对接焊缝的超声相控阵检测及三维成像分析

摘要

焊接件是通过焊接工艺加工制造而成的结构件，广泛应用于机械制造、交通运输、核能电力、航空航天等行业，与传统铆接和铸造工艺相比，有节省金属材料、工艺简单便于操作、生产制造周期短等优势。在焊接过程中由于焊接结构、工艺设计、人工操作等因素，焊接件在生产制造中常会伴随着如裂纹、气孔、夹渣、未融合、未焊透等焊接缺陷。在焊接件的服役过程中，各种焊接缺陷对焊接件的质量有非常大的影响。缺陷的存在破坏了焊接部位材料的联系性，大幅降低了材料力学性能和机械强度，极易导致材料的失效破坏，严重影响焊接件的服役性能。
　　超声相控阵检测技术作为一种先进的无损检测新技术，以其动态聚焦和可变声束角度等特点在对接焊缝检测中得到逐步应用。然而传统超声相控阵检测所得二维图谱存在缺陷的反映不够直观，缺陷评判受干扰因素多等特点。为了完整和准确地呈现缺陷形态，分析缺陷特征，本文充分考虑工业实际情况，将超声相控阵技术与三维可视化成像技术有机结合，开展针对对接焊缝结构的超声相控阵三维成像检测研究。
　　本文首先阐述了超声相控阵发射及接收声束技术和成像原理，介绍了线性扫查、动态深度聚焦、扇形扫描三种常见相控阵扫查方式。采用数学建模的方法建立了线阵列声场模型，用数值仿真的方法对声束偏转和聚焦特性进行研究，通过对阵元长度与间距参数对声场的影响研究发现，阵元间距的改变会对栅瓣效应产生很大影响，而阵元长度的变化则更多的是影响旁瓣效应。
　　其次，开展了三维可视化的数据构成及成像方法的研究，分析了可视化数据的离散性、具有规则或非规则结构、具有维度三个特点，并列举了常见的均匀网格，非均匀网格、结构化网格和多边形网格结构。通过对比面绘制和体绘制技术，选用基于区域增长技术的混合绘制法来实现三维缺陷重构。
　　在此基础之上，基于Phascan超声相控阵平台的二次开发模块搭建扫查成像系统，实现数据传输；以Arduino Uno单片机作为扫查架的主控芯片，python接口OpenCV实现数据图像中值滤波、颜色映射和轮廓分割预处理；以MIMICS平台完成三维重构，并通过三组含不同对比缺陷（分别反映缺陷深度、直径、走向等信息）的人工试块验证了整个成像系统和成像方法的可行性，且成像具有较高精度。
　　最后，针对对接焊缝试件选取合适参数阵列探头，明确规范了声速校准、延迟校准、灵敏度校准（ACG修正）以及TCG修正的原理及操作方法，继而对焊缝进行超声相控阵三维成像扫描，获得缺陷断层二维图谱及缺陷三维图像。
　　通过对二维图谱和三维缺陷的分析，总结对接焊缝典型缺陷的图谱特征，并与传统A扫超声检测及射线检测结果进行了对比，对比实验结果表明所得三维图像对缺陷的反映直观、具体、准确。本文的研究方法和结果可为超声相控阵三维成像检测技术的普及和发展提供参考。

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目录

第1章 绪论

1.1课题的研究背景

1.2课题的来源和研究意义

1.3主要研究内容及研究路线

1.4 本章小结

第2章 超声相控阵理论及声场特性研究

2.1 引言

2.2 超声相控阵的原理和特性

2.3 超声相控阵的声场仿真及优化

2.4 本章小结

第3章 超声相控阵三维成像方法研究

3.1 引言

3.2 体数据三维重构原理

3.3 切片图像的预处理

3.4 本章小结

第4章 超声相控阵三维成像的实现

4.1 引言

4.2 相控阵三维成像平台

4.3 超声相控阵三维成像验证试块的制作与成像

4.4 本章小结

第5章 钢制构件对接焊缝的缺陷检测及三维成像分析

5.1 引言

5.2 相控阵平台参数设置及校准

5.3 焊缝超声相控阵检测图谱分析及三维成像分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

附录

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