基于超声相控阵全聚焦修正技术的焊接缺陷定量检测方法

周红明，陈 挺

（1.丽水学院工学院，浙江 丽水 323000；2.浙江省文创产品数字化设计与智能制造重点实验室，浙江 丽水 323000；3.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310063）

由于残余应力和复杂使用环境的影响及焊接过程中造成的气孔、夹渣、夹杂、裂纹、咬边、未焊透和未熔合等基础缺陷的存在，焊缝始终是焊接件中最为薄弱的部分，成为质量监控的重点［1］。

大量的研究表明，超声无损检测在焊接质量检测应用中表现出明显的技术优势。由于具备检测速度快、缺陷定量精确及易于与信息技术相结合等优点，相控阵技术成为近年来超声无损检测领域的研究热点。常规的超声相控阵检测技术，是通过聚焦延迟算法对声束进行合成，实现声束的聚焦和偏转，从而对检测对象进行扫描［2-3］。为了改善超声相控阵检测成像的质量，学者们提出了全聚焦成像技术，其原理是基于后处理的思维，先利用阵列中的各个阵元发射-接收信号实现全矩阵采集（full matrix capture，FMC），而后再运用全聚焦法（total focusing method，TFM）实现被检测缺陷的高质量成像［4］。

然而超声波在介质中传播路径的不同会使得传播能量的损耗各异，使得不同位置缺陷的成像幅值存在差异，影响超声相控阵全聚焦成像的质量，从而降低被检缺陷定量的准确性。因此，有必要对检测信号能量的衰减进行修正，提高检测结果的可靠性。笔者在现有超声相控阵全聚焦算法的基础上，通过多元高斯叠加模型研究工件内的声场分布情况，并利用计算结果对全矩阵数据进行修正，补偿超声波在传输过程中的能量损耗，从而完善超声相控阵全聚焦成像检测技术。

1 TFM成像算法

TFM 成像技术是基于虚拟聚焦算法实现的，先将成像区域划分成若干个单元格，即虚拟聚焦点，并依次对各个单元格进行虚拟聚焦。因此，在实现成像以前需要先获取全矩阵数据，即获取成像区域内每个单元格的超声A扫信号。获取信号的过程为：依次激励每一个阵元发射超声波，所有的阵元并行接收回波信号，将接收到的信号定义为Sij，其中i，j=1，2，…，N（N为阵元数量），采集完成后共获取N×N组数据，形成一个如图1所示的N×N全矩阵。

图1 全矩阵数据

获取全矩阵后，针对需要聚焦的单元格位置，利用延时法则对数据进行叠加后处理，获得该相应点处的幅值信息A(x，y)，依次对成像区域内的每一个单元格位置进行上述处理，即可得到被检测区域的成像结果。如图2 所示，聚焦点p(x，y)的幅值计算式为

图2 全聚焦原理示意图

式中，tip、tpj分别为信号发射阵元i和信号接收阵元j到聚焦点p之间的超声波渡越时间，tij为信号Sij需要延迟的时间。

然而，由于相控阵阵元发射声波具有指向性，在不同方位上所产生的能量各不相同，不同声程所产生的能量衰减程度也各异。因此，当缺陷在被检工件中所处位置不同时，成像所得到的缺陷定量会产生一定程度的误差。为此有必要对超声波传输过程中所产生的能量衰减进行补偿修正，以减少缺陷定量的误差。

2 全聚焦修正技术

为解决超声波传输过程中的能量衰减问题，通过构建超声相控阵辐射声场分布模型，对超声波能量的衰减进行补偿修正，以提高检测的可靠性。目前存在多种能够模拟相控阵检测声场的方法。基于惠更斯理论的瑞丽积分模型在多数情况下难以得到声场解析解，需要借助数值积分，求解效率较低。多元高斯声束叠加法（multi-Gaussian beam method）计算简单且效率高，能够较好地解决声束多界面传播问题。

2.1 焊件中相控阵辐射声场计算模型

Wen 等［5］提出可用高斯声束叠加来表示超声换能器所产生的声场。如图3所示，当声束在多层介质中传播时，在第m+1 层介质中的高斯声束的速度振幅vm+1可表示为［6］

其中，

超声相控阵通过控制换能器阵列中各个阵元的延迟发射时间来实现声场的偏转和聚焦，因此对于相控阵所产生的声场可以通过各个阵元所产生声场的延迟叠加得到。由N个阵元构成的超声相控阵在第m+1层介质中产生的辐射声场可表示为

式中，v0为阵元表面的振动幅度，k为将阵元离散成若干个小单元的数量，DR为阵元离散后小单元的指向性系数［6］。

2.2 基于辐射声场模型的全聚焦修正方法

TFM成像技术采用对回波信号进行延时叠加的方式实现在检测区域内的虚拟聚焦。然而超声波信号在传输的过程中会产生衰减，衰减程度与传输声程有关。同时，焊缝界面上的折射也会对回波信号的能量产生影响。回波信号能量的损失会使得TFM 成像算法对缺陷的尺寸产生误判，甚至可能引起漏检，影响检测结果的可靠性。为解决上述问题，笔者所采用的策略是对超声波信号在传播过程中所损失的能量进行逐一修正。将式（1）进行修改，得到修正后的成像幅值A(x，y)为

式中，v_N( )ω表示超声波信号在传播过程中的声场分布，通过式（8）计算可得。

3 检测试验

为验证所建立的测量模型及TFM修正成像方法的可行性，利用对比试块开展超声相控阵检测试验，试验系统架构如图4所示。检测系统主要由多路超声发射/接收板卡、超声相控阵换能器、PXI总线工控主机、电气控制部分和机械扫查部分构成。凭借PXI总线的同步和可扩展优势，可实现PXI机箱之间的串接扩展，并支持多通道同时工作。由多路复用发射接收一体化板卡负责相控阵换能器超声波信号的激励和接收。由电气控制部分和机械扫查部分实现相控阵换能器对工件的全方位扫查。

如图5 所示，相控阵换能器（5L64-NW1）中心频率为5 MHz，采样频率100 MHz，按照全矩阵数据采集方法采集并存储数据。在钢制试块上加工出3 个孔径为2 mm 的圆孔模拟焊接缺陷，用于超声相控阵检测成像试验。

图5 超声相控阵换能器及检测试件尺寸图

将修正处理后的全聚焦成像结果与处理前的成像结果进行比较，结果如图6所示。从图6中可以看出：在未经修正的成像结果中，同尺寸的圆形缺陷，由于位置不同，表征缺陷大小的能量幅值具有明显的差异；而经过修正处理后，由于回波信号的能量衰减问题得到缓解，图像中的能量分布更加均匀，同尺寸不同位置的圆形孔缺陷在图像中差异较小，成像效果得到明显改善。

图6 检测成像结果

表1列出了回波幅值修正前与修正后的缺陷面积。采用超声无损检测中常用的-6 dB 法来表征检测图像中对应的缺陷面积，直径为2 mm的圆形孔面积为3.14 mm2，修正前与修正后的缺陷平均面积分别为2.96 mm2和3.18 mm2，可见修正后的缺陷大小估算更为准确。

表1 回波幅值修正前后缺陷测量面积

4 结论

笔者使用多元高斯叠加模型计算了被检工件内的声场分布情况，利用计算结果对超声相控阵检测的回波信号幅值进行修正处理，用于补偿声波在传输过程中的能量损耗，结果表明该方法可以有效提高超声相控阵检测全聚焦成像的图像质量，改善图像中缺陷回波信号的能量分布均匀性，使缺陷定量误差得到有效降低。