陣元組合的回波信號在該點(diǎn)疊加，獲得表征該點(diǎn)信息的幅值I（x，z）。通過對被檢區(qū)域內(nèi)各個聚焦點(diǎn)的幅值進(jìn)行合成即可即實(shí)現(xiàn)被測區(qū)域內(nèi)的高靈敏度成像。

圖4 楔塊斜入射條件下全聚焦成像算法Fig.4 Total focused ultrasound Imaging algorithm under wedge oblique incidence condition

對于特定聚焦點(diǎn)（x，z）的幅值I（x，z）可表示為：

式中，Sij（tij（x，z））為聚焦點(diǎn)（x，z）的幅值信息。tij（x，z）為提取聚焦點(diǎn)（x，z）幅值的延遲時間，包括聲波從陣元i激勵傳播到（x，z）再被陣元j接收所需時間，由圖4可知：

式中，xi，xj分別為發(fā)射、接收陣元的橫坐標(biāo)；zi，zj分別為發(fā)射、接收陣元的縱坐標(biāo)；xt，xr分別為發(fā)射、接收聲束在界面折射點(diǎn)的橫坐標(biāo)；c1為楔塊中縱波聲速、c2為試塊內(nèi)的橫波聲速。

2 攪拌摩擦焊焊縫對比試樣制作

針對厚度為6 mm 的2219 鋁合金攪拌摩擦焊對接焊縫試樣，分別在焊縫截面中心及熱影響區(qū)不同位置處加工Φ0.35 mm×25 mm 的橫孔人工反射體，用于對比和驗證不同位置處的缺陷檢測效果（圖5）。其中圖5（a）試樣1#中焊縫中心孔1、孔2、孔3 距表面深度分別為1、3、5 mm，圖5（b）試樣2#中焊縫熱力影響區(qū)孔1、孔2、孔3距表面距離分別為2、3、4 mm。

圖5 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫對比試樣Fig.5 Comparative sample of aluminum alloy friction stir weld

3 陣列超聲檢測系統(tǒng)搭建

本文基于課題組開發(fā)的陣列超聲檢測系統(tǒng)開展試驗研究，該系統(tǒng)采用AOS陣列超聲板卡、32陣元線陣換能器、斜楔塊、電腦主機(jī)等硬件及自主開發(fā)具備相控陣和全聚焦成像功能的檢測軟件集成而成。其中線陣換能器頻率5 MHz，陣元間距0.6 mm，陣元寬度0.5 mm，有機(jī)玻璃斜楔塊角度36°。

圖6 陣列超聲檢測系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of array ultrasonic testing system

4 鋁合金攪拌摩擦焊陣列超聲成像檢測試驗

采用3 中的搭建的陣列超聲檢測系統(tǒng)對圖5人工缺陷對比試樣進(jìn)行了常規(guī)相控陣超聲檢測扇形掃描成像和陣列超聲全聚焦成像檢測對比試驗。

4.1 相控陣超聲檢測試驗

相控陣超聲檢測試驗采用有機(jī)玻璃斜楔塊橫波直接接觸法進(jìn)行檢測，選擇激發(fā)的換能器陣元數(shù)量32，扇形掃描的聲束偏轉(zhuǎn)角度40°～80°，入射聲波采用直射波和一次反射波組合的方式確保焊縫區(qū)域的聲束全覆蓋。圖7為檢測試樣1#和試樣2#聲線傳播路徑仿真，圖8為對應(yīng)的人工孔的扇形掃描圖像結(jié)果，由圖8可以看出在換能器位置固定確保焊縫區(qū)聲束全覆蓋條件下，試樣1#和試樣2#中不同位置處的人工孔缺陷均能夠檢測出，但試樣1#中位置分布相對集中的3孔缺陷成像效果一般、信噪比和縱向分辨力均較差，且位于近表面的孔1 缺陷信號較弱；試樣2#缺陷位置分布相對分散，成像效果優(yōu)于試樣1#，不同孔之間的信噪比相差（2～3）dB。

圖7 相控陣超聲扇形掃描聲線傳播路徑Fig.7 Acoustic ray propagation path of phased array ultrasonic testing by sector scanning

圖8 相控陣超聲扇形掃描成像結(jié)果Fig.8 Imaging results of phased array ultrasonic testing by sector scanning

4.2 基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的陣列超聲全聚焦成像檢測試驗

針對試樣1#和試樣2#采用4.1 中相同參數(shù)的換能器和楔塊進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集和全聚焦成像試驗，其中全聚焦成像算法是根據(jù)斜楔塊耦合時多次反射的全矩陣數(shù)據(jù)建立，檢測時只需對聲束類型和反射次數(shù)進(jìn)行設(shè)定。圖9為采用純橫波（S）模式，結(jié)合橫波一次反射波發(fā)射和接收所獲得的試樣1#和試樣2#的全聚焦成像結(jié)果，由圖9（a）可以看出試樣1#中不同深度位置的3 個人工孔均能有效檢出且縱向分辨力明顯優(yōu)于圖8（a）中相控陣超聲檢測方法，實(shí)際測得3 孔的信噪比均高于20 dB 且相鄰孔之間信噪比相差較??；圖9（b）中的全聚焦成像結(jié)果更加準(zhǔn)確、直觀地反映出焊縫熱力影響區(qū)不同位置人工孔缺陷的分布和形狀信息且缺陷圖像圓形度、對比度、信噪比均優(yōu)于圖8（b）的檢測結(jié)果。

圖9 陣列超聲全聚焦成像檢測結(jié)果Fig.9 Test results of array ultrasonic testing using total focus method

5 結(jié)論

（1）利用所建立的陣列超聲檢測系統(tǒng)，采用基于相位控制和全矩陣數(shù)據(jù)的陣列超聲檢測方法均能有效檢測出6 mm 厚度鋁合金攪拌摩擦焊縫中Φ0.35 mm 的人工孔缺陷，采用斜楔塊耦合的全聚焦成像方法能較大程度提高成像的信噪比。

（2）對于6 mm 厚度焊縫而言，采用相控陣扇形掃描結(jié)合直射波和一次反射波組合的檢測方法能夠確保焊縫區(qū)的聲束全覆蓋，但大的聲束偏轉(zhuǎn)角會使得近表面缺陷的信噪比變差，且不同位置處缺陷信噪比差異較大，而全聚焦成像方法在不同位置缺陷檢出、信噪比、縱向分辨力等方面優(yōu)勢明顯，同時能夠更加準(zhǔn)確、直觀地反映出缺陷的分布和形狀信息。

（3）全矩陣數(shù)據(jù)包含了更為豐富完整的陣列超聲回波信息，后續(xù)可通過算法仿真優(yōu)化、缺陷定量評價及三維成像等方面的深入研究，進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)在航天領(lǐng)域的工程化應(yīng)用，為解決復(fù)雜構(gòu)件的高靈敏度、高可靠性檢測難題提供有效的解決方案。