水利工程中金属焊缝缺陷的超声检测方法比较研究

为研究基于超声的无损探伤方法在水利工程金属结构焊缝缺陷识别中的应用,利用常规超声检测技术、超声相控阵技术、衍射时差法(Time of Flight Diffraction, TOFD)超声检测技术对水利工程金属结构焊接试块缺陷进行识别,分析了各种缺陷在超声无损探伤技术中的特征显示。研究结果表明:常规超声检测技术、TOFD检测技术均能对各种缺陷实现信号显示,超声相控阵检测技术对气孔和横向裂纹的显示不够明显,但对其它缺陷的检出效果较为明显;常规超声检测技术对操作人员的要求较高,对缺陷的定性困难,精度不高;TOFD检测结果中气孔和横向裂纹的显示呈现出一种特殊的弧形,有一定高度的内部裂纹和未熔合的信号由上下尖端衍射波组成,根部未焊透上下尖端信号不够明显;相控阵检测结果直观,可以较精确地测量缺陷的埋藏深度、自身高度、长度等,但在扫查点状缺陷或者与超声声束平行的裂纹缺陷时,检出率极低。     

0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢早期损伤非线性驻波法检测

针对非线性超声纵波检测中信号幅值较低、二次谐波不易被有效激发且易受干扰的问题,提出非线性驻波检测方法。分别对0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢拉伸试件进行非线性超声纵波法和非线性驻波法检测,检测结果表明,相比于非线性超声纵波法,非线性驻波法能够提升信号幅值,有效激发材料内部由于非线性相互作用产生的二次谐波,提高超声信号的信噪比和频谱的频率分辨率,且试验结果与有限元仿真结果基本一致。对0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢三点弯曲疲劳试件进行非线性驻波检测,在疲劳寿命50%以前,不同疲劳应力下归一化超声非线性系数均随疲劳寿命增加而增大。因此,非线性驻波法能够更好的检测0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢早期损伤。     

搅拌摩擦焊焊缝未焊透缺陷的超声相控阵检测

采用A扫加S扫的超声相控阵检测模式对铝合金搅拌摩擦焊焊缝未焊透缺陷进行检测,研究了检测方向和未焊透长度对检测信号的影响,分析了不同未焊透长度超声相控阵检测图像的灰度共生矩阵纹理特性。结果表明,在返回边进行超声相控阵扫查其检测效果更佳;对于长度大于超声检测灵敏度的搅拌摩擦焊未焊透缺陷,随未焊透长度的增加,检测信号幅值相应增加;灰度共生矩阵的二阶矩参数可用来识别是否为未焊透缺陷,而对比度和相关性参数可有效判断未焊透缺陷长度。     

金属表面裂纹脉冲压缩增强型激光超声检测方法研究

为了提高激光超声技术检测能力,提出了一种基于脉冲压缩的增强型激光超声检测方法,并将其用于金属表面裂纹检测。该方法结合激光束空间分布调控技术,激发线性调频超声表面波信号,进一步利用匹配滤波算法对线性调频激光超声表面波信号进行脉冲压缩,可大幅度提高激光超声检测信号的信噪比和分辨率。建立空间调制激光超声数值计算模型,研究线性调频激光超声信号激励方法;基于数值模拟获得的线性调频激光超声检测信号,开发基于匹配滤波器的激光超声脉冲压缩信号处理方法;通过数值模拟不同表面裂纹缺陷与不同空间调制情况下的脉冲压缩信号效果,探究该方法对于激光超声检测信号信噪比的增强能力,并最终通过试验验证。结论表明,基于脉冲压缩技术的增强型激光超声检测方法,可以大幅度抑制噪声信号,提高针对金属表面裂纹的缺陷检测能力,解决激光超声无损检测信噪比低,灵敏度差的问题,也为该方法进一步研究提供理论依据和试验指导。     

奥氏体不锈钢焊缝的超声相控阵检测及定量分析

奥氏体不锈钢管道焊缝缺陷的检测已引起无损探伤人员的密切关注.今利用超声相控阵技术对奥氏体不锈钢管道焊缝缺陷进行检测,并与20#碳钢检测成像效果进行比对.结果表明,相控阵超声波在20#碳钢中有很好的穿透性,而在奥氏体不锈钢焊缝中超声波信号衰减较为严重.奥氏体不锈钢焊缝区域缺陷信号信噪比最大值为9dB,当探伤深度大于30mm时,其信号衰减符合衰减方程描述.对于焊缝区域深度大于50mm,尺寸小于2mm的横通孔,超声相控阵技术无法清晰地探伤到此类缺陷.对于奥氏体不锈钢焊缝,横波检测成像的信噪比要高于纵波.     

汽轮机焊接隔板坡口角度对相控阵超声回波信号影响的定量研究

本工作采用相控阵超声技术对汽轮机焊接隔板进行检测。针对相控阵超声检测时隔板焊缝坡口角度对坡口未熔合缺陷回波信号的重要影响,根据隔板焊接结构的调研数据,使用CIVA仿真软件对坡口角度范围内的不同直径平底孔进行纵波声场仿真计算,并设计不同尺寸和倾角的平底孔,对CIVA建模仿真计算结果进行检测验证。仿真模拟和检测结果都表明:(1)随着平底孔角度的增加,平底孔回波幅值下降,不同尺寸平底孔波幅差值变小;(2)大平底回波幅度随着倾斜角度的增加快速下降。当倾斜角度达到7.5°附近时,2.5 MHz纵波声场下的回波幅度与倾角0°Ф4 mm平底孔回波当量相当。这将导致在隔板外环主焊缝实际检测中出现未熔合缺陷增大,回波幅度变小的情况。(3)在设置隔板外环主焊缝纵波检测灵敏度时应根据坡口角度和探头频率进行补偿,可通过试块实测值或仿真计算值进行补偿,缺陷分析时不能仅按照波幅当量对缺陷进行判定。     

基于T(0,1)扭转波的管道纵向裂纹定位方法

针对平行于管道轴线的纵向裂纹缺陷检测,分析导波激励信号的中心频率、缺陷轴向长度等因素对反射系数的综合影响。首先,建立带裂纹缺陷管道的有限元模型;根据频散曲线特征,确定形成T(0,1)扭转模态波的激励频率;其次,在低频段取3种不同的激励信号中心频率,对纵向裂纹缺陷模拟检测的数值仿真,通过改变裂纹的轴向长度,分析其对缺陷回波特征的影响。结果表明:T(0,1)扭转波检测纵向裂纹的轴向定位误差约为5%;周向反射系数最大值出现在裂纹对应的周向位置;设置中心频率为27 k Hz时,回波反射系数随裂纹长度的增大,先增大后减小。通过以上分析可以得出T(0,1)扭转波对纵向裂纹轴向定位和周向定位的方法。     

一种基于激光超声的薄层金属材料厚度检测方法研究

针对传统超声测厚法声波频率低、衰减大,难以检测薄层材料厚度的问题,提出一种基于激光超声的薄层材料厚度检测新方法。该方法所用激光超声波中心频率高、衰减小,可实现声波的非接触式激发与接收,厚度检测精度高;提出一种超声回波信号特征量提取方法,能精确获取声波在薄层材料内传播时间,进一步减小了厚度检测误差。搭建试验系统对不同厚度铝合金试样块进行检测,试验结果验证了该方法的可行性。     

超声相控阵延迟时间的声速校正及在复合材料中的检测

针对复合材料各向异性会导致声速随声波传播方向变化的现象,提出一种沿声波传播方向对相控阵延迟时间进行声速校正的方法.采用时域有限差分数值仿真方法分析相控阵超声波束在复合材料中的传播特性,验证提出的声速校正方法.搭建相控阵超声检测系统,对碳纤维增强树脂基复合材料平板试样进行检测实验,结果可见声速校正后近表面区域信噪比和缺陷检出率明显提高.研究表明所提出的相控阵延迟时间声速校正方法可缓解相控阵超声波束扩散,提高各向异性材料检测能力.     

基于相移光纤光栅传感器的碳纤维增强树脂复合材料基体裂纹超声探伤

复合材料内部的微小裂纹常会引起后续严重的破坏,因此需要对其进行检测。然而超声探伤复合材料基体裂纹非常困难。本文搭建了一个具有高灵敏度、大带宽的相移光纤光栅超声传感系统,利用此系统探测了在正交铺层碳纤维增强树脂复合材料板中传播的Lamb波。对Lamb波进行数据处理发现,随着三点弯曲实验产生的基体裂纹个数增加,Lamb波的幅值和频谱峰值线性减少。通过和传统压电传感器比较表明,相移光纤光栅传感器测得的Lamb波信号随复合材料基体裂纹数的增加其幅值具有更高的下降速率,表明相移光纤光栅传感器更适合于复合材料基体裂纹的超声探伤。研究表明,新开发的传感系统能够探测到中心频率为300 kHz的微弱超声信号,并能够对碳纤维增强树脂复合材料板中微小基体裂纹个数进行精确评估。      

A concentric-ring equivalent phased array method to model fields of large axisymmetric ultrasound transducers

An equivalent concentric-ring ultrasound phased array method was developed to estimate ultrasonic continuous wave fields generated by axisymmetric single-source transducers. The method models a given source as a concentric-ring phased array by mathematically segmenting it into many rings and subsequently finding the amplitude and phase for each ring that produces an acoustic field similar to the field of the single-source transducer. The excitation source of each ring was calculated using an inverse technique based on complex pressure measurements along a radial line close to the source. The predicting abilities of the method are evaluated by comparing measured and estimated ultrasound fields for six different transducers. The results show that the concentric-ring equivalent phased array method (CREPAM) is able to estimate quantitatively the ultrasound fields generated by large axisymmetric planar and focused transducers.     

Performance evaluation of fiber array for NDE application

This paper evaluates the performance of an optical fiber phased array as a source of ultrasonic generation for nondestructive applications. The results of the shear and longitudinal wave directivity patterns generated with this technique are presented. The signal enhancements produced by increasing the number of fibers in the array are presented for both shear and longitudinal waves. The receiving transducers were two piezoelectric transducers.     

Effects of Broadband Laser Generated Ultrasound on Array Gain

Array gain is a common parameter used in laser phased array research. This paper will present a new parameter called the frequency modulation of laser phased array (FMLPA). The array gain model for laser phased arrays was derived using an assumption that ultrasound from each array member interferes with each other. This would be always true if laser generated ultrasound is narrow band. However, laser generation of ultrasound is broad band. Broad band ultrasound signals have short duration in the time domain. If the time delay between generated wave fronts from each array member is longer than the duration of the broad band ultrasound signal from each array member, the ultrasound signals from each array member will not interfere with each other. The time delay between generated wave fronts from each array member is 0 s at a laser phased array’s beam steering angle and increases away from the beam steering angle. Therefore, ultrasound from each array member always interfere at angles close to the beam steering angle. However, ultrasound from each array member may not interfere at angles away from the beam steering angle depending on the time delay between generated wave fronts and duration of the broad band ultrasound signal. A theoretical model of the FMLPA was developed and experimentally verified for use when ultrasound from each array member does not interfere with each other. It was experimentally verified that current array gain equations still apply when ultrasound from array members interfere with each other. The FMLPA can be used to create new techniques for measuring weld penetration depth, crack location, and dimensions of objects.     

不等厚复合构件相控阵超声脱粘检测技术仿真研究

鉴于不等厚复合构件结构的特殊性,采用传统超声检测技术检测此类构件的粘接质量是非常困难的。采用超声相控阵技术实现界面粘接质量的检测。分析研究了不等厚复合构件脱粘检测的特殊性。建立了相控阵超声换能器的辐射声场模型,基于仿真得到的声场,研究了采用超声相控阵技术检测不等厚复合构件界面脱粘的可行性。仿真结果表明,通过控制相控延时,可使检测声束在检测区域内聚焦到任意位置处,保证在厚度变化的界面处回波信号幅度的一致性,可用于此类构件的界面脱粘检测。     

相控聚焦超声与圆孔交互作用的散射特性研究

相较于传统超声检测,相控阵技术的声束聚焦控制能力使得相控超声检测的分辨率、信噪比和灵敏度等性能得到有效提升。但针对相控超声与缺陷的交互作用认识不足,导致目前检测技术无法对缺陷进行准确定性和精确定量。为此,建立了一维线阵相控超声检测圆孔缺陷的有限元模型,重点研究相控聚焦波束与圆孔缺陷交互作用的声场散射特性。结果表明,圆孔散射L模态的能量主要集中于正反射区和正透射区,且在透射区的能量大于反射区的能量,而在与入射声束垂直的方向上能量极其微弱,几乎没有散射能量;散射L模态沿入射方向呈轴对称分布;对于不同直径的圆孔缺陷,直径越大,在相同方向上散射波的能量越大;对于相同直径的圆孔,聚焦波与平面波入射时,散射波的分布规律相同,但聚焦波散射的能量明显高于平面波入射时散射的能量。     

圆柱类金属构件表面裂纹的激光超声识别方法研究

为了利用激光超声技术有效地识别圆柱表面裂纹,提出利用圆柱表面波信号增强和小波包-奇异值分解(WPT-SVD)方法识别圆柱类金属构件表面裂纹的位置和深度。建立了圆柱的激光超声显式有限元模型,分析了圆柱表面裂纹对表面波的模式转化作用。利用圆柱表面裂纹在激发源位置附近时激光超声扫描信号增强的现象,识别圆柱表面裂纹的位置。在已识别圆柱表面裂纹位置的基础上,通过分析圆柱表面裂纹检测信号的时频特点,利用WPT-SVD提取圆柱表面信号的时频特征,定义参数k r表征裂纹深度的变化,识别圆柱表面裂纹深度。搭建了激光超声圆柱表面裂纹检测实验系统,开展了实验研究,实验结果表明所提出的圆柱表面信号增强和WPT-SVD方法可以识别出圆柱表面裂纹的位置和深度。     

铝合金搅拌摩擦焊超声检测研究进展EI北大核心CSCD

铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)焊接参数选择不当将会产生隧道孔、未焊透(lack of penetration, LOP)和吻接等取向复杂、细微紧贴的缺陷。首先,本文简述了FSW焊缝与典型缺陷特征,总结了超声检测时面临纵向分辨力低、缺陷表征不完整、材料与缺陷声阻抗接近和灵敏度不足等难点。随后,从常规超声、超声衍射时差法(time-of-flight diffraction, TOFD)、相控阵超声检测技术和其他超声检测技术等方面综述了现有的铝合金FSW超声检测研究工作。最后,结合超声信号处理方法和机器学习方法对研究前景进行展望:可以通过分析和提取信号特征,进一步提升超声检测分辨力和信噪比,并实现取向复杂缺陷和细微紧贴缺陷的精准辨识与定量。     

Laser-Generated Acoustic Signal Interaction with Surface Flaws on Rail Wheels

Long- and short-range acoustic-signal interaction with surface-breaking cracks and geometric boundaries of the rail-wheel tread area are presented in this article. Ultrasonic signals are generated using a laser-line source of varying length and distance from a crack and are detected with a 1-MHz contact transducer to map the sound field behind the crack in the near, intermediate, and far fields of the insonified region. The factors that affect the behavior of a laser-generated surface acoustic wave propagating along the tread area of a rail wheel are discussed. A signal normalization method is proposed to help in sensing the presence of a crack from the transmitted signal unaffected by the boundary effect of the complicated wheel geometry, diffraction of the acoustic wave around the crack tip, and source-to-crack length ratio and separation distance.