超聲相控陣檢測參數對焊縫缺陷分辨率研究

劉文婧，鄭貴志，王海嶺，王建國

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古自治區機電系統智能診斷與控制重點實驗室，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古 包頭 014010；3.內蒙古北方重工業集團有限公司，計量理化研究院，內蒙古 包頭 014010）

1 引言

超聲相控陣檢測目的為了有最優成像分辨率，成像分辨率與檢測工藝參數密切相關。其中包括聲束發射窗口、聚焦深度、檢測波形、聲束步進數及聚焦方式等。若參數選取不當，不僅影響聲場能量而且會影響缺陷的成像質量，造成缺陷成像模糊分辨率低和偽像等結果，引起缺陷檢測人員的誤判[1-2]。文獻[3]基于聲場指向型理論，研究檢測參數不同對聲壓指向型的影響，得出孔徑、聚焦深度、脈沖寬度與最大回波幅值與閘門高度差之間的關系。但沒有突出檢測參數的不同對成像質量影響。文獻[4]通過實驗進行了孔徑以及聚焦深度對橫向分辨率的影響，得到隨檢測工藝參數的改變缺陷成像分辨率變化的影響規律。但仿真試驗次數過少，討論不夠全面。

綜上所述，基于CIVA 仿真軟件，進行試塊建模分析，并結合物理試驗驗證模型適用型，仿真探頭頻率、晶片數量、焦距檢測參數對波峰與波谷幅值差影響，結合仿真檢測數據，運用響應面法判斷各檢測參數之間的耦合對缺陷成像分辨率影響大小，根據最優成像分辨率得到優化后的探頭頻率、晶片數量、焦距的大小。

2 基本原理

2.1 超聲相控陣橫向分辨率檢測原理

水平分辨力即橫向分辨力，指的是相同深度，能清楚顯示相鄰兩缺陷之間的最小距離（mm）。清楚顯示，指的是兩缺陷產生的回波，沿波峰頂點到波谷谷底，波幅的落差值最少6dB，如圖1（a）所示。評測水平分辨力時，探頭進行移動。根據相同深度相鄰兩缺陷的排列方向，即探頭移動的方向，如圖1（b）所示；水平分辨力又分Y向（從動窗平行方向）水平分辨力和X 向（主動窗平行方向）水平分辨力。兩種水平分辨力測評值，相關于Y向聲束寬度和X向聲束寬度。兩種分辨力均用探頭移動時的回波動態法進行測評[5]。

圖1 相鄰缺陷的橫向分辨率圖Fig.1 Lateral Resolution of Adjacent Defects

3 超聲相控陣檢測工藝仿真

3.1 波形選擇

由于實際檢測時在楔塊和工件之間存在耦合劑，反射的橫波和縱波能量很小，可以忽略。超聲相控陣檢測時在工件中會產生兩種波形：橫波和縱波。當聲束入射到試塊中碰到缺陷或底面會發生波形轉換，產生的縱波和橫波會分別進行成像，影響最終的成像質量?？v波發生全反射時的折射角為：

用CIVA 軟件進行聲場仿真，如圖2（a）所示。聲束偏轉為0°，如圖2（b）所示。聲束偏轉為25°，如圖2（c）所示；聲束偏轉35°。

圖2 聲束偏轉角度仿真Fig.2 Simulation of Deflection Angle of Acoustic Beam

3.2 仿真模型的驗證

3.2.1 模型仿真試驗設計

綜合考慮異型焊縫結構內部檢測聲束傳播復雜，散射衰減大，缺陷成像模糊等特點[6-8]。采用Olympus 線陣探頭及Olympus-SW55 SA11-N55S 楔塊。

試塊為異型結構鋼材，如圖3（a）所示。采用手工電弧法焊接單V 型坡口的角接焊縫，兩個鋼塊之間的角接角度為150°。焊縫底部余高為0.3mm，缺陷為距坡口面2mm 直徑1mm 的橫通孔。探頭檢測頻率為5MHz，晶片數量為32，晶片中心局為0.6mm，陣元間距為0.1mm，探頭孔徑為19.1mm。楔塊參數為：入射角為36°楔塊高度為26mm，長度42mm，寬度20mm，材料為玻璃。聲束在楔塊內入射速度為2330m/s。

圖3 仿真建模圖Fig.3 Simulation Modeling Diagram

試塊模型的模型仿真檢測設置等深度聚焦為40mm，扇形掃查范圍為（35～70）°，接收法則與發射法則相同。缺陷：根據模型設置7 個直徑1mm 長度為10mm 的橫孔。仿真模型參數設置完成，如圖3（b）所示。最后計算聚焦法則，然后運行。

3.2.2 仿真模型可靠型驗證

試驗設備采用M2M 公司便攜式超聲相控陣檢測儀，設置參數同仿真試驗參數，如圖4 所示。

圖4 便攜式超聲相控陣檢測儀Fig.4 Portable Ultrasonic Phased Array Detector

通過仿真扇掃圖和試驗扇掃圖進行對比，以1 號和2 號缺陷為例，如圖6（a）所示。仿真圖中1 號缺和2 號陷聲束回波最大值處的檢測深度分別為37.66mm，32.83mm 掃查的聲束角度分別為：47°，51°，如圖6（b）所示。通過試驗扇掃圖分析得到1 號和2號缺陷回波最大幅值處檢測的深度分別為37.12mm，32.29mm。聲束掃查角度分別 為：48°，51°，如圖5（a）所示。1 號和2 號在C掃圖中根據-6dB 法缺陷定長為：9.09mm，8.85mm，如圖5（b）所示。試驗結果分析缺陷1、2 缺陷定量長度分別為：9.21mm，9.02mm。經分析，仿真的結果跟試驗結果比較發現缺陷在長度、角度及位置方面差別小，證明建立的模型適用型及可靠型高。

圖5 缺陷C 掃成像圖Fig.5 Defect C-Scan Image

圖6 缺陷扇掃成像圖Fig.6 Defect S-Scan Image

4 基于響應面法的檢測參數優化

4.1 BBD 試驗設計與分析

采用Box-Behnken 設計方法，對波峰與波谷幅值差中影響的關鍵因素作研究和分析，以獲得最優分辨率和檢測工藝參數[9]。將3 個因素，即探頭中心頻率、焦距、晶片數量三因素編號分別記為A，B，C，設置每個自變量的高、中、低編碼水平為1、0、-1，進行編程設計。以波峰與波谷間的幅值差作為響應值，記為變量Y。三因素編碼水平，如表1 所示。

表1 橫向分辨率條件優化Box-Behnken 試驗因素與水平Tab.1 Optimized Box Behnken Test Factors and Levels for Horizontal Resolution Conditions

將試驗數據運用到Design-Expert 軟件中，如表2 所示。采用軟件進行分析、擬合得到三元二次多項式擬合回歸方程：

表2 BBD 試驗設計方案和試驗結果Tab.2 BBD Test Design Scheme and Test Results

式中：Y—波峰與波谷幅值差；A—探頭頻率；B—焦距，C—晶片數量。

對上述試驗數據進行方差分析，分析結果，如表3 所示。

表3 BBD 試驗結果方差分析表Tab.3 Analysis of Variance of BBD Test Results

當P 值小于0.05 時，可以說明達到顯著水平，當P 值小于0.0001 時，說明達到極顯著水平。由BBD 試驗數據方差分析表3直接得到，考察指標波峰與波谷幅值差的擬合回歸方程P＜0.0001，說明該模型達到極顯著水平，擬合程度高。三個因素A，B，C 對考察目標波峰與波谷幅值差的影響大小關系為探頭中心頻率＞焦距＞晶片數量。

因素A 的P＜0.0001，說明，因素A 探頭中心頻率對波峰與波谷幅值差的影響作用為極顯著，交互項AB2的P＜0.0001，說明對波峰與波谷幅值差的影響極顯著。交互項BC 的P 值為0.298，說明了這兩個因素的交叉影響對波峰與波谷幅值差的影響顯著型較弱。三因素對波峰波谷幅值差的影響不是單獨作用，而是存在著耦合影響作用。

4.2 優化結果

根據上圖7 分析，可以看出，隨著各項因素值增大，波峰與波谷的幅值差也在同時增大。但是增大到一定程度時，隨著各項因素值繼續增大，波峰與波谷的幅值差開始逐漸減小，因此說明在三個因素共同作用下，存在一個最佳狀態，即波峰與波谷的幅值差值最大。由圖可知，當晶片數量固定時，隨著探頭中心頻率和焦距的增大，波峰與波谷的幅值差呈現先增加后降低的趨勢，最優點處落在探頭頻率為15MHz 和焦距為（38.3～42.5）mm 的范圍；當固定焦距時，隨著探頭中心頻率和激發晶片數量的增大，波峰與波谷幅值差呈現先持續降低的趨勢，此時當探頭中心頻率為15MHz 和晶片數量為40 時波峰與波谷幅值差有最大值；當探頭中心頻率一定時，隨著晶片數量和焦距的增大，波峰與波谷幅值差呈現先增加后降低的趨勢，波峰與波谷幅值差的最優值范圍落在，焦距（37.6～43.4）mm，晶片數量在（47.56～49.83）。上述分析和表3 中的顯著型一致。

圖7 探頭中心頻率、焦距、晶片數量對波峰與波谷幅值差的響應面圖Fig.7 Response Surface of Probe Center Frequency Focal Length and Wafer Quantity to Peak and Valley Amplitude Difference

4.3 仿真驗證優化結果

利用Design Expert 10.04 軟件對所得的回歸方程進行逐步回歸[10]。確定最佳工藝參數為探頭中心頻率為15MHz、焦距為40.129mm、晶片數量為43.838，如圖8 所示。此時，波峰與波谷間幅值差預測值為17.944dB。為了驗證模型預測的可靠型和準確型，考慮到實際情況，將最佳工藝參數修訂為探頭頻率15MHz，焦距為40mm，晶片數量為44，如圖9 所示。在此最優條件下，波峰與波谷間的幅值差為17.8dB，與模型預測值（17.944dB）較一致，驗證了模型的可靠型。

圖8 三因素對波峰與波谷幅值差的耦合響應圖Fig.8 Coupling Response of Three Factors to Amplitude Difference of Wave Crest and Wave Trough

圖9 優化后仿真圖Fig.9 Simulation After Optimization

5 結論

仿真試驗采用帶楔塊的36°斜探頭，試驗扇掃角度選擇在（35～70）°步進值為1mm。聚焦面為平面，聚焦方式為等深度聚焦。采用手工電弧法焊接單V 型坡口的角接焊縫，兩個鋼塊之間的角接角度為150°，焊縫底部余高為0.3mm。缺陷為倆個距底面2mm 橫向間隔2mm 直徑1mm 的橫通孔。（1）聲束傳播時在楔塊與試塊的耦合面發生波形轉換，當檢測聲束入射角度大于33.19°縱波發生全反射。（2）仿真試驗和物理實驗的進行對比，從缺陷的成像的位置信息和定量分析證明試塊模型的適用型和可靠型。（3）通過響應面法分析得出當波峰與波谷幅值差為17.944dB，即有缺陷成像有最有分辨率時，優化后的探頭頻率為15MHz，晶片數量為44，焦距為40mm。