一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法

本发明涉及无损检测，尤其涉及一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法。

背景技术：

1、焊接过程中受应力、电流和化学成分等因素影响，导致焊缝表面及内部产生缺陷。其中，焊接裂纹等面积型缺陷危害最严重，其在一定条件下会不断生长直至断裂，导致焊接结构失效。超声检测穿透力强，对面积型缺陷敏感，已经成为焊接缺陷检测的重要方法。然而，常规超声检测方法声场覆盖范围小，且受焊缝余高和凹陷影响，不利于薄板结构缺陷的特征识别和定量检测。

2、针对上述问题，国内外学者通过结合超声信号后处理技术，提高成像质量并进行缺陷轮廓表征，从而实现缺陷识别和定量检测。目前，相控阵超声结合合成孔径聚焦和全聚焦等方法能够扩大检测范围，但只能重建取向与主声束方向近似垂直的面积型缺陷轮廓，否则只能给出端点散射位置，难以得到缺陷完整信息。在此基础上，多模式全聚焦方法利用相控阵探头与缺陷之间沿直接、半跨和全跨路径传播的声波进行成像，结果表明，选用合适模式波能够完整重建特定取向的缺陷轮廓(jin s j,liu c f,shi s q,et al.comparisonof mor phology characterization for regular cracks with multi-mode totalfocusing met hod[c].2019 ieee far east ndt new technology&application forum(fe ndt),qingdao,2019)。需要指出的是，上述研究均是针对表面规则板材中的缺陷实施检测，而焊接完成后的焊缝通常存在表面余高(付有卓.2a12铝合金薄板mig焊工艺研究[j].现代制造技术与装备,2019(5):177-179)或凹陷(刘奔,刘宁,陈书锦.6061铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊研究[j].焊接技术,2021,50(9):7-10)。利用相控阵探头配合斜楔块布置在板材规则区域上进行检测时，焊缝余高和凹陷使得探头和楔块难以放置在近缺陷处，直接、半跨和全跨等常规多模式波的声场难以有效覆盖待测区域，导致缺陷轮廓重建不完整，而这一问题在薄板结构检测中尤为突出。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，其目的是针对薄板焊缝缺陷轮廓重建困难的问题，考虑薄板内部多样化的声束传播路径，选择声束路径更长，声场覆盖范围更大的高阶模式波进行缺陷轮廓重建和定量检测，从而避免焊接余高或凹陷对探头和楔块布置的限制；在此基础上，利用相控阵探头配合斜楔块实施检测，采集高阶模式波全矩阵信号并实施延时叠加成像，实现薄板焊缝缺陷的完整轮廓重建。

2、本发明的技术方案是：一种基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法，针对薄板焊缝进行相控阵斜入射检测时，焊缝余高和凹陷使得探头和楔块难以放置在近缺陷处，直接、半跨和全跨等常规多模式波的声场难以有效覆盖待测区域，导致缺陷轮廓重建不完整的问题，考虑薄板内部多样化的声束传播路径，采用由相控阵超声检测仪1、相控阵探头2和楔块3构成的超声检测系统依据板材焊缝厚度和表面余高或凹陷宽度，选择高阶模式波并采集对应全矩阵信号；基于费马定理，计算得到各重建点对应模式波所需的传播时间；最后，对待测区域逐点进行延时叠加处理，实现薄板焊缝缺陷的轮廓重建与定量检测；

3、具体包括步骤如下：

4、步骤1.确定相控阵检测参数

5、针对待测试块4的材料、形状和尺寸信息，确定相控阵探头2中心频率和阵元数，以及楔块3类型和角度；

6、步骤2.全矩阵信号采集

7、依次连接相控阵超声检测仪1、相控阵探头2和楔块3，利用全矩阵捕捉功能采集高阶模式波的a扫描信号矩阵；有n个阵元的相控阵探头2，得到n2个a扫描信号；

8、步骤3.建立坐标系及重建区域网格划分

9、以楔块3和待测试块4交界面为x轴，相控阵探头2第一阵元在x轴的投影点为原点，沿楔块3前沿方向为x轴正向，待测试块4深度方向为y轴正向建立坐标系；将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意重建点p的坐标为(x0,y0)；

10、步骤4.高阶模式波选择

11、以图像重建点为界，设发射路径和接收路径在待测试块4内传播声程数分别为m段和n段，总声程数为l＝m+n段，当l≥5时的声传播路径称为高阶模式；根据声束在待测试块4内部传播总声程数l的不同，具体分为两种高阶模式：l是奇数时为高阶半跨模式，也称为l阶半跨模式；l是偶数时为高阶全跨模式，也称为l阶全跨模式；m和n的组合方式有多种，考虑声束互易性，5阶半跨模式的m和n组合可以是1+4和2+3，6阶全跨模式的m和n组合可以是1+5、2+4和3+3，以此类推，依据检测条件选择合适的高阶模式，其中高阶半跨模式对应于重建近似垂直的面积型缺陷轮廓；高阶全跨模式对应于重建具有倾斜角度的面积型缺陷轮廓；进一步考虑声束在待测试块4和缺陷表面的波型转换现象，每段声波的类型为纵波或横波；对于l阶半跨模式，共有(l-1)2l-1种模式波；对于l阶全跨模式，共有(l-1)2l-1+2l/2-1种模式波；高阶半跨模式的m、n差值为奇数，高阶全跨模式的m、n差值为偶数；

12、步骤5.计算高阶模式波传播声时及折射点位置

13、相控阵探头2各阵元的激励声束在楔块3与待测试块4界面发生折射，在待测试块4底部、待测试块4表面和缺陷表面发生反射；发射阵元i和接收阵元j的坐标分别定义为(xi，yi)，(xj，yj)；入射信号和接收信号在楔块3和待测试块4间界面的折射点坐标分别定义为(x1，0)，(x2，0)，其发射路径传播声程包括楔块3内和待测试块4内声程：发射路径楔块3内声程定义为si0；待测试块4内发射路径共有m段声程，即发射声束进入待测试块4后在待测试块4底部和表面共反射m-1次，从楔块3和待测试块4界面第一个折射点开始定义第一段声程si1，第二段声程si2，直到激励声束在待测试块4底面或表面经历最后一次反射后，反射点与重建点p的距离定义为第m段声程sim；高阶模式波的发射路径传播声时表示为：

14、

15、式中，tip(x0，y0)表示第i个阵元发射声波到重建点p所用传播时间，即发射路径传播声时，c1为楔块3内声速，c2-k为待测试块4内第k段声程对应声速；

16、同理，对于接收路径按照如上原理进行声时计算；

17、

18、式中，tpj(x0，y0)表示重建点p散射回波到第j个阵元所用传播时间，即接收路径传播声时，sj0表示接收路径楔块3内声程，sjk表示待测试块4内传播的第k段声程；

19、结合式1)和式2)，入射信号和接收信号在界面处折射点的横坐标x1和x2根据费马定理，利用式3)计算得出：

20、

21、步骤6.高阶模式波全聚焦图像重建

22、依据待测薄板焊缝厚度，以及表面余高或凹陷宽度，确定缺陷成像所用的l阶模式波种类；分别计算n2个a扫描信号的l阶模式波传播声时及折射点位置，通过延时叠加成像获得对应的重建点p处的聚焦幅值ip-l(x0，y0)为：

23、

24、式中，aij-l为l阶模式波下第i个阵元发射、第j个阵元接收a扫描信号；

25、对每个重建点进行式1)-4)的操作，实现待检测区域成像和缺陷轮廓表征；

26、步骤7.缺陷定位、定量以及定取向

27、依据高阶模式波成像结果，读取重建区域内峰值点坐标，利用-6db法对缺陷进行深度、尺寸与倾斜角度定量。

28、所述步骤2中采集到的高阶模式波的a扫描信号矩阵保存为txt格式。

29、本发明的有益效果是：基于高阶模式全聚焦的薄板焊缝缺陷轮廓重建方法考虑薄板中声束路径传播多样的特点，利用声束路径更长、声场覆盖范围更广的高阶模式波实施检测，能够避免焊接表面余高或凹陷等非平面区域对探头和楔块布置的限制，实现薄板焊缝缺陷的完整轮廓重建与定量检测。同时，该方法可依据板材表面非平面区域的宽度、板材厚度选择合适的高阶模式波进行成像，适用范围较广。