全聚焦超声技术在工业检测上的应用

全聚焦超声技术在工业检测上的应用

刘岗

上海谦方检测工程有限公司   上海   200240

摘要：全聚焦超声技术是近年来兴起的一种新的超声检测方案，其在缺陷检测分辨力、检测近表面盲区等方面相对传统的脉冲反射法超声有明显的优势，近年来，随着仪器性能的日益强大以及成像算法的日益完善，全聚焦超声技术在工业上的应用越来越广泛，本文介绍了全聚焦超声技术的基本原理，并以案例的方式介绍了其在工业上的应用。

关键词：全聚焦、无损检测、工业应用

Abstract: Total focusing method ultrasonic testing technologhyis in recent years the rise of a new ultrasonic detection scheme, the defect detecting resolution, nearly blind area relative to the traditional aspects such as the surface of the ultrasonic pulse reflection method has obvious advantages, in recent years, with the increasingly powerful instrument performance and imaging algorithm is increasingly perfect, fully focused ultrasound technology application is more and more widely in the industry, In this paper, the basic principle of total focusing method ultrasonic technology is introduced, and its application in industry is introduced with a case.

Keywords：Total focusing method， Non-destructive testing, Industrial Application

1、背景

在常规的无损检测技术中，相控阵超声凭借其便携式、高性价比、强适应能力、高灵敏度、高检测效率等优点在工程现场无损检测中成为主要手段，已在航空航天、核工业、煤炭行业、油气管道、压力容器、船舶建造等诸多行业被广泛应用[1]，能够对产品构件的生产与服役状态进行健康监测，保证产品质量安全与排查服役安全隐患，为设备的正常运行保驾护航[2]。随着船舶建造材质的多样化，船体中诸如铝钛钢复合焊缝类多层结构、多材料属性以及船舶完工后限制探测器布置等不利于检测因素的焊缝将越来越多，对相控阵超声检测技术的信噪比与适应能力的要求随之提升，相控阵超声新技术全聚焦法成为值得展开研究的重要新技术。

全聚焦超声成像技术以合成孔径超声成像技术为基础，是近年来快速发展的一种新型超声成像方法，全聚焦超声成像技术能在整个成像区域内实现全聚焦成像，成像分辨率方面相比传统的脉冲反射法超声有明显提升，且成像的近表面盲区也明显小于传统的脉冲反射法成像。现今，工业检测中最常见的全聚焦成像方法为全矩阵采集全聚焦成像以及基于平面波成像技术的全聚焦成像方法。

2、全矩阵采集全聚焦超声技术的基本原理

全矩阵采集技术（FMC）包含了探头中所有的发射和接收阵元的所有可能的A扫信号，在所有的初始的信号被采集完毕后，就能通过加载一定的延时法则进行离线处理。

全聚焦成像技术（TFM）基于一种虚拟的成像算法，通过将全矩阵采集技术采集到的数据矩阵中的每一组收发信号聚焦在重建成像区域的每一个成像点上实现整个成像区域的FMC-TFM成像，其波幅表示为：

     (1)

当采用直射波模式时，假设聚焦点为P（x,y），声波从探头中的第i个阵元激发并被第j个阵元接收，设声速为c，声波传输到P（x,y）点所用时间为[3]

  (2)

当采用一次反射模式时，假设聚焦点为P（,）,底面反射点为R（,），声波传输到P（x,y）点所用时间为

+    (3)

其中C1为直射波的声速，C2为一次反射波的声速。

3、平面波成像全聚焦超声技术的基本原理

平面波成像（PWI）是一种快速超声成像方法，早期应用于医学领域。平面波成像时所有阵元同时工作，探头仅通过一次发射一次接收就能实现完整成像。其原理是探头的所有阵元同时发射和接收Q个角度的Q个平面波信号，形成一个Q×N的数据矩阵。经过PWI采集的数据通过全聚焦成像技术进行成像也就实现了工业超声波使用的PWI-TFMq成像方法。相比于在医学超声中的应用，工业用PWI技术界面超声波在界面传播时的折射现象以及声波在工件中传播时的不同模态。

Q个角度在成像点P的PWI-TFM成像，其波幅表示为

   (4)

其中为PWI数据矩阵中每个元素的希尔伯特变换，为角度q的平面波到达聚焦点P的时间，为声波从聚焦点P返回探头接收阵元j的传播时间。

当采用直射波模式时，声波传输到P（x,y）点所用时间为

   （5）

其中c为声速，为P点时声波的折射角。

当采用一次反射波时，假设聚焦点为P（,）,底面反射点为R（,），声波传输到P（x,y）点所用时间为

   (6)

其中C1为直射波的声速，C2为一次反射波的声速。

4、全聚焦超声检测技术

现有全聚焦超声检测规范[4]支持厚度不低于3.2mm的各向同性、全熔透的简单几何结构板、管类焊接接头在制造、在役及维修阶段的半自动及全自动全聚焦超声检测。全聚焦超声成像技术分为4个检测技术等级，其中A级检测技术主要使用直射模态从焊接接头两侧直接成像；B级检测技术使用直射模态和非直射模态从焊接接头两侧或两个探头位置进行成像；C级检测技术使用直射模态和基于焊接接头坡口处平面不连续性的反射模态从焊接接头两侧或者两个探头位置进行直接成像或者经过工件底面反射后成像；D级检测技术针对特殊的应用，例如用于奥氏体钢焊接接头的检测，具体细节都需经过合同双方协商确定。

全聚焦超声技术和相控阵超声技术相比，其对缺陷的取向性不敏感，对于垂直于扫查面的缺陷，需要使用非直射模态进行成像；对于平行于扫查面的缺陷，可以使用直射模态从缺陷顶部进行成像或者在焊接接头两侧使用两个阵列探头实施成像。

全聚焦超声的数据分析一般采用波幅下降的方法评定缺陷的长度，使用波幅下降或者基于衍射信号的方法来判定缺陷的高度。由于全聚焦超声技术和相控阵超声技术存在一定的相似性，可以采用相控阵超声检测标准中的相关内容进行验收评定。

5、全聚焦成像技术在工业检测中的应用

由于全聚焦超声技术成像分辨率高、近表面盲区小的特性，随着近年来随着计算机硬件以及图像处理技术的快速发展，使得多阵元探头的实时立体成像成为可能，结合强大的数据分析工具，其在工业检测领域有着广阔的应用前景。

图 1 厚壁焊缝全聚焦分区成像

如图1所示为200mm厚焊缝的成像示意图，图1左侧为0-60mm缺陷的成像，图1右侧为50-200mm缺陷的成像。从成像结果可见，焊缝中的所有缺陷都能正常成像，且分辨力较高。

图 2 薄壁焊缝全聚焦成像

图2为6mm薄壁焊缝的全聚焦成像结果，焊缝中1mm和2mm深度的缺陷都能清晰显示，且缺陷的横向分辨力和纵向分辨力都较高。

图 3 角焊缝全聚焦成像

从图3可见，和基于脉冲反射法的相控阵超声成像方法类似，使用全聚焦成像方法也能角焊缝的检测中，且分辨力较高，3个相距约1mm的缺陷能够顺利区分。但是全聚焦成像在使用过程中需选用多种模态成像以防止缺陷的漏检。

图 4 螺栓的全聚焦成像

通过使用3D全聚焦检测方案，相比传统的脉冲反射法超声，图4螺栓中缺陷的显示更加直观，更方便和螺纹结构信号区分，有效防止信号的误判。

图 5 叶片叶根的全聚焦超声成像

通过使用合适的探头并选择直射全聚焦成像模态，全聚焦超声也能用于图5叶片叶根的成像，缺陷信号显示直观，可以和叶根结构信号有效区分。

总结

全聚焦超声技术作为一种较新的超声成像技术，可以有效应用于厚壁及薄壁焊缝、角焊缝、以及螺栓、叶根等复杂结构的检测中。相信随着成像算法的持续优化、仪器性能的日益强大、软件功能的逐渐完善以及标准建设的不断深入，其将工业领域的应用将越来越广泛。

参考文献

[1] 周正干，李洋，周文彬.相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展[J]. 机械工程学报，2016, 52(6): 1-11.

[2] 陈照峰.无损检测[M].西安：西北工业大学出版社，2015.

[3] Leonard Le Jeune, Sebastien Robert,Eduardo Lopez Villaverde. Plane Wave Imaging for Ultrasonic non-destructive testing: Generalization to multimodal imaging [J]. Ultrasonics, 2016;64: 128-138.

[4]ISO 23864 (S),Non-destructive testing of welds – Ultrasonic tesing – Use of automated total focusing technique (TFM) and related technologies.