超聲相控陣檢測參數(shù)對焊縫缺陷分辨率研究

劉文婧，鄭貴志，王海嶺，王建國

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)機電系統(tǒng)智能診斷與控制重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，計量理化研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

超聲相控陣檢測目的為了有最優(yōu)成像分辨率，成像分辨率與檢測工藝參數(shù)密切相關(guān)。其中包括聲束發(fā)射窗口、聚焦深度、檢測波形、聲束步進(jìn)數(shù)及聚焦方式等。若參數(shù)選取不當(dāng)，不僅影響聲場能量而且會影響缺陷的成像質(zhì)量，造成缺陷成像模糊分辨率低和偽像等結(jié)果，引起缺陷檢測人員的誤判[1-2]。文獻(xiàn)[3]基于聲場指向型理論，研究檢測參數(shù)不同對聲壓指向型的影響，得出孔徑、聚焦深度、脈沖寬度與最大回波幅值與閘門高度差之間的關(guān)系。但沒有突出檢測參數(shù)的不同對成像質(zhì)量影響。文獻(xiàn)[4]通過實驗進(jìn)行了孔徑以及聚焦深度對橫向分辨率的影響，得到隨檢測工藝參數(shù)的改變?nèi)毕莩上穹直媛首兓挠绊懸?guī)律。但仿真試驗次數(shù)過少，討論不夠全面。

綜上所述，基于CIVA 仿真軟件，進(jìn)行試塊建模分析，并結(jié)合物理試驗驗證模型適用型，仿真探頭頻率、晶片數(shù)量、焦距檢測參數(shù)對波峰與波谷幅值差影響，結(jié)合仿真檢測數(shù)據(jù)，運用響應(yīng)面法判斷各檢測參數(shù)之間的耦合對缺陷成像分辨率影響大小，根據(jù)最優(yōu)成像分辨率得到優(yōu)化后的探頭頻率、晶片數(shù)量、焦距的大小。

2 基本原理

2.1 超聲相控陣橫向分辨率檢測原理

水平分辨力即橫向分辨力，指的是相同深度，能清楚顯示相鄰兩缺陷之間的最小距離（mm）。清楚顯示，指的是兩缺陷產(chǎn)生的回波，沿波峰頂點到波谷谷底，波幅的落差值最少6dB，如圖1（a）所示。評測水平分辨力時，探頭進(jìn)行移動。根據(jù)相同深度相鄰兩缺陷的排列方向，即探頭移動的方向，如圖1（b）所示；水平分辨力又分Y向（從動窗平行方向）水平分辨力和X 向（主動窗平行方向）水平分辨力。兩種水平分辨力測評值，相關(guān)于Y向聲束寬度和X向聲束寬度。兩種分辨力均用探頭移動時的回波動態(tài)法進(jìn)行測評[5]。

圖1 相鄰缺陷的橫向分辨率圖Fig.1 Lateral Resolution of Adjacent Defects

3 超聲相控陣檢測工藝仿真

3.1 波形選擇

由于實際檢測時在楔塊和工件之間存在耦合劑，反射的橫波和縱波能量很小，可以忽略。超聲相控陣檢測時在工件中會產(chǎn)生兩種波形：橫波和縱波。當(dāng)聲束入射到試塊中碰到缺陷或底面會發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的縱波和橫波會分別進(jìn)行成像，影響最終的成像質(zhì)量?？v波發(fā)生全反射時的折射角為：

用CIVA 軟件進(jìn)行聲場仿真，如圖2（a）所示。聲束偏轉(zhuǎn)為0°，如圖2（b）所示。聲束偏轉(zhuǎn)為25°，如圖2（c）所示；聲束偏轉(zhuǎn)35°。

圖2 聲束偏轉(zhuǎn)角度仿真Fig.2 Simulation of Deflection Angle of Acoustic Beam

3.2 仿真模型的驗證

3.2.1 模型仿真試驗設(shè)計

綜合考慮異型焊縫結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢測聲束傳播復(fù)雜，散射衰減大，缺陷成像模糊等特點[6-8]。采用Olympus 線陣探頭及Olympus-SW55 SA11-N55S 楔塊。

試塊為異型結(jié)構(gòu)鋼材，如圖3（a）所示。采用手工電弧法焊接單V 型坡口的角接焊縫，兩個鋼塊之間的角接角度為150°。焊縫底部余高為0.3mm，缺陷為距坡口面2mm 直徑1mm 的橫通孔。探頭檢測頻率為5MHz，晶片數(shù)量為32，晶片中心局為0.6mm，陣元間距為0.1mm，探頭孔徑為19.1mm。楔塊參數(shù)為：入射角為36°楔塊高度為26mm，長度42mm，寬度20mm，材料為玻璃。聲束在楔塊內(nèi)入射速度為2330m/s。

圖3 仿真建模圖Fig.3 Simulation Modeling Diagram

試塊模型的模型仿真檢測設(shè)置等深度聚焦為40mm，扇形掃查范圍為（35～70）°，接收法則與發(fā)射法則相同。缺陷：根據(jù)模型設(shè)置7 個直徑1mm 長度為10mm 的橫孔。仿真模型參數(shù)設(shè)置完成，如圖3（b）所示。最后計算聚焦法則，然后運行。

3.2.2 仿真模型可靠型驗證

試驗設(shè)備采用M2M 公司便攜式超聲相控陣檢測儀，設(shè)置參數(shù)同仿真試驗參數(shù)，如圖4 所示。

圖4 便攜式超聲相控陣檢測儀Fig.4 Portable Ultrasonic Phased Array Detector

通過仿真扇掃圖和試驗扇掃圖進(jìn)行對比，以1 號和2 號缺陷為例，如圖6（a）所示。仿真圖中1 號缺和2 號陷聲束回波最大值處的檢測深度分別為37.66mm，32.83mm 掃查的聲束角度分別為：47°，51°，如圖6（b）所示。通過試驗扇掃圖分析得到1 號和2號缺陷回波最大幅值處檢測的深度分別為37.12mm，32.29mm。聲束掃查角度分別 為：48°，51°，如圖5（a）所示。1 號和2 號在C掃圖中根據(jù)-6dB 法缺陷定長為：9.09mm，8.85mm，如圖5（b）所示。試驗結(jié)果分析缺陷1、2 缺陷定量長度分別為：9.21mm，9.02mm。經(jīng)分析，仿真的結(jié)果跟試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)缺陷在長度、角度及位置方面差別小，證明建立的模型適用型及可靠型高。

圖5 缺陷C 掃成像圖Fig.5 Defect C-Scan Image

圖6 缺陷扇掃成像圖Fig.6 Defect S-Scan Image

4 基于響應(yīng)面法的檢測參數(shù)優(yōu)化

4.1 BBD 試驗設(shè)計與分析

采用Box-Behnken 設(shè)計方法，對波峰與波谷幅值差中影響的關(guān)鍵因素作研究和分析，以獲得最優(yōu)分辨率和檢測工藝參數(shù)[9]。將3 個因素，即探頭中心頻率、焦距、晶片數(shù)量三因素編號分別記為A，B，C，設(shè)置每個自變量的高、中、低編碼水平為1、0、-1，進(jìn)行編程設(shè)計。以波峰與波谷間的幅值差作為響應(yīng)值，記為變量Y。三因素編碼水平，如表1 所示。

表1 橫向分辨率條件優(yōu)化Box-Behnken 試驗因素與水平Tab.1 Optimized Box Behnken Test Factors and Levels for Horizontal Resolution Conditions

將試驗數(shù)據(jù)運用到Design-Expert 軟件中，如表2 所示。采用軟件進(jìn)行分析、擬合得到三元二次多項式擬合回歸方程：

表2 BBD 試驗設(shè)計方案和試驗結(jié)果Tab.2 BBD Test Design Scheme and Test Results

式中：Y—波峰與波谷幅值差；A—探頭頻率；B—焦距，C—晶片數(shù)量。

對上述試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果，如表3 所示。

表3 BBD 試驗結(jié)果方差分析表Tab.3 Analysis of Variance of BBD Test Results

當(dāng)P 值小于0.05 時，可以說明達(dá)到顯著水平，當(dāng)P 值小于0.0001 時，說明達(dá)到極顯著水平。由BBD 試驗數(shù)據(jù)方差分析表3直接得到，考察指標(biāo)波峰與波谷幅值差的擬合回歸方程P＜0.0001，說明該模型達(dá)到極顯著水平，擬合程度高。三個因素A，B，C 對考察目標(biāo)波峰與波谷幅值差的影響大小關(guān)系為探頭中心頻率＞焦距＞晶片數(shù)量。

因素A 的P＜0.0001，說明，因素A 探頭中心頻率對波峰與波谷幅值差的影響作用為極顯著，交互項AB2的P＜0.0001，說明對波峰與波谷幅值差的影響極顯著。交互項BC 的P 值為0.298，說明了這兩個因素的交叉影響對波峰與波谷幅值差的影響顯著型較弱。三因素對波峰波谷幅值差的影響不是單獨作用，而是存在著耦合影響作用。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上圖7 分析，可以看出，隨著各項因素值增大，波峰與波谷的幅值差也在同時增大。但是增大到一定程度時，隨著各項因素值繼續(xù)增大，波峰與波谷的幅值差開始逐漸減小，因此說明在三個因素共同作用下，存在一個最佳狀態(tài)，即波峰與波谷的幅值差值最大。由圖可知，當(dāng)晶片數(shù)量固定時，隨著探頭中心頻率和焦距的增大，波峰與波谷的幅值差呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，最優(yōu)點處落在探頭頻率為15MHz 和焦距為（38.3～42.5）mm 的范圍；當(dāng)固定焦距時，隨著探頭中心頻率和激發(fā)晶片數(shù)量的增大，波峰與波谷幅值差呈現(xiàn)先持續(xù)降低的趨勢，此時當(dāng)探頭中心頻率為15MHz 和晶片數(shù)量為40 時波峰與波谷幅值差有最大值；當(dāng)探頭中心頻率一定時，隨著晶片數(shù)量和焦距的增大，波峰與波谷幅值差呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，波峰與波谷幅值差的最優(yōu)值范圍落在，焦距（37.6～43.4）mm，晶片數(shù)量在（47.56～49.83）。上述分析和表3 中的顯著型一致。

圖7 探頭中心頻率、焦距、晶片數(shù)量對波峰與波谷幅值差的響應(yīng)面圖Fig.7 Response Surface of Probe Center Frequency Focal Length and Wafer Quantity to Peak and Valley Amplitude Difference

4.3 仿真驗證優(yōu)化結(jié)果

利用Design Expert 10.04 軟件對所得的回歸方程進(jìn)行逐步回歸[10]。確定最佳工藝參數(shù)為探頭中心頻率為15MHz、焦距為40.129mm、晶片數(shù)量為43.838，如圖8 所示。此時，波峰與波谷間幅值差預(yù)測值為17.944dB。為了驗證模型預(yù)測的可靠型和準(zhǔn)確型，考慮到實際情況，將最佳工藝參數(shù)修訂為探頭頻率15MHz，焦距為40mm，晶片數(shù)量為44，如圖9 所示。在此最優(yōu)條件下，波峰與波谷間的幅值差為17.8dB，與模型預(yù)測值（17.944dB）較一致，驗證了模型的可靠型。

圖8 三因素對波峰與波谷幅值差的耦合響應(yīng)圖Fig.8 Coupling Response of Three Factors to Amplitude Difference of Wave Crest and Wave Trough

圖9 優(yōu)化后仿真圖Fig.9 Simulation After Optimization

5 結(jié)論

仿真試驗采用帶楔塊的36°斜探頭，試驗扇掃角度選擇在（35～70）°步進(jìn)值為1mm。聚焦面為平面，聚焦方式為等深度聚焦。采用手工電弧法焊接單V 型坡口的角接焊縫，兩個鋼塊之間的角接角度為150°，焊縫底部余高為0.3mm。缺陷為倆個距底面2mm 橫向間隔2mm 直徑1mm 的橫通孔。（1）聲束傳播時在楔塊與試塊的耦合面發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測聲束入射角度大于33.19°縱波發(fā)生全反射。（2）仿真試驗和物理實驗的進(jìn)行對比，從缺陷的成像的位置信息和定量分析證明試塊模型的適用型和可靠型。（3）通過響應(yīng)面法分析得出當(dāng)波峰與波谷幅值差為17.944dB，即有缺陷成像有最有分辨率時，優(yōu)化后的探頭頻率為15MHz，晶片數(shù)量為44，焦距為40mm。