超声导波在焊缝缺陷检测中的发展与挑战

卫小龙， 杜国锋， 袁洪强， 张丹富， 马 骐

(1.长江大学石油工程学院， 武汉 430100； 2.长江大学城市建设学院， 荆州 434020)

焊接作为常见的一种连接方式，保证焊接质量是确保构件正常服役的基本要求。而在焊接过程中，裂纹、咬边、夹渣、孔洞、焊瘤、弧坑、未熔合等常见的焊接缺陷容易引发质量问题，降低焊件寿命，威胁生命财产安全。目前焊接质量检测方法主要有：声学检测法(超声、声发射等)、磁学检测法(磁粉、漏磁等)、射线检测法(X射线、γ射线等)、电学检测法(涡流、微波等)、热学检测法(红外热成像、光声光热检测等)、光学检测法(激光视觉)、渗透检测法(流体渗透)。每种方法各有利弊，有其自身的特点和适用性。然而超声导波检测随着近30年在基本理论、数值仿真模拟、实验技术等方面的快速发展，特别是近10年商业化的应用，以其具有长距离、大范围、效率高等优势，得到了广大学者的高度关注。

1 导波发展历程

声波在波导材料中(如管、棒、板等)受到几何界面影响发生多次反射、透射等作用，进而形成复杂的干涉和几何弥散，叠加之后继续沿着波导材料向前传播最终形成了导波。主要分为板状材料中的SH波、兰姆波(Lamb)，圆柱体中的纵向导波(L模态、T模态、F模态)、周向导波(周向Lamb波、周向SH波)和表面波(Rayleigh波)。超声导波的技术发展大致分为两个阶段。第一阶段以理论机理为主，在过去的两个多世纪，Stokes[1]、Rayleigh[2]、Hopkinson[3]、Pochhammer[4]、Chree[5]、Lamb[6]、Davies[7]、Mindlin[8]、Graff[9]和Auld[10]等著名学者在动力学和弹性力学等领域作出了杰出的贡献，为导波技术发展做了大量开拓性的工作。20世纪50年代，Bancroft[11]、Hudson[12]、McFadden[13]、Thomson[14]、Haskell[15]、Ghosh[16]、Herrmann等[17]主要集中在对波的特征方程计算、频散方程的求解上。最终Gazis[18-19]在前人研究基础上，通过数值模拟给出了纵向模态和扭转模态频散方程的通解以及频散曲线。Fitch[20]在实验中激励了最低阶的四个对称和不对称模态的导波，测得群速度的实验值，验证了Gazis[18-19]的结论。20世纪90年代，第二阶段以技术开发应用为主。随着计算机普及，运算速度加快，仿真数值模拟在研究声场分布与缺陷的作用做出了积极贡献，为导波传播机理研究、实验数据采集分析处理、缺陷定性定量识别、定位成像分析提供了理论指导。文献[21-36]在导波理论研究、传播机理、导波模态、频率选取、电磁超声探头、导波检测传感器、导波相控阵、信号分析与成像算法等方面取得了诸多成果。中国导波技术虽起步较晚，但通过研究人员的不懈努力，近些年与国外学术水平已不相伯仲，特别是在商业应用方面。文献[37-47]在管道充液和包覆层缺陷检测、锚固件导波应用、时间反转聚焦系统研发、PVDF(polyvinglid ene-flouride)探头、宽带柔性梳状表面波传感器、电磁传感器等领域硕果累累。然而，针对损伤识别，中外研究人员的研究领域主要聚集在板状结构、管道、复合材料中的缺陷检测，以焊缝缺陷作为研究对象相对较少。在SCI数据库进行文献搜索，以“guided wave”“weld defect”为关键词，近10年的研究成果如图1所示。可以看出，只有近3年利用导波对焊缝缺陷检测的研究成果才呈递增趋势，但数量仍较少。现从板状结构和管道两方面，调研大量文献，梳理、分析、总结导波在焊缝缺陷检测中的发展以及面临的挑战，方便后续研究人员开展工作。

图1 SCI数据库中近10年来对导波焊缝缺陷的研究成果Fig.1 Research results of weld defects of guided waves in SCI database in recent ten years

2 板状结构焊缝缺陷检测

板状结构中的超声导波有Lamb波(分为对称S型、非对性A型)和SH剪切波(图2)。每一种模态划分不同的阶数，不同的频率传播速度也不同，这是导波特有的多模态和频散特征。在板状结构的检测中，Lamb波应用较为广泛。Lamb[48]在拟定没有边界限定的平板中求解应力波动方程式得到解析解，将该波动命名为Lamb波。随后有众多的学者对Lamb波的传播特性以及频率方程的优化求解进行探索。Worlton[49]求解铝板和锆板的特征频散曲线，提出S型和A型Lamb波均可用于检测缺陷的观点，自此，Lamb波的应用价值得以体现。

图2 板波传播示意图Fig.2 Schematic of plate wave propagation

2.1 导波与焊缝的交互作用

Lamb波在焊缝中的应用较晚，原因在于导波在板状结构中传播的多向性，频散严重，衰减量大，同时遇到不规则的焊缝结构发生模态转换。直至RokhlinS[50]利用Lamb波对搭接剪切接缝进行理论和实验分析，根据焊缝中超声信号的相位延迟和传输损耗得出关于焊缝区质量的结论。这项工作在理论和实验上都展示了如何选择Lamb波的模式类型和频率，以在焊缝区域中获得合适的模式，从而成功地识别焊缝质量。随后Cho[51]考虑板厚的变化对Lamb波传播的影响，采用边界元法研究了Lamb波在不同板厚中的散射现象，进而分析了散射时的模态转换问题。不过，真正吸引广大研究人员关注的还是因为Sargent[52]通过实验使用单个边缘安装式换能器进行测量，发现S0模态的Lamb波优先沿焊缝在波导中传播，提出了“焊接导波”，后来被Zheng等[53-54]重新解释为“能陷效应”。Juluri[55-56]为了直观展示能量束缚在焊缝中，利用abaqus有限元数值模拟，并将焊缝设置成规则的矩形结构，同时在实验中对焊缝端部激励和接收信号,通过数据分析解释了产生的原因。吴斌等[57-58]在此基础上进行扩展，采用不同波结构的位移加载方式，激励单一的S0模态和A0模态，传播过程中抑制其他模态的产生，通过有限元模拟方法，对板中出现的4类回波信号分析处理，得到焊缝中S0模态和A0模态的传播特性以及各自能量散失情况。

依据简化原则，上述研究中的焊接结构普遍采用单一理想模型，与实际焊缝仍存在一些差距。鉴于此，Zheng等[53-54]采用二维半解析有限元方法，将模型中矩形对接焊缝设置成了圆弧形，对板中焊接接头所引导的弹性波进行模态研究。解释了出现能量陷阱现象的原因在于非分散的剪切焊接引导模式，并进行实验验证了剪切焊接引导模式的存在和有限元模型的准确性。Kazys等[59]利用“能陷效应”研究了导波在充液钢板焊缝中的传播特点。通过有限元和声场分布测量，在钢板水负载中测得泄漏波信号，经过处理可以重建钢板内部和外部的3D超声场结构。实验研究证明焊缝中如有缺陷，泄漏信号还可以估算内部缺陷的位置。

2.2 导波与缺陷的交互作用

Lamb波在焊缝中传播，遇到缺陷会发生反射含有缺陷信息的回波信号。但同时也产生散射和模态转换，这些信号与回波信号叠加一起为缺陷的识别与定位增加难度。Nassar等[60]提出模态展开法对含有缺陷的板焊缝进行分析，为回波信号中S型模态和A型模态的分离奠定了基础。2000年，Rose等[61]首先尝试对直升机桨叶中的搭接焊缝进行了检测，通过激发瞬态共振模式，检测到搭接焊缝中具有横向裂纹。随后，研究人员采用不同的方式与模态分解的方法相结合，分析Lamb波在焊缝槽型缺陷中的特征响应。Terrien等[62]提出结合有限元和模态分解的方法来研究Lamb波与损伤区域的相互作用。在时域中计算Lamb波和缺陷之间的相互关系，模态分解方法分析损伤区域反射波和透射波以及由缺陷引起的模态转换。通过在铝板上测得缺陷的实验值与数值预测值进行对比分析，达到了检测效果。Imano等[63]采用二维傅里叶变换的方式分析了模态转换现象，并通过转换后的模态能量与激励的原始模态能量之比描述了缺陷损伤程度。Xu等[64]采用二维时域有限差分法计算散射场，提取数值趋势进行仿真研究和实验验证。仿真和实验均表明，发射信号中转换模态的群速度受缺陷位置的影响。为了描述模态转换程度并评估缺陷的严重性，将原始传输模态和新转换模态的波包分开，并分析了不同缺陷强度下的相应模态能量百分比。得到了模态能量百分比随缺陷深度的增加而单调变化，具有统计上的一致性。

然而，Lamb在板状结构中传播是多向性的，要想获得精确的检测结果，除了上述研究人员考虑二维模型中的反射透射系数外，利用三维模型研究不同方向的散射更符合实际。郑阳[65]、吴斌等[66]利用矩阵法，为了抑制其他模态的干扰，采用双元激励单一S0模态的方法，建立三维仿真模型，研究了该模态与圆孔缺陷和槽型裂纹的交互作用，对焊缝余高、焊缝宽度、弹性模量变化做了详细说明。除此之外，Zhang等[67]在焊缝中发现了一种非泄漏且几乎不分散的剪切焊接引导模态，在二维有限元模拟的基础上，应用三维时间步长有限元法研究了剪切模态、压缩模态与不同焊缝缺陷的相互作用。许帧英等[68-70]考虑到不同于Lamb波的特性，采用SH波在基于半解析有限元法对结构中的能量分布、衰减特性以及最佳激励高频的范围进行了深度分析，在数据处理方面提出利用时频分析方法中的wigner-ville分布及其改进方法能对回波信号进行模态分离和缺陷识别。Kim等[71]、Marchi等[72]利用导波相控阵技术来检测板状结构波束成型和缺陷检测。顾建祖等[73]提出导波相控阵波束形成全域损伤定位及时反局部损伤量化方法，基于频率域上相位延迟，能有效定位损伤并提高损伤成像精度。Sohn等[74]在Lamb波非线性损伤的基础上，提出时间反转信号重构的损伤检测方法。Lu等[75]检测焊接钢轨缺陷，分析频率变化与回波信号的相互关系，提出了概率损伤成像方法。

3 管道焊缝缺陷检测

按照传统的命名方法，管道导波可分为纵向模态、扭转模态和弯曲模态(图3)。所有模态都可以跟板波类比：导波纵向模态L(0,1)类似Lamb波A0模态，L(0,2)类似Lamb波S0模态；扭转模态T(0,1)类似板波SH0模态，非轴对称模态类似弯曲模态F。与板波相似的原因在于其产生的机理上，板波是声波振动受上、下两个界面的限制而产生，而管道是受内壁和外壁作用，因此两者都具有多模态和频散特性。

图3 不同纵向导波模态Fig.3 Different longitudinal guided wave modes

管道导波理论是在19世纪末的柱面导波传播理论基础上展开的，Pochammer[4]和Chree[5]最早研究了自由棒中的导波传播。随后众多学者在此基础上研究了纵向模态和扭转模态的频散曲线以及群速度的求解。Mohr等[76]、Silk等[77]分别首次采用电磁式和压电式传感器对管道横向和纵向缺陷成功进行了检测。自此，开始了管道缺陷检测的新篇章。

与板状结构相比，管道焊缝缺陷检测起步更晚，Rattanawangcharoen等[78]、Zhuang等[79]将有限元公式和波函数展开的组合用于研究轴对称导波在圆柱体焊接区域的散射，给出了圆柱体的波散射数值结果。研究表明随着频率的增加，反射系数会出现共振峰，透射系数会在圆柱中高阶模态的截止频率处急剧下降。焊缝厚度和材料特性的频率会影响反射系数最小值，确定了对圆柱体焊缝无损评估的可行性。Long等[80]以埋地充水管道为研究对象，分析了管道接头与管件的相互作用发生能量散射以及散射后导波模态能量的衰减，通过数值分析F(1,1)与L(0,2)模态的衰减情况较为严重。姜秀娟[81]使用数值仿真软件，逐一改变焊缝材料密度和弹性模量变化参数，观察回波信号的变化规律，对比了导波在含裂纹和含焊缝的管道中的传播特性，但并未给出识别缺陷的判断标准。刘秋阁[82]基于有限元分析，采用L(0,2)模态导波，利用模态分离算法对焊缝裂纹、孔洞进行仿真实验，同时考虑实际工况，对充水埋地管道的焊缝裂纹缺陷进行试验。结果表明导波在复杂工况下仍可以对焊缝缺陷实施有效检测。

关于导波模态的选择，除了纵向模态，不少学者也尝试用扭转模态导波检测管道焊缝。在Long等[80]的基础上，Kwun等[83]和Lu等[75]利用扭转模态导波在涂层管道中传播，分析在5～30 kHz频率范围内和最大1.7 m的土壤覆盖范围内能量的变化。结果表明地面以上涂层管的衰减系数比裸管的衰减系数大一个数量级，并且在研究的频率范围内，衰减系数随频率近似线性增加。管道上的土壤覆盖物加剧了这一变化，在1.7 m的覆盖深度处增加了3～10倍的衰减。Deepesh等[84]利用有限元分析得到有缺陷的焊接整体反射系数取决于焊缝高度和周向范围，而且缺陷的径向位置、焊缝厚度和管壁厚度均会对焊缝回波产生影响。Chua等[85]研究了扭转导波与周向裂纹的相互作用。有限元结果表明，具有较大周向范围和更深轮廓的周向裂纹将在反射扭转T(0,1)信号的振幅上产生较大的变化，管壁截面实验表明，较高的检查频率会产生较大的反射系数，并且对于较小的窄裂纹，可以将其近似为频率的线性函数。

突破了直管的束缚，Demma等[86]、Zhou等[87]、Aristegui等[88]、何存富等[89]以不同结构部件(如弯管、不同横截面积管道)为研究对象，进行仿真实验。研究了L模态导波在不同构件处转换成不同类型的T模态和F模态导波，为后续弯管和不同横截面积管道的焊缝缺陷检测奠定了基础。Nishino等[90]采用L(0,1)模态导波展开对弯管焊接缺陷检测灵敏度的实验研究。为了评估灵敏度，人工缺陷的深度以0.05 mm的增量逐渐增加到2.0 mm。实验表明焊接弯管的缺陷检测灵敏度为直管的1/5～1/4，最后还讨论了在焊接弯管中观察到的波形特征，以用于导波检查。Tan等[91]利用有限元模拟研究了导波在弯曲管道中的传播。采用延时聚焦和合成聚焦相结合提高了弯曲面以外小缺陷的检出率，但无法直接检测到与弯曲面接近的缺陷，需要使用无缺陷管道的参考图像来辅助才得以实现。叶梦雅等[92]采用模态分离算法，基于L(0,2)模态进行数值模拟，建立新的笛卡尔直角坐标系提取缺陷特征，利用时间反转波场聚焦特性定位，最终实现双焊缝和弯管焊缝缺陷的检测。

4 焊缝缺陷检测技术的机遇与挑战

导波技术作为超声检测中的新型技术，具有一次扫描即可检测整个范围内所有缺陷的特点，同时能够实现缺陷定量与定位。目前中外研究人员采用超声导波在管道和板状结构中，对裂纹、孔洞缺陷的识别以及焊缝、法兰和端面结构的作用机理研究成果丰硕。然而超声导波的多模态、频散特征和焊接结构的复杂性，提高了导波检测焊缝缺陷的难度，而焊缝作为材料中的重要结构，是容易产生缺陷的部位。目前对于焊缝缺陷检测，在理论研究、数值仿真、实验方法、工程应用等方面仍存在一些亟待解决的问题。

(1)复杂的焊缝结构、材料物理参数、边界条件设置，使导波的传播在理论研究方面难度增大，如钢轨、大小截面管径、非标准构件等。

(2)由于各导波模态的质点振动形式不同，对于不同类型、不同形状的缺陷的检测能力也各有所长。因此为提高焊缝缺陷的检出率和检测精度，需进一步研究更高频、更高阶的特征导波模态，对于这方面的内容仍需进一步探索。

(3)焊缝中多类型缺陷的检测是导波检测技术重点之一。在数值模拟以及实验的过程中，为方便仿真模型搭建和后期数据运算，研究人员通常对缺陷类型设置较为单一。未针对除孔洞、裂纹缺陷之外(如夹渣、气孔、未熔合)更多的焊缝缺陷类型进行分析，因此仍然需要深入模拟实验研究。

(4)多条焊缝或不同结构(弯管、大小截面管道)焊缝的缺陷检测，是典型的实际应用问题。对研究人员在传感器配置、数据采集、分析处理等方面提出了更高的挑战。

(5)环境影响是容易忽略的因素。要统筹考虑压力、温度、湿度、机械振动、辐射等对超声信号的影响，提高焊缝缺陷实时检测的精度，是导波技术能够在现场实际应用的重要保障。

(6)当前导波缺陷检测正向着集成化、可视化方向发展，缺陷成像技术应运而生。计算复杂、精度高、传感网络密度高的导波相控阵成像、导波层析成像，广泛应用在简单构件或结构热点突出区域；导波偏移成像、延迟叠加成像、加权分布诊断成像普遍应用于大面积复杂结构。在此基础上，如何避免焊缝信息的干扰，检出焊缝缺陷，对缺陷清晰成像，是亟待解决的难点之一。