全矩陣捕獲和全聚焦法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化新動(dòng)態(tài)

李 衍

(無(wú)錫市承壓設(shè)備學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專委會(huì)，無(wú)錫 214026)

ISO/DIS 23865:2020 《超聲雙全法檢測(cè)一般用法》是由國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)第V委員會(huì)(焊接產(chǎn)品質(zhì)量控制與質(zhì)量保證)制定，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)(草案)。

超聲檢測(cè)(UT)是一種用于評(píng)價(jià)焊接接頭體積完好性的無(wú)損檢測(cè)方法。幾十年來(lái)，工業(yè)UT技術(shù)在不斷演變，相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)相比于常規(guī)UT具有許多優(yōu)勢(shì)，例如焊縫缺陷檢出率明顯提高。PAUT已成為很有效的無(wú)損檢測(cè)方法，已被法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可為可取代經(jīng)典射線檢測(cè)(RT)的一種方法。

超聲CI(計(jì)算機(jī)成像超聲)技術(shù)進(jìn)入ASME法規(guī)的最早年份如圖1所示，包括超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)、PAUT、雙全法(FMC-TFM)等技術(shù)，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化要求已相繼列入ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅴ卷第四章內(nèi)。隨著新一代超聲設(shè)備計(jì)算機(jī)效率的提高，大數(shù)據(jù)管理能力的強(qiáng)化，近兩年來(lái)，又推出了全矩陣捕獲(FMC)和全聚焦法(TFM)——所謂“雙全法”的先進(jìn)超聲技術(shù)，其缺陷表征功能大為改善，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也緊隨出世。2018年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)率先發(fā)布了IIW V-1842-18 《超聲雙全法技術(shù)一般用法》，即標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/DIS 23865:2020之前身(兩者內(nèi)容大同小異)。另一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系A(chǔ)SME也在2019版第Ⅴ卷第四章《焊縫UT》中以附錄形式添加了雙全法檢測(cè)的具體要求：① 強(qiáng)制性附錄Ⅺ《全矩陣捕獲》；② 非強(qiáng)制性附錄F 《焊縫全矩陣捕獲法檢測(cè)》。但ASME BPVC.V-2019的雙全法規(guī)范，僅適用于基于斷裂力學(xué)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)(即在役檢測(cè))。而IIW標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)草案一開(kāi)始就在適用范圍中明確指出，雙全法既適用于在制檢測(cè)，也適用于在役設(shè)備的檢測(cè)，亦適用于返修檢測(cè)。在正文和附錄部分，還提出雙全法不僅適用于焊接接頭，也適用于鍛件和鑄件的檢測(cè)，并給出了應(yīng)用案例對(duì)其進(jìn)行詮釋(焊縫檢測(cè)單獨(dú)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)草案，即ISO/DIS 23864-2020《焊縫超聲雙全法自動(dòng)檢測(cè)》)。

圖1 超聲CI技術(shù)進(jìn)入ASME法規(guī)的最早年份

目前，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理速度，可實(shí)現(xiàn)雙全法實(shí)時(shí)成像。雙全法與常規(guī)PAUT的圖像分辨率對(duì)比如圖2所示。該圖彰顯了雙全法檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

圖2 常規(guī)PAUT與雙全法檢測(cè)圖像分辨率對(duì)比

全矩陣捕獲與全聚焦法均為數(shù)字化程序驅(qū)動(dòng)。全矩陣捕獲是采集方式，而全聚焦法是對(duì)其采集的信號(hào)進(jìn)行處理的最常用算法(其他替代算法，詳見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄D)。FMC是雙全法施用的基礎(chǔ)； TFM是利用FMC數(shù)據(jù)生成的基本A掃信號(hào)重建圖像的過(guò)程。為解讀數(shù)據(jù)，TFM算法中要輸入一些關(guān)鍵變量，如聲傳播模式和分辨率，并按波集(或波程)分組。

PAUT與TFM均可給出優(yōu)質(zhì)圖像，圖像質(zhì)量高低取決于實(shí)際應(yīng)用、探頭選擇和參數(shù)選用。TFM可通過(guò)設(shè)置，使顯示圖像比PAUT更接近于實(shí)際形貌。TFM有隨處聚焦的優(yōu)點(diǎn)(只要所用設(shè)置可在近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行檢測(cè))。一般說(shuō)來(lái)，雙全法產(chǎn)生的圖像分辨率優(yōu)，保真度好，信噪比高。

文章將從15個(gè)方面，解讀雙全法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化的最新動(dòng)態(tài)，對(duì)雙全法通則進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 適用范圍

(1) 通則為使用雙全法技術(shù)進(jìn)行超聲陣列檢測(cè)，提供了指導(dǎo)。旨在為在制、在役設(shè)備檢測(cè)或返修檢測(cè)，推行切實(shí)可行的做法。

(2) 通則中考慮的一些應(yīng)用案例，涉及損傷評(píng)價(jià)中的表征和定量。

(3) 焊縫檢測(cè)時(shí)適用標(biāo)準(zhǔn)為ISO/DIS 23864：2020。

(4) 使用雙全法的主要優(yōu)勢(shì)為,被檢工件體積區(qū)域顯示圖像由系統(tǒng)對(duì)每個(gè)像素處接收到的聲場(chǎng)作合成聚焦而生成,比普通相控陣技術(shù)的成像效果好，詳見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄A。

(5) 通則所考慮的材料是低合金碳鋼，但有些建議亦適用于其他材料[如奧氏體不銹鋼焊縫雙全法檢測(cè)時(shí)，可參閱IIW V-1843-18 《IIW奧氏體檢測(cè)》(修訂版)]。

(6)通則不包括缺陷的驗(yàn)收等級(jí)。

2 重要術(shù)語(yǔ)

(1) 全矩陣。由n×m個(gè)單元組成的矩陣，對(duì)應(yīng)于m個(gè)發(fā)射信號(hào)與n個(gè)接收信號(hào)的所有組合，每個(gè)矩陣單元均包含一個(gè)A掃描時(shí)域信號(hào)。

(2) 全聚焦法。關(guān)注區(qū)內(nèi)合成聚焦(包括重建)，通過(guò)處理相應(yīng)發(fā)-收組合部分或全部的A掃描信息，并考慮聲波從發(fā)射→像點(diǎn)→接收的行程，聚焦于眾多網(wǎng)格點(diǎn)上。一般用全矩陣捕獲(FMC)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

(3) 雙全法。數(shù)據(jù)采集法和成像法的組合。

數(shù)據(jù)采集法涉及全矩陣捕獲，而成像法涉及全聚焦法圖像計(jì)算。數(shù)據(jù)采集法和成像法可用幾種類似技術(shù)完成(詳見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)附錄B)。全矩陣捕獲原理如圖3所示。

圖3 全矩陣捕獲原理示意

(4) 關(guān)注區(qū)(ROI)，又稱TFM區(qū)。展示有效檢測(cè)空間區(qū)域的二維或三維圖像，其圖像由計(jì)算得出。

(5) 雙全法布置。指由探頭特性(頻率、探頭晶片尺寸、波型)、探頭位置及探頭數(shù)量等參數(shù)限定的探頭布置。

(6) 成像路徑。成像算法考慮的超聲傳播路徑(見(jiàn)表1)按如下界定：發(fā)射陣元至某一像素點(diǎn)的波程(可選直接波程或間接波程)；某一像素點(diǎn)至接收陣元的波程(可選直接波程或間接波程)；每一波程的波型(一次波，或二次波包括變型波)。

(7) 雙全法顯示。需作進(jìn)一步評(píng)定的缺陷圖形或干擾信號(hào)。即需識(shí)別的真假顯示；真顯示為缺陷顯示，要進(jìn)行定位、定性、定量的顯示；假顯示指包括幾何信號(hào)及其他偽影的顯示。

(8) 掃查增量。機(jī)械掃查或電子掃描方向上，連續(xù)數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)間距。

(9) 半矩陣捕獲(HMC)。使用超聲陣列探頭的特定數(shù)據(jù)采集過(guò)程，陣列中所有陣元依次發(fā)射聲波，只有先前發(fā)射中未用于發(fā)射的陣元，或只有先前發(fā)射中使用的陣元(包括當(dāng)前發(fā)射的陣元)，才可用于接收每個(gè)發(fā)射脈沖，其目的是利用信號(hào)互易性，限制收集的數(shù)據(jù)量。半矩陣捕獲(HMC)結(jié)果為A掃信號(hào)量從N2減為N(N+1)/2。半矩陣捕獲法原理如圖4所示。

圖4 半矩陣捕獲原理示意

(10) 自適應(yīng)聚焦。基于延時(shí)計(jì)算結(jié)果的聚焦，而延時(shí)計(jì)算基于參考測(cè)試信號(hào)。

(11) 網(wǎng)格。關(guān)注區(qū)中要計(jì)算和存儲(chǔ)圖像的點(diǎn)的集合，由點(diǎn)的位置及點(diǎn)-點(diǎn)在指定方向上的相對(duì)距離界定。

3 技術(shù)原理

3.1 概述

雙全法和PAUT均使用一個(gè)陣列探頭，陣列中每一陣元均獨(dú)立于其他陣元。與陣元聲波傳播相關(guān)的物理特性，同樣會(huì)以類似方式影響雙全法和PAUT這兩種技術(shù)的性能。標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 13588規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)PAUT法是用主聲闌(聲孔徑)產(chǎn)生的聲束進(jìn)行檢測(cè)的。

相比之下，雙全法檢測(cè)時(shí)一般用全陣列，以獲取最佳的聚焦成像性能，因此有效聚焦檢測(cè)區(qū)域應(yīng)設(shè)置在陣列近場(chǎng)區(qū)。PAUT波束也可用雙全法類似方式聚焦，即用大聲闌(聲孔徑)或全陣列產(chǎn)生聲束，使聲壓集中在特定點(diǎn)，應(yīng)確保這些焦點(diǎn)均在聲闌近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。

雙全法可使用的各種成像路徑如表1所示。

表1 雙全法成像路徑

表中，直發(fā)直收表示直接發(fā)射，直接接收，即一次波發(fā)射，一次波接收；直發(fā)間收表示直接發(fā)射，間接接收，即一次波發(fā)射，二次波接收；間發(fā)直收表示間接發(fā)射，直接接收，即二次波發(fā)射，一次波接收；間發(fā)間收表示間接發(fā)射，間接接收，即二次波發(fā)射，二次波接收(一次波為0.5S波；二次波為1.0S波；T為橫波；L為縱波)。

3.2 雙全法與PAUT比較

PAUT可將不同延時(shí)值施加到主聲闌陣元上，以控制試件中的超聲波束。這樣可產(chǎn)生由主聲闌各陣元小波相長(zhǎng)、相消干涉所支配的波束。在接收階段，基本信號(hào)可累加求和，給出一次A掃描。相控陣超聲檢測(cè)，除能使波束偏轉(zhuǎn)一系列角度外，每一波束也能受控在主聲闌近場(chǎng)區(qū)聚焦聲壓。

相比之下，雙全法是一種后處理或成像技術(shù)，在激發(fā)階段不會(huì)在試件中產(chǎn)生波束。傳輸?shù)皆嚰械穆晥?chǎng)由組成聲闌的一個(gè)陣元發(fā)射出來(lái)，而由此聲場(chǎng)在試件中產(chǎn)生的回波，隨即由聲闌所有陣元記錄下來(lái)，F(xiàn)MC數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖5所示。聲闌上各陣元一一相繼激發(fā)，而合成回波則由所有陣元記錄下來(lái)，此過(guò)程稱為全矩陣捕獲。換言之，F(xiàn)MC是聲波信息從聲闌陣元“一發(fā)全收”至“全發(fā)全收”的全矩陣捕獲過(guò)程。

圖5 FMC數(shù)據(jù)采集過(guò)程示意

圖5所示為全矩陣捕獲過(guò)程的各步驟，具體為：① 1#陣元激活，超聲波前射入試件；② 波前抵達(dá)試件缺陷前；③ 缺陷反射波朝陣列方向返回；④ 波前抵達(dá)陣列陣元前；⑤ 信號(hào)被陣列全陣元采集；⑥ 過(guò)程持續(xù),激活 2#陣元，重復(fù)進(jìn)行，直到激活聲闌末端N號(hào)陣元。圖中，1為1#陣元發(fā)射的波前；2為缺陷；3為接收陣元；4為2#陣元發(fā)射的波前。

隨后，全矩陣捕獲數(shù)據(jù)可用算法進(jìn)行處理，該算法在數(shù)據(jù)矩陣上操作，以生成試件的缺陷圖像。全聚焦法用于描述將計(jì)算延時(shí)律施加于全矩陣捕獲數(shù)據(jù)的算法，以使聲能聚焦于給定關(guān)注區(qū)(ROI)內(nèi)許多點(diǎn)(像素)上。此成像階段(TFM施用于FMC數(shù)據(jù))計(jì)算密集，但現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全可以勝任[1]。

全矩陣捕獲算法的兩個(gè)重要計(jì)算式如下。

(1) 與所有發(fā)-收陣元對(duì)(i，j)和像點(diǎn)P相對(duì)應(yīng)的超聲飛行時(shí)間tij(P)，由式(1)計(jì)算

(1)

(2) 與各像點(diǎn)超聲飛行時(shí)間、波程相應(yīng)的N×N波幅的總和，由式(2)計(jì)算

(2)

式中：Sij為i陣元發(fā)射和j陣元接收的超聲信號(hào)疊加到P位置的幅值;tij為聲波陣元i到聚焦點(diǎn)P到陣無(wú)j所需延時(shí)值。

4 表面條件和耦合要求

雙全法檢測(cè)時(shí)表面條件至少應(yīng)滿足ISO 16810：2014要求(即掃查表面應(yīng)無(wú)污垢、松散氧化皮、焊接飛濺等；應(yīng)有足夠均一的外形和光潔度；能保持聲耦合良好；工件表面特征如會(huì)引起誤判，檢測(cè)前應(yīng)予清除)。這是因?yàn)闄z測(cè)時(shí)通常都只用單一陣元作發(fā)射體，且任何衍射信號(hào)都可能較微弱，若表面狀態(tài)差，會(huì)使得信號(hào)質(zhì)量下降，從而嚴(yán)重影響檢測(cè)的可靠性。

檢測(cè)時(shí)可使用不同的耦合介質(zhì)，但其類型應(yīng)與被檢材料匹配。檢測(cè)過(guò)程中，耦合介質(zhì)特性應(yīng)保持恒定；應(yīng)處于適于使用的溫度范圍。

5 檢測(cè)前需知

檢測(cè)開(kāi)始前，操作者應(yīng)有權(quán)查閱指定的資料，包括：① 檢測(cè)目的和范圍；② 報(bào)告判據(jù)；③ 進(jìn)行檢測(cè)的制造或運(yùn)行階段；④ 母材類型或產(chǎn)品形式(鑄造、鍛造、軋制)；⑤ 幾何形狀特征(特別是用反射法時(shí))；⑥ 可達(dá)性、表面狀態(tài)及溫度要求；⑦ 與焊后熱處理相關(guān)的檢測(cè)時(shí)間(有則指明)；⑧ 驗(yàn)收條件和定量方法應(yīng)由規(guī)范規(guī)定，檢測(cè)前提供(為應(yīng)用案例編寫(xiě)檢測(cè)程序時(shí)采納)。

懷疑材料各向異性時(shí)，例如奧氏體不銹鋼，應(yīng)特別注意頻率和波型的選擇。

6 檢測(cè)人員

遵循本導(dǎo)則的檢測(cè)人員，應(yīng)按ISO 9712:2012或相關(guān)行業(yè)同等標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，經(jīng)認(rèn)證符合相應(yīng)UT等級(jí)。

操作者除應(yīng)具備焊縫超聲檢測(cè)一般知識(shí)外，還應(yīng)熟悉并具有使用雙全法的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)使用有代表性的試件進(jìn)行過(guò)專門培訓(xùn)和考核。應(yīng)使用最后確定的UT工藝和選定的UT設(shè)備，對(duì)有代表性的試樣(內(nèi)含類似于預(yù)期缺陷的自然或人工反射體)，進(jìn)行具體培訓(xùn)和考核(這些培訓(xùn)和考核結(jié)果應(yīng)有記錄文檔)。

7 檢測(cè)設(shè)備

7.1 概要

FMC采集過(guò)程需有一系統(tǒng)，能逐一觸發(fā)陣列探頭單一陣元發(fā)射，并接收陣列中各陣元信號(hào)，也可使用包括自適應(yīng)法的其他采集方法(見(jiàn)附錄B)。

TFM過(guò)程需要快速處理能力和大存儲(chǔ)容量，以處理由FMC采集獲取的大量數(shù)據(jù)。也可在內(nèi)存容量較小的情況下使用替代法[如基于平面波成像(PWI)]。

7.2 超聲設(shè)備和顯示

雙全法設(shè)備可顯示與常規(guī)相控陣超聲設(shè)備類型相同的圖像(B掃、C掃、D掃)，也可提供其他類型的圖像(如立體合并視圖等，見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄D)。

雙全法檢測(cè)用超聲設(shè)備，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 18563-1-2015要求。

設(shè)備應(yīng)能獲得全部或部分矩陣，對(duì)信息可自行處理或輸入計(jì)算機(jī)作后處理。超聲系統(tǒng)的帶寬設(shè)置應(yīng)足以能接收頻率為探頭中心頻率的兩倍信號(hào)，且高、低通濾波器應(yīng)適當(dāng)設(shè)置，如高通設(shè)置不高于中心頻率的一半，低通設(shè)置至少為中心頻率的兩倍。參數(shù)選用的具體數(shù)值，應(yīng)在書(shū)面程序中明確規(guī)定。

TFM處理后的可視化數(shù)據(jù)一般為關(guān)注區(qū)或TFM區(qū)。關(guān)注區(qū)是像素網(wǎng)格，每一像素均代表一區(qū)域計(jì)算出的波幅(見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄B)。網(wǎng)格一般為有規(guī)則的矩形，通常首選規(guī)則網(wǎng)格(可優(yōu)化，以提高幀頻——每秒幀數(shù))。

選定的網(wǎng)格間距應(yīng)足夠小，以能檢出相關(guān)缺陷。應(yīng)選擇圖像內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)最小空間分辨率(即像素間距、節(jié)點(diǎn))，要使探頭位置小偏差時(shí)，參考反射體波幅穩(wěn)定在容差范圍內(nèi)。ISO/DIS 23865:2020附錄C給出了波幅穩(wěn)定性的校驗(yàn)指南。

7.3 陣列探頭

任何線陣或矩陣探頭均可用于FMC采集，但該標(biāo)準(zhǔn)僅限于使用線陣探頭。雙全法檢測(cè)用超聲陣列應(yīng)符合ISO 18563-2：2017 《無(wú)損檢測(cè)-PAUT設(shè)備的表征和驗(yàn)證-第二部分：探頭》的要求。

TFM過(guò)程需要得到陣元相對(duì)于試件的位置信息(包括楔塊延遲聲程)以計(jì)算與成像路徑相關(guān)的聲束飛行時(shí)間。視應(yīng)用，可使用與試件直接接觸的探頭，也可用有延遲聲程的斜探頭或水浸探頭。

為得到高質(zhì)量圖像，陣列探頭需具有以下特性：① 芯距足夠小，以免空間混疊；② 陣元阻尼高，以減小超聲波列長(zhǎng)度；③ 陣元足夠小，應(yīng)避免有太多指向性；④ 聲闌尺寸適當(dāng)，以在距探頭一定距離處成像(TFM算法在探頭近場(chǎng)區(qū)有最佳結(jié)果)；⑤ 楔塊尺寸優(yōu)化，以確保功效。

通常，滿足上述要求的探頭，其相對(duì)帶寬 > 60%，陣元芯距<超聲脈沖半波長(zhǎng)(即e<λ/2)。

主聲闌中失效陣元數(shù)的規(guī)定為：16陣元中失效陣元不得多于1個(gè)，且失效陣元不得相鄰(若不達(dá)標(biāo)，仍用此探頭時(shí)，須有相應(yīng)技術(shù)證明)。相控陣超聲探頭主聲闌和副聲闌如圖6所示，圖中A為調(diào)控激活方向的主聲闌；H為陣元高度(固定)，或稱副聲闌；P為芯距，相鄰兩陣元中心間距；e為單一陣元寬度；g為相鄰陣元間距。相控陣超聲探頭陣列主、副聲闌與超聲波束的相關(guān)性示意圖7所示[2]。

圖6 相控陣超聲探頭主聲闌和副聲闌關(guān)系示意

圖7 相控陣超聲探頭陣列主、副聲闌與超聲波束的相關(guān)性示意

7.4 掃查器械

為使圖像(采集數(shù)據(jù))保持一致性，要使用導(dǎo)向裝置和掃查編碼器。

在主掃查方向上，掃查增量的設(shè)置取決于被檢工件的壁厚，推薦值如表2所示。在垂直于主掃查的方向上，掃查增量的設(shè)置應(yīng)確保檢測(cè)的體積覆蓋范圍。掃查速度應(yīng)仔細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)設(shè)備性能。

表2 主掃查方向與壁厚相關(guān)的掃查增量 mm

掃查器的另一功能是提供定位數(shù)據(jù)，以生成與位置相關(guān)的雙全法圖像。

需要注意的是，雙全法掃查器可為電動(dòng)或手工驅(qū)動(dòng)，應(yīng)有適當(dāng)導(dǎo)向裝置導(dǎo)引；探頭位置容差取決于應(yīng)用情況，應(yīng)在檢測(cè)程序中指明；掃查速度應(yīng)與所用設(shè)備匹配，以免數(shù)據(jù)丟失。

7.5 采樣頻率

采樣頻率至少應(yīng)為探頭標(biāo)稱中心頻率的5倍。若使用A掃描插入法(上采樣)，則硬件采樣頻率可減為探頭上限頻率(-6 dB)的3倍。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，理論極限是信號(hào)上限頻率的兩倍。但在A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換前，應(yīng)對(duì)非理想濾波器提供額外裕度。

7.6 數(shù)據(jù)處理

基于超聲飛時(shí)(發(fā)射陣元→成像點(diǎn)→接收陣元)對(duì)A掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程，通常稱為成像。這是TFM的基礎(chǔ)。為改善所得圖像質(zhì)量，所用處理算法還可以考慮某些物理變量，如指向性、擴(kuò)散度、衰減度、反射率、透射參數(shù)等。

類似技術(shù)的詳細(xì)說(shuō)明，見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄B，如全聚焦法(TFM)、采樣相控陣法(SPA)、反波場(chǎng)外推法(IWEX)等。

一旦數(shù)據(jù)處理成圖像，還可用附加圖像處理方法(如包絡(luò)法等)，進(jìn)一步優(yōu)化顯示。

7.7 缺陷顯示測(cè)評(píng)

推薦的測(cè)量方法有以下兩種。

(1) 從缺陷顯示不同點(diǎn)(如端部)提取散射(衍射)信號(hào)，根據(jù)衍射信號(hào)圖像，測(cè)評(píng)缺陷的顯示尺寸。

(2) 用相對(duì)于回波峰值的波幅降落法，測(cè)評(píng)缺陷的顯示尺寸。

根據(jù)案例應(yīng)用，也可采用其他測(cè)量方法。

8 各種成像路徑

關(guān)注區(qū)或TFM區(qū)處于聲波從發(fā)射陣元到接收陣元的傳播路徑(包括界面反射)中，可從不同方向，利用反射和衍射信號(hào)對(duì)關(guān)注區(qū)內(nèi)的缺陷進(jìn)行成像。

無(wú)向缺陷，即體積型缺陷會(huì)導(dǎo)致多向反射，而定向缺陷，即面積型缺陷棱邊會(huì)導(dǎo)致多向衍射，通?？赏ㄟ^(guò)改變涵蓋缺陷區(qū)域的各種成像路徑來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。利用最新開(kāi)發(fā)的聲學(xué)影響圖(AIM)可對(duì)雙全法檢測(cè)成像路徑布置進(jìn)行優(yōu)化。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)定向缺陷(面積型缺陷)，最好通過(guò)如表3所示的成像路徑來(lái)檢測(cè)，即缺陷的入射角α和反射角β符合下列任意一種特征：①α=β=90°；②α≈β；③ 符合斯涅爾定律(缺陷處有波型轉(zhuǎn)換時(shí))。

表3 定向缺陷(面型缺陷)不同成像路徑的特征

9 檢測(cè)準(zhǔn)備

9.1 概要

檢測(cè)目的應(yīng)由規(guī)范規(guī)定。因此，應(yīng)確定檢測(cè)體積。被檢工件表面溫度應(yīng)為0 ℃50 ℃。溫度若超出此范圍，應(yīng)驗(yàn)證設(shè)備的適用性。

TFM類成像法需了解諸多相關(guān)參數(shù)，如測(cè)量系統(tǒng)、陣列、幾何設(shè)置和材料特性等。這里概述與成像相關(guān)的參數(shù)。

9.2 系統(tǒng)校驗(yàn)

系統(tǒng)校驗(yàn)、調(diào)節(jié)應(yīng)考慮陣元靈敏度，失效陣元以及楔塊參數(shù)(聲速、角度、尺寸)等。

這些項(xiàng)目的跟蹤應(yīng)按檢測(cè)程序規(guī)定出具校正記錄報(bào)告。需校驗(yàn)項(xiàng)目至少應(yīng)包括：① 校準(zhǔn)檢查；② 覆蓋范圍檢查；③ 靈敏度檢查和調(diào)整；④ 達(dá)到相應(yīng)檢測(cè)等級(jí)需考慮的設(shè)置；⑤ 定量、表征、評(píng)定(表面和內(nèi)部缺陷)；⑥ 工藝規(guī)定要素；⑦ 校準(zhǔn)試塊、參考試塊、評(píng)定試塊；⑧ 報(bào)告設(shè)定要素。

9.3 靈敏度校正

對(duì)一般情況，可用φ3 mm橫孔校正靈敏度(例如ISO 19675-2017中的PAUT校準(zhǔn)試塊)。

若應(yīng)用需要，且處理過(guò)程不考慮所有傳播效應(yīng)，則可采用波幅校正。TFM的波幅校正類似于TCG(時(shí)間校正增益)或ACG (角度校正增益)相控陣校驗(yàn)。探頭置于參考試塊上，在一組位于不同深度的橫孔上方移動(dòng)(可用仿真法校正靈敏度)。

如圖8所示，令探頭在橫孔上方移動(dòng)，記錄各橫孔回波幅度。此時(shí)，對(duì)關(guān)注區(qū)每條垂直線，對(duì)各橫孔均可測(cè)得相應(yīng)波幅值。隨后，將各橫孔波幅調(diào)到基準(zhǔn)線，測(cè)出所需增益值，以此完成橫孔波幅深度校正。對(duì)橫孔之間的點(diǎn)，其波幅增益值可用插值法求得(圖中1為橫孔;2為參考試塊;3,4為探頭移動(dòng)方向)。

圖8 橫孔靈敏度校正示意

按關(guān)注區(qū)或TFM區(qū)深度范圍，所用參考試塊需具有的橫孔數(shù)量也不同，具體要求如表4所示。

表4 靈敏度校正用橫孔數(shù)

9.4 靈敏度設(shè)置

需要時(shí)，檢測(cè)靈敏度須在代表要檢測(cè)的缺陷的反射體上進(jìn)行設(shè)置和驗(yàn)證。

采用多種成像路徑(TTT，TTL)時(shí),需分別校準(zhǔn)靈敏度。視應(yīng)用情況，也可按被檢工件幾何條件或噪聲水平來(lái)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整。

9.5 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格設(shè)置關(guān)系到雙全法的圖像分辨率。對(duì)基本雙全法來(lái)說(shuō)，若網(wǎng)格點(diǎn)間距小于λ/5(λ為波長(zhǎng))，可得穩(wěn)定波幅[此規(guī)定值見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄C.1.3。波幅穩(wěn)定性驗(yàn)證程序中，要求關(guān)注區(qū)偏移量的增量值小于λ/20 (即隨探頭頻率、波型而異)，見(jiàn)同附錄C.2.3]。網(wǎng)格校驗(yàn)指南詳見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄C。

10 檢測(cè)程序

進(jìn)行任何超聲檢測(cè)，均應(yīng)制定書(shū)面檢測(cè)程序。除標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 23865:2020提出的要求，至少還應(yīng)包括以下各項(xiàng)細(xì)節(jié)：① 被檢產(chǎn)品說(shuō)明；② 參考文件；③ 檢測(cè)人員資質(zhì)；④ 檢測(cè)對(duì)象狀態(tài)；⑤ 檢測(cè)區(qū)域；⑥ 掃查表面準(zhǔn)備；⑦ 耦合介質(zhì)；⑧ 檢測(cè)設(shè)備說(shuō)明；⑨ 環(huán)境條件；⑩ 校驗(yàn)和調(diào)整；掃查布圖；檢測(cè)操作程序和說(shuō)明；記錄和評(píng)定等級(jí)；缺陷表征；待用成像路徑。

應(yīng)用具體條件和雙全法的施用，取決于被檢產(chǎn)品類型和具體要求，并應(yīng)在書(shū)面程序中作交代。對(duì)在役檢測(cè)，建議用含自然缺陷的檢測(cè)試塊，驗(yàn)證檢測(cè)程序的有效性。按檢測(cè)目的和產(chǎn)品類型，有關(guān)設(shè)置和圖像示例的詳細(xì)建議，詳見(jiàn)附錄D。

焊縫檢測(cè)，采用ISO 23864:2020 《焊縫無(wú)損檢測(cè)-超聲檢測(cè)-使用(半)自動(dòng)全矩陣捕獲/全聚焦技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn)。

首次檢測(cè)前，應(yīng)按規(guī)范要求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)某绦蝌?yàn)證。此驗(yàn)證包括檢出所有要求的反射體,定量和分類性能,以及深度和寬度覆蓋范圍的證明等。

11 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

與PAUT相比，雙全法一般會(huì)收集到大量A掃描數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于陣列探頭所有發(fā)-收組合。圖像用采集硬件或連接采集硬件的計(jì)算機(jī)上的A掃描矩陣計(jì)算。兩種情況下，A掃描數(shù)據(jù)量可能很大而不易儲(chǔ)存。

構(gòu)建的圖像及應(yīng)用的成像參數(shù)和處理步驟，應(yīng)存儲(chǔ)在硬盤或IT(信息技術(shù))服務(wù)器等數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)上，供以后查閱。

12 雙全法數(shù)據(jù)解析

12.1 數(shù)據(jù)解析流程

雙全法數(shù)據(jù)解析流程如下：① 評(píng)定雙全法數(shù)據(jù)質(zhì)量；② 識(shí)別相關(guān)顯示；③ 對(duì)相關(guān)顯示按規(guī)定定位、定量；④ 對(duì)相關(guān)顯示按規(guī)定分類；⑤ 按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)判定合格與否。

12.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定

雙全法檢測(cè)只向生成滿意的圖像，才可作出把握的評(píng)定。而網(wǎng)格分辨率、波幅保真度、圖像信噪比，是雙全法圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。滿意的圖像有如下界定標(biāo)準(zhǔn)：① 耦合良好；② 時(shí)基調(diào)整良好；③ 靈敏度調(diào)整適當(dāng)；④ 信噪比良好；⑤ 有飽和度指示；⑥ 數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)。

雙全法圖像質(zhì)量評(píng)定要求操作者技能熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富(見(jiàn)第6節(jié))。書(shū)面檢測(cè)工藝應(yīng)根據(jù)應(yīng)用給出要求，若圖像不滿意，要求數(shù)據(jù)重新采集(重新掃查)。

12.3 相關(guān)顯示識(shí)別

雙全法檢測(cè)中，工件缺陷和幾何特征都會(huì)形成顯示。為識(shí)別幾何特征顯示，需了解工件細(xì)節(jié)。為判定圖像是否為由缺陷引起的顯示，并評(píng)估聲傳播模式或干擾時(shí)，應(yīng)考慮其幾何形狀和一般噪聲水平的信號(hào)幅度。

根據(jù)應(yīng)用，書(shū)面檢測(cè)工藝中應(yīng)提出信號(hào)評(píng)定的有關(guān)細(xì)則。

13 檢測(cè)報(bào)告

雙全法檢測(cè)報(bào)告應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 16810：2012要求,另外，還應(yīng)包括以下內(nèi)容：① 檢測(cè)試件，校驗(yàn)試塊，參考試塊；② 探頭型式、頻率、角度、相對(duì)于參考線的位置；③ 已檢出的相關(guān)顯示的圖像，并至少標(biāo)出位置；④分辨率、覆蓋范圍及網(wǎng)格分辨率檢查結(jié)果(見(jiàn)ISO/DIS 23865:2020附錄C)。

應(yīng)記錄下所用雙全法檢測(cè)相關(guān)設(shè)置，此記錄應(yīng)包括：① 靈敏度設(shè)置；② 采集過(guò)程；③ 成像過(guò)程；④ 關(guān)注區(qū)細(xì)節(jié)； ⑤ 所用成像路徑；⑥ 掃查布圖；⑦ 定量、表征方法。

14 補(bǔ)償修正

壁厚變化會(huì)引起成像路徑(包括后壁反射)生成的缺陷圖像顯示出現(xiàn)散焦、錯(cuò)位的現(xiàn)象。對(duì)此可在后處理中作補(bǔ)償修正，或用自適應(yīng)成像法進(jìn)行修正。

由晶粒組織拉長(zhǎng)(如鋼材軋制產(chǎn)生)引起的各向異性，會(huì)造成缺陷顯示散焦。對(duì)此可通過(guò)限制聲闌、使用小角度波程、使用相關(guān)于角度的聲速或使用自適應(yīng)算法，作補(bǔ)償修正。

制造或焊接方法產(chǎn)生的幾何形狀不規(guī)則，會(huì)造成工件表面不平整，以致聲束在表面發(fā)生反射或透射，而引起缺陷顯示出現(xiàn)散焦，對(duì)此可用自適應(yīng)算法補(bǔ)償修正。

全矩陣捕獲的一個(gè)潛在問(wèn)題是，每次只觸發(fā)一個(gè)陣元發(fā)射脈沖，探頭發(fā)射聲能有限。因而，此聲束能量會(huì)在衰減性或很厚的材料中擴(kuò)散，不能透射到缺陷位置。對(duì)此，可選用更合適的探頭或使用多陣元發(fā)射法采集，進(jìn)行補(bǔ)償修正。

若溫度超出9.1節(jié)規(guī)定范圍(即0°C以下或50°以上)，則應(yīng)使用與被檢工件同材料參考試塊(內(nèi)含所需關(guān)注區(qū)橫孔)，在與被檢工件相同溫度條件下，校正成像特性。

其他超聲技術(shù)也受上述這些特性影響。值得注意的是，在其他超聲技術(shù)無(wú)能為力的情況下，雙全法仍可對(duì)工件進(jìn)行高質(zhì)量檢測(cè)。

15 解讀補(bǔ)遺

15.1 標(biāo)準(zhǔn)面世過(guò)程

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/DIS 23865:2020(E)已提交所有成員國(guó)表決(征詢時(shí)間為2020-1-9～4-2)。2018年6月10日曾以國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW名義發(fā)布的兩標(biāo)準(zhǔn)是IIW Ⅴ-1842-18《超聲雙全法檢測(cè)一般用法》及IIW Ⅴ-1843-18《焊縫超聲雙全法自動(dòng)檢測(cè)》便是該草案的前身。我國(guó)是ISO和IIW兩國(guó)際機(jī)構(gòu)的主要成員國(guó)，對(duì)雙全法這兩份國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案發(fā)表了重要的意見(jiàn)。

15.2 檢測(cè)程序評(píng)定

雙全法檢測(cè)應(yīng)按書(shū)面程序進(jìn)行，檢測(cè)程序卡應(yīng)至少包含表5中的要求。由于過(guò)程或設(shè)備特殊，重要變量需增補(bǔ)時(shí)，也應(yīng)在卡中注明；每一重要變量均應(yīng)規(guī)定一個(gè)數(shù)值或數(shù)值范圍。

軟件修正一般不要求程序重新評(píng)定，除非存在影響超聲信號(hào)的顯示、記錄或自動(dòng)處理的變化。軟件修正應(yīng)有文檔對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存，以便查閱。

檢測(cè)程序卡制定后須在含缺陷試樣上作演示驗(yàn)證評(píng)定，以確認(rèn)其達(dá)標(biāo)。雙全法檢測(cè)程序卡的制定和評(píng)定內(nèi)容如表5所示(內(nèi)容引自ASME BPVC-2019第Ⅴ卷第四章表Ⅺ-421.1-1)。

表5 雙全法檢測(cè)程序評(píng)定內(nèi)容

16 結(jié)語(yǔ)

(1) 以解讀ISO/DIS 23865:2020為例，簡(jiǎn)述了當(dāng)今全矩陣捕獲(FMC)和全聚焦法(TFM)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的最新動(dòng)態(tài)。

(2) 分析了包括數(shù)據(jù)采集、信息處理、成像路徑、靈敏度校正、網(wǎng)格驗(yàn)證、顯示識(shí)別、補(bǔ)償修正等在內(nèi)的雙全法規(guī)范化操作的要訣。

(3) 為確保檢測(cè)質(zhì)量，建議預(yù)先創(chuàng)建仿真靈敏度圖，并通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試給出仿真結(jié)果，以此來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、有效且可靠。

(4) 采用信號(hào)包絡(luò)可進(jìn)一步改善表征，并提高相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)振蕩TFM圖像的采集率。波幅保真度，網(wǎng)格分辨率，圖像信噪比是確保雙全法圖像質(zhì)量的關(guān)鍵三要素。

(5) PAUT在行業(yè)內(nèi)已成功應(yīng)用20余年，其應(yīng)用案例眾多，同時(shí)該技術(shù)的性能及局限性，已早有定論。雙全法的理論與工業(yè)實(shí)踐則有待充分開(kāi)拓，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化亦需急步直追！