带余高对接焊缝相控阵超声检测及全聚焦成像研究

摘要

工程中存在大量带余高对接焊缝，采用射线检测时易造成面积型缺陷漏检、检出缺陷无法准确定位；采用传统超声检测存在耦合困难、信号识别困难和检出率低的问题。为解决上述问题，本文基于相控阵超声检测（Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT）技术开展带余高对接焊缝检测研究，通过仿真模拟和实验结合方式给出较优检测参数。考虑带余高焊缝检测空间受限和避免检测区域漏检，基于直入射检测采集信号开展全聚焦方法（Total Focusing Method,TFM）成像检测研究。具体研究内容如下： （1）针对加工的长宽高260mm×30mm×40mm、余高曲率半径6mm、余高高度2.4mm的30#钢试块进行声速和衰减系数测量，建立仿真模型开展PAUT研究。结果显示：采用在基体上声波斜入射检测Φ2mm横通孔信噪比（49.1dB）远远高于探头在焊缝上方声波直入射检测（3.1dB）。在此基础上研究斜入射检测声场仿真规律：随着偏转角度增加，检测范围增大、检测分辨力先升高后降低、检测灵敏度降低；随着聚焦深度增加，检测范围增大、检测分辨力和检测灵敏度均降低。针对深度20mm横通孔实验和仿真获得较优检测参数为：40°~60°偏转角度和20mm聚焦深度。 （2）考虑探头斜入射检测空间受限、直入射检测信噪比低问题，基于直入射方式采集A扫信号，对比分析B扫描（B-scan）、合成孔径聚焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique,SAFT）、表面契合超声（Surface Adaptive Ultrasound,SAUL）法和TFM在轮廓提取方面差异。结果显示：SAFT轮廓提取最大误差和平均误差最小，分别为0.31mm和0.04mm；TFM轮廓提取归一化标准差最接近1mm，为0.98mm。基于利用这些方法提取轮廓进行焊缝内部Φ2mm横通孔成像结果发现：TFM效果最好、B-scan和SAFT次之、SAUL最差。利用TFM的横通孔幅值和信噪比分别达到-14.22dB和17.56dB。 （3）为提高带余高对接焊缝TFM成像效率，以每个发射信号对应所有接收信号中最大幅度1/4作为阈值筛选形成动态有效孔径（Dynamic Effective Aperture,DEA）参与轮廓成像，结果显示该轮廓和全孔径（Full Aperture，FA）提取轮廓完全一致。基于该方法提取轮廓实验获得Φ2mm横通孔信噪比和幅值分别为-21.39dB和7.51dB，低于仿真结果的-14.22dB和17.56dB，这是由于试块表面存在刀痕，影响声能入射和声束叠加。在此基础上深入研究带余高对接焊缝余高尺寸对检测结果影响，结果显示：当焊缝余高高度为2.4mm时，随着余高曲率半径增加，Φ2mm横通孔幅值和信噪比均呈现升高趋势；当焊缝余高曲率半径为18mm时，随着余高高度度加，Φ2mm横通孔幅值和信噪比均呈现降低趋势。分析该现象是由结构和轮廓提取误差两方面引起。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 非平面结构PAUT研究现状

1.2.1 常规PAUT技术

1.2.2 超声后处理成像算法

1.2.3 PAUT现状分析

1.3 本文研究内容

2. PAUT基本原理

2.1 常规PAUT基本原理

2.1.1 声束激发类型

2.1.2 相控阵超声扫描方式

2.1.3 相控阵超声图像显示模式

2.2 超声DAS算法原理

2.2.1 SAFT成像原理

2.2.2 TFM成像原理

2.3 SAUL原理

2.4 本章小结

3 带余高对接焊缝PAUT成像检测

3.1 声学特性分析

3.2 仿真计算

3.2.1 仿真模型建立

3.2.2 仿真检测研究

3.2.3 声场仿真研究

3.3 实验检测

3.4 本章小结

4 带余高对接焊缝后处理算法成像检测

4.1 成像方法原理

4.2 不同方法带余高对接焊缝表面轮廓成像

4.3 基于不同方法提取轮廓的横通孔TFM成像

4.4 本章小结

5. 带余高对接焊缝动态有效孔径TFM成像

5.1 动态有效孔径TFM原理

5.2 焊缝表面轮廓TFM成像

5.2.1 仿真结果

5.2.2 实验结果

5.3 焊缝内部横通孔TFM成像

5.3.1 仿真结果

5.3.2 实验结果

5.4 余高尺寸对横通孔TFM成像影响

5.4.1 焊缝余高曲率半径对成像影响

5.4.2 焊缝余高高度对成像影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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