奧氏體不銹鋼焊縫超聲全聚焦成像檢測與實驗分析

胡牧笛,黃煥東,王 強,陳 濤,吳琳琳

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院,浙江 寧波 315000;3.杭州市特種設(shè)備檢測研究院,浙江 杭州 310051)

奧氏體不銹鋼材料作為一種承載壓力的材料具有耐腐蝕、高韌性、易切削等優(yōu)點,在海洋石油平臺、汽車工業(yè)、核能工業(yè)[1]、齒輪和軸承[2]制造等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。目前對奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的檢測方法有射線檢測方法、滲透檢測方法、超聲波檢測方法[3],等等。射線檢測無法發(fā)現(xiàn)與射線方向相垂直的細微的線性缺陷[5];滲透檢測無法檢測出壓力容器表層以下的缺陷問題,只能檢測出表面缺陷[3]。奧氏體不銹鋼超聲檢測時會碰到這兩大問題:缺陷檢出會因為聲波衰減和粗晶散射受到阻礙,缺陷定位會因聲速變化和不同晶粒結(jié)構(gòu)引起的聲束偏移而不準。而為了補償信噪比,干擾波和回波也會增多,從而影響超聲檢測對奧氏體不銹鋼焊縫的檢測結(jié)果[6]。蔣政培等[7]利用相控陣超聲成像方法對奧氏體不銹鋼焊縫進行了檢測,其工作有了一定進展。朱序東[8]通過相控陣超聲成像方法對鍛造奧氏體不銹鋼管道焊縫的缺陷進行檢測,發(fā)現(xiàn)近端掃查的信噪比相較于遠端掃查更高。吳豪等[9]對厚壁奧氏體不銹鋼對接接頭進行相控陣超聲檢測,實驗證明窄脈沖雙晶面陣聚焦探頭相較于普通單晶線陣探頭具有更高的信噪比。Camacho等[10]提出了相干成像算法用于相控陣超聲成處理,從而顯著降低了粗晶粒材料產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。

英國Bristol大學(xué)的Caroline Holmes等[11-12]在2005年首次提出全聚焦成像算法(TFM),利用相控陣超聲探頭的發(fā)射-接受陣元信號進行全聚焦成像算法處理,基于接收信號后處理的思想,是一種非實時的檢測方法,具有更高的缺陷成像能力[13];使用該算法與線性B掃成像方式進行比較,發(fā)現(xiàn)全聚焦成像算法對小缺陷有更高的敏感性與更大的檢查覆蓋率。Sumana等[14]提出了角波束虛擬源全聚焦(Angle beam virtual source full matrix capture-total focusing method,ABVSFMC-TFM)成像方法,此方法在窄間隙的厚壁異種焊縫的性能檢驗中優(yōu)于傳統(tǒng)的全聚焦成像算法。Camacho等[15]提出了一種基于相位相干成像原理的陣列超聲裂紋評估新方法,通過將全聚焦成像算法和信號相干成像(Sign coherence image,SCI)方法結(jié)合,對傳播路徑和裂紋長度的預(yù)測可提高精度。Kombosse等[16]提出一種鏡面回波估計器(Specular echo estimator,SEE)的辦法與全聚焦成像算法結(jié)合用以預(yù)測與表面缺陷相關(guān)的模式,可以用于缺陷尺寸的確定。在國內(nèi),李衍[17]采用超聲相控陣全聚焦成像算法進行實驗研究,實驗結(jié)果證明:全聚焦成像算法能減小近表面盲區(qū),提高缺陷檢出率。沈成業(yè)等[18]對20鋼焊縫缺陷進行全聚焦成像算法檢測,實驗結(jié)果證明:全聚焦成像算法相比相控陣超聲成像技術(shù)具有更高的檢測精度。

從上述兩類檢測方法的對比來講,相控陣超聲扇形掃描聚焦點數(shù)為有限個,在成像區(qū)域內(nèi)焦點附近成像效果較好,其他位置成像分辨率降低。而全聚焦成像算法是一種發(fā)射、接收都采用多點聚焦的檢測方法,成像效果更加均勻平滑[17]。

本文基于MATLAB平臺,提出了一種改進的全聚焦成像算法(對全矩陣數(shù)據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)信號進行低通和高通濾波,采用二階Butterworth IIR濾波器實現(xiàn)TFM前處理),對奧氏體不銹鋼試塊熔合區(qū)上的φ1 mm貫穿孔缺陷(深度10～70 mm)以及焊縫區(qū)上的φ1 mm貫穿孔缺陷(深度10～50 mm)分別進行了實驗檢測,并將全聚焦成像效果與相控陣超聲扇掃成像效果進行了對比和分析。

1 全聚焦成像算法原理

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)

首先要對數(shù)據(jù)進行全矩陣采集:全矩陣數(shù)據(jù)采集過程為1發(fā)多收模式,假設(shè)一個換能器具有n個陣元,在一個采集(探測)周期內(nèi),首先激勵陣元1,所有陣元接收回波;再激勵陣元2,所有陣元接收回波;以此類推,直到n個陣元全部激勵后,采集到n×n組A信號數(shù)據(jù)。對所采集到的n×n組A信號數(shù)據(jù)進行如下數(shù)據(jù)排列,假設(shè)Sij為i陣元發(fā)射j陣元接收的信號數(shù)據(jù),Sij為全矩陣數(shù)據(jù)的第i行第j列的數(shù)據(jù),則Sij按照上述規(guī)則排列的全矩陣數(shù)據(jù)排列矩陣如圖1[11]。

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)Figure 1 Full matrix data

1.2 全聚焦成像算法(TFM)

全聚焦成像算法是對全矩陣采集得到的全矩陣數(shù)據(jù)進行延時、加權(quán)合成的一種虛擬聚焦。模擬了常規(guī)相控陣對工件內(nèi)某一點進行聲束的偏轉(zhuǎn)聚焦,其原理是利用了聲場的線性疊加性質(zhì),系一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。利用TFM算法對FMC信號進行圖像重構(gòu)后,能夠?qū)崿F(xiàn)對成像區(qū)域中每一個點的虛擬聚焦,形成高分辨率的缺陷圖像,因而,TFM圖像可直觀、準確地確定缺陷的位置和尺寸[19]。

如圖2,TFM是對待被檢工件成像區(qū)域的每一個離散坐標點,采用全陣列數(shù)據(jù)的所有收發(fā)組合進行虛擬聚焦。對每一個收發(fā)組合,計算該像素點到對應(yīng)收發(fā)陣元的聲傳播時間,最后全部疊加得到像素的成像幅值。設(shè)陣列位于x軸上,聚焦點p(x,z)的幅值I[P(x,z)]可表示為[11]

圖2 全矩陣成像算法示意圖Figure 2 Schematic diagram of full matrix imaging algorithm

(1)

式(1)中Tip、Tpj分別為聲波從第i陣元傳播至點P和點P散射波傳播回第j個陣元所需要的時間。在均勻各向同性介質(zhì)中,總延時為[11]:

(2)

式(2)中,xi為發(fā)射陣元中心的橫坐標,xj為接收陣元中心的橫坐標,c為聲速。

針對相控陣超聲方法檢測該類材料成像分辨率不足等問題,基于MATLAB平臺,開發(fā)了一種改進的全聚焦成像算法,對304奧氏體不銹鋼焊縫貫穿孔缺陷進行處理,通過全矩陣數(shù)據(jù)采集,產(chǎn)生可記錄的原始數(shù)據(jù)文件,對原始數(shù)據(jù)信號進行了一次9.7 MHz的低通濾波和一次0.5 MHz的高通濾波,用來消除低頻和高頻噪聲,對低于或高于某一給定頻率的頻率成分有衰減作用。采用二階Butterworth IIR濾波器實現(xiàn)濾波器系數(shù)的設(shè)定,用filtfilt方法實現(xiàn)零相位,很好地實現(xiàn)了TFM的數(shù)據(jù)前處理,彌補了全聚焦成像方法沒有利用信號的頻域信息的缺點,提高了成像的效果。在304奧氏體不銹鋼試塊熔合區(qū)上的φ1 mm貫穿孔缺陷(深度10～70 mm)以及焊縫區(qū)上的φ1 mm貫穿孔缺陷(深度10～50 mm)分別進行了實驗檢測,再與某商用全聚焦成像系統(tǒng)檢測深度進行定量的比較,驗證改進后的算法的成像效果。

2 試塊與實驗設(shè)備

實驗中儀器為某公司全聚焦(TFM)成像系統(tǒng)(探頭為64陣元,中心頻率5 MHz)和相控陣超聲檢測儀(探頭為64陣元,中心頻率5 MHz)。按標準ASME[20]要求設(shè)計的304奧氏體不銹鋼試塊如圖3(a)。該試塊規(guī)格為350 mm×90 mm×30 mm。在試塊左側(cè)的焊縫區(qū),加工了φ1 mm貫穿孔缺陷15個(熔合區(qū)貫穿孔5個,焊縫區(qū)貫穿孔10個),其中,熔合區(qū)φ1 mm貫穿孔缺陷縱向距離為20 mm,焊縫區(qū)φ1 mm貫穿孔缺陷縱向距離分別為3 mm、10 mm。圖3(b)為按照ASME標準設(shè)計的試塊實物圖。

圖3 304不銹鋼試塊設(shè)計圖和實物圖Figure 3 Design and physical diagram of 304 stainless steel block

3 檢測與實驗分析

3.1 相控陣超聲扇掃成像

利用相控陣超聲扇掃成像技術(shù)對焊縫熔合區(qū)φ1 mm貫穿孔缺陷,深度分別為10 mm,30 mm,50 mm(左右焊縫熔合區(qū)2個孔)、70 mm;焊縫區(qū)φ1 mm貫穿孔缺陷,深度分別為10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm,以及焊縫區(qū)φ1 mm貫穿孔缺陷,深度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的貫穿孔缺陷進行檢測。

針對奧氏體不銹鋼熔合區(qū)φ1 mm(深度10～70 mm)缺陷相控陣超聲扇掃結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)知,相控陣超聲扇掃結(jié)果可以清晰地檢測到10 mm、30 mm、50 mm深度的缺陷,且根據(jù)扇掃信號可知三處缺陷回波的信噪比分別為17 dB、6.5 dB、4.5 dB。從圖4(b)知,50 mm深度的缺陷可以基本檢測到,但70 mm深度的缺陷回波信號完全被淹沒在噪聲信號中。

圖4 φ1 mm熔合區(qū)缺陷扇形掃描成像圖(深度10 mm、30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)Figure 4 Sector scanning image of φ1 mm fusion zone defects (Depth 10 mm、30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)

圖5、圖6為焊縫區(qū)缺陷的扇掃結(jié)果。從圖5知,扇掃結(jié)果可以檢測到10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm深度的缺陷,根據(jù)扇掃信號可知五處缺陷回波的信噪比分別為12.5 dB、8 dB、5.5 dB、4 dB、3 dB;從圖6知,扇掃結(jié)果只能檢測到10 mm、20 mm、30 mm深度的缺陷,40 mm、50 mm處的缺陷回波信號也幾乎被淹沒在噪聲信號中,且三處缺陷的回波信號的信噪比分別為8.5 dB、5.5 dB、3 dB。

圖5 φ1 mm焊縫區(qū)缺陷扇形掃描成像圖(深度10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm)Figure 5 Sector scanning image of φ1 mm weld zone defects (Depth 10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm)

圖6 φ1 mm焊縫區(qū)缺陷扇形掃描成像圖(深度10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)Figure 6 Sector scanning image of φ1 mm weld zone defects (Depth 10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)

3.2 TFM成像對比

針對奧氏體不銹鋼熔合區(qū)φ1 mm(深度10～70 mm)全聚焦成像算法結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 熔合區(qū)φ1 mm缺陷采用某商用軟件TFM算法成像效果(深度10 mm、30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)Figure 7 Imaging of φ1 mm defects in fusion zone on TFM imaging in commercial software (Depth 10 mm、 30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)

對于位于熔合區(qū)深度為10 mm、30 mm、50 mm(左右焊縫熔合區(qū)2個孔)、70 mm的缺陷都能夠正確檢出。采用基于MATLAB平臺改進的全聚焦成像算法對于貫穿孔缺陷進行成像分析,大小和位置相比某商用全聚焦成像系統(tǒng)更清晰,信噪比更高。改進后的全聚焦成像算法所得到的缺陷深度與橫向距離都與缺陷實際位置相差不大。從圖7、圖8中可知,全聚焦成像算法在熔合區(qū)的檢測深度能達到70 mm以上。

圖8 熔合區(qū)φ1 mm缺陷采用改進后的TFM算法成像效果(深度10 mm、30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)Figure 8 Imaging result of φ1 mm defects in fusion zone on improved TFM algorithm (Depth 10 mm、 30 mm、50 mm、50 mm、70 mm)

從圖9(a)知,由于奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)的特殊性,超聲波在傳播過程中的能量衰減很大,某商用全聚焦成像系統(tǒng)對于10 mm、13 mm、16 mm、19 mm深度的缺陷可以較好的定位,但隨著深度增加,缺陷回波幅值下降明顯,對缺陷尺寸不能進行很好的表征。從圖9(b)知,改進后的全聚焦成像算法可對奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)10～22 mm深度的貫穿孔缺陷進行清晰地定位和尺寸表征。對比圖9(a)、(b)知,采用基于MATLAB平臺改進的全聚焦成像算法對于10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm深度的五個缺陷的成像效果相較于某商用全聚焦成像系統(tǒng)信噪比更高,成像質(zhì)量更好。

圖9 焊縫區(qū)φ1 mm缺陷成像效果(深度10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm)Figure 9 Imaging result of φ1 mm defects in weld zone (Depth 10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm)

從圖10(a)知,某商用全聚焦成像系統(tǒng)對于10 mm、20 mm、30 mm深度的三處缺陷都可有效檢測,成像得到的缺陷深度與橫向距離都與實際位置相差不大;但隨著深度增加,缺陷成像質(zhì)量也在逐漸降低,對缺陷的實際大小不能進行正確的估算,只能得到缺陷的大致位置。從圖10(b)知,基于MATLAB平臺改進的全聚焦成像算法對于10 mm、20 mm、30 mm、40 mm深度的四個缺陷都能進行清晰地定位,檢測深度能夠達到40 mm以上。所得到的缺陷深度與橫向距離都與缺陷實際位置誤差較小。

圖10 焊縫區(qū)φ1 mm缺陷成像效果(深度10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)Figure 10 Imaging result of φ1 mm defects in weld zone (Depth 10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)

改進后的全聚焦成像算法在對奧氏體不銹鋼焊縫熔合區(qū)與焊縫區(qū)的缺陷位置與大小的描述更加準確。表1給出了貫穿孔缺陷的實際深度,某商用全聚焦成像系統(tǒng)檢測出的缺陷深度和改進后的全聚焦成像算法檢測出的缺陷深度。從表1知,改進后的全聚焦成像算法檢測深度更接近實際深度,缺陷深度的檢測誤差平均值更小,與實際缺陷深度的誤差都在2 mm左右,相比某商用全聚焦成像系統(tǒng)得出的缺陷平均深度4.29 mm,有將近2倍的提升,能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的定位。

表1 φ1 mm焊縫區(qū)缺陷的實際深度和成像深度Table 1 Actual depth and imaging depth of weld zone φ1 mm defects mm

4 結(jié) 論

通過對比相控陣超聲扇掃成像方法和全聚焦成像方法對304奧氏體不銹鋼貫穿孔的檢測結(jié)果可知,全聚焦成像方法在奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)和熔合區(qū)的成像效果和成像深度,相比于相控陣超聲扇掃成像效果都有很大的提高。通過對比改進后的全聚焦成像方法和某商用全聚焦成像系統(tǒng)表明,基于MATLAB平臺改進后的全聚焦成像方法對于304奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)內(nèi)部的φ1 mm貫穿孔,能夠較好地實現(xiàn)缺陷實際位置的定位和缺陷大小的定量描述,檢測深度在40 mm以上,在熔合區(qū)中,檢測深度達70 mm以上。缺陷檢測誤差相較于某商用全聚焦成像系統(tǒng)有2倍左右的提升,該方法對于工程實踐有指導(dǎo)意義。