焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测

试验研窆开损艏泖j D O I：10.11973/wsjc202009010
焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测
沈成业，洪朝，黄海军，钱盛杰，王杜
(宁波市特种设备检验研究院，宁波315048)
摘要：利用全聚焦相控阵成像技术对焊缝中的未熔合和裂纹两种典型缺陷进行了检测。

首 先，介绍了全聚焦成像技术的基本原理；其次，设计制作了含上述缺陷的人工试块，利用C IV A软 件进行裂纹和未熔合的缺陷响应研究；接着，对人工试块进行检测试验，比较了常规相控阵技术和全聚焦技术对上述两种缺陷的检测能力；最后，对试块进行常规无损检测.确定焊缝中缺陷的长度，对试块缺陷部位进行解剖，测量得到真实的缺陷埋藏深度和自身高度。

检测试验及解剖结果表明：全聚焦技术对上述两种缺陷的成像具有更高的检测分辨率，对缺陷的定位和定量误差较小，可以应 用于工程实践。

关键词：全聚焦；相控阵；C IV A仿真；未熔合；裂纹
中图分类号：TG115.28 文献标志码：A 文章编号：1000-6656(2020)09-0045-05
Weld defects detection using TFM phased array imaging technique
SHEN Chengye. HONG Chao. HUANG Haijun. QIAN Shengjie. WANG Du
(Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute，Ningbo 315048，China)
Abstract：In this paper* the two typical defects of incomplete fusion and crack are studied by TFM (Total Focusing Method) technique. Firstly, the basic principle of TFM imaging technique is introduced theoretically.
Secondly, the artificial flaw specimen containing the above defects are designed and fabricated♦and the CIVA software is used to study the response of cracks and incomplete fusion. Then, the test of artificial flaw specimen is carried out，and the detection ability of conventional phased array technique and TFM technique for the above two defects is compared. Finally, conventional nondestructive testing is carried out on the specimen to determine the length of the flaws in the welds. The flaws of the specimen are dissected, and the burial depth of flaw and its own height can be measured. The results of detection and anatomy show that the TFM technique has higher detection resolution for the imaging of the above two flaws and less positioning and quantitative error, which can be applied to engineering practice.
Key words：TFM；phased array；CIVA simulation；incomplete fusion；crack
焊缝中的裂纹、坡口未熔合等面积型缺陷的存在会减少焊缝的有效承载面积，削弱焊缝的性能，甚 至引起焊缝断裂，造成压力容器、压力管道失效，影 响其安全性能。

相控阵超声技术具有检测灵敏度
收稿曰期：2020~05-11
基金项目.•国家质量基础的共性技术研究与应用项目(2016YFF0203001);浙江省质量技术监督系统科研计划项目(20180119)
作者简介:沈成业（1989 —），男，中级1：程师，主要从事承压类特 种设备的检验检测
通信作者：钱盛杰，****************高、效率高、缺陷可定位等优势，目前已在压力容器、压力管道等设备的对接焊缝无损检测中得到了广泛 应用[1]。

常规相控阵超声检测(P A U T)由于扫描声 束有限，聚焦点固定，使得聚焦点及附近位置的成像 效果较好.远离焦点的位置成像分辨率较低[2]，而基 于全矩阵捕捉的全聚焦成像（T F M)相比于常规相控阵成像方法具有更高的检测分辨率和更大的检测 区域。

通过全矩阵采集，对N阵元的阵列换能器，每个阵元单独激发，全阵列接收,共记录N行i V列 个阵元间的脉冲响应，通过虚拟延时叠加聚焦.使成 像区域内每一点都获得最优的空间分辨率。

该算法
2020年第42卷第9期 45
沈成业，等：焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测
五损鯧泖 1
可检测常规相控阵超声技术无法探测的尺寸为半波 长的缺陷，能精确判断其类型、大小和位置[2]。

刘钊 等[:通过试验证明了全聚焦成像算法可以利用多次 波对焊缝进行成像，并定位焊缝上的缺陷。

于朋 等[1:通过试验验证了 F S T F M算法可对对接焊缝的 上表面微小裂纹进行有效成像，并测量出裂纹的扩展深度。

笔者以设计制作的一块含表面裂纹和坡口未熔 合缺陷的人工试块为研究对象，利用C IV A软件的 缺陷响应模块进行仿真.比较了常规相控阵技术和全聚焦相控阵技术的成像效果。

在仿真的基础上. 采用上述两种相控阵检测方法并结合常规无损检测 对人工试块开展检测。

完成了人工试块的线切割解 剖，结合缺陷部位的截面形貌和尺寸.对成像结果进 行对比研究，验证了 T F M对于焊缝上表面裂纹和坡口未熔合缺陷检测的有效性和测量精确性。

OdB
-8dB (b) P A U T法信号
1CIVA软件仿真丨冬丨2焊缝上表面裂纹的C I V A仿真结果
通过C I V A软件仿真.分別模拟T F M和常规
P A U T对焊缝上表面裂纹和坡口未熔合缺陷的响
应情况。

仿真对象为一对接焊缝试板.坡口类型为
V型，坡口角度为60°，试板厚度为10 mm。

焊缝坡
口处设置1处未熔合缺陷S1.规格（长X深X自身
高度）为15 mmX5 mmX2 mm。

焊缝上表面设置1
处裂纹缺陷S2,长度为15 mm，自身高度为2 mm。

根据上述两种缺陷的尺寸和位置.在C IV A软件中 建立模型，如图1所示。

相控阵探头g^坡口未熔合Si
>表面裂纹S2
图 1 C I V A缺陷响应模型
焊缝上表面裂纹的C I V A仿真结果如图2所 示，T F M和常规P A U T都可以识别出焊缝上表面裂纹信号。

利用T F M法检测得到了垂直于焊缝表面的裂纹信号，该裂纹的形貌与仿真模型中的裂纹缺陷一致，而利用常规P A U T法检测仅得到了裂纹 两端的衍射波信号，无法得到真实的缺陷形貌。

坡 口未熔合的C1V A仿真结果如图3所示,T F M和常 规P A U T都可以检测得到坡口未熔合信号。

利用 T F M法检测得到了沿着坡口方向的整体未熔合信号(未熔合面上的回波信号连续，未断开，分布均
46 2020年第42卷第9期
(a) T F M法信号
|0dB
-3 dB
-6dB
-8 dB
OdB
-3 dB
-8 dB
(b)P A U T法信号
图3坡口未熔合的C I V A仿真结果
匀），未熔合面的形貌与仿真模型中设置的未熔合缺 陷基本一致。

当采用P A U T扇形扫查进行坡口未熔合仿真时.坡口未熔合的仿真检测结果与焊缝坡口的角度有很大关系。

图3(b)中的焊缝坡口与工 件底面所成角度为60°.到达坡口面的模拟声束角度为45°.仿真得到的未熔合信号与真实缺陷形貌存在一定的差异（未熔合面上的回波信号不连续，中间断开，分布不均匀）。

当到达坡口面的模拟声束角
沈成业，等：焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测
开损艏侧
度接近30°时（声束方向垂直于坡口面），获得的未 熔合仿真图像越接近缺陷的真实形貌.此时未熔合 面上可以得到连续的回波信号。

但未熔合面两端的 衍射波信号依然会存在，导致缺陷的定量变大。

根据上述仿真结果可得，受端点衍射信号的影
响.P A U T 法会使缺陷的定量变大，而T F M 法能直 观、有效地实现对上表面裂纹和坡口未熔合两类缺 陷的仿真成像•缺陷的定位和定量均较为准确，具有
表1
很高的检测分辨率。

其中，表1为缺陷定位和定量 比对.由表1中的缺陷长度、埋藏深度以及自身高度 的测量数据可得.T F M 法的缺陷定位和定量精度更 高。

由表1中的缺陷上端点幅值、缺陷中点幅值以 及缺陷下端点幅值（该幅值为相对声压幅值，单位: dB )的测量数据可得，T F M 法的缺陷回波信号更连 续、分布更均匀,缺陷回波信号的定量更准确.缺陷 的检出率大大提高。

缺陷定位和定量比对表
缺陷种类/方法
长度/
mm 埋藏深度/
mm 自身高度/
mm 缺陷上端点 幅值
/dB 缺陷中点 幅值/dB 缺陷下端点 幅值
/dB
表面裂纹/TFM 15.2— 2.30一
2.1-8.2表面裂纹/PAUT 15.4—
3.20-18.5-
4.2未熔合/TFM
15.3 5.2 2.4-3.20
-4.0未熔合
/PAUT
15.6
5.3
3.5
-12.8-2.7
2试验研究
2.1相控阵检测研究
根据C IV A 仿真工件设计制作的对接焊缝试块 如图4所示。

试块材料为20钢，规格(长X 宽X 高， 下同)为300 mmX 400 mmX 10 mm ，焊缝为V 型坡 口，坡口角度为60°，焊缝中设置2处缺陷。

一
处为坡
口未熔合缺陷S 1，其尺寸（长X 深X 自身高度）为 15 mmX 5 mmX 2 mm ，另一•处为焊缝中心上表面开 口裂纹缺陷S 2,其尺寸(长X 高)为15 _
X 2 nim 。

分
别对上述两种缺陷进行常规相控阵和全聚焦相控阵检 测，并分析比较这两种相控阵检测技术的检测效果。

对人工试块分别采用常规P A U T 法和TFM 法进行检测，其中.P A U T 法采用扇形扫查方法，扫 查角度范围为35°〜70°,角度步进为0.5°,聚焦点设 置在焊缝上表面。

T F M 法采用超声检测与时域信 号相结合的相控阵超声全矩阵捕捉技术•无需设置 扫查角度、角度步进和聚焦点等检测参数。

以工件
300
边缘为起始点，探头与焊缝边缘保持一定距离.使相 控阵检测声束覆盖整个焊缝，分别在焊缝的两侧各 进行一次扫查，取较理想的一侧检测结果为研究对 象。

坡口未熔合的两种相控阵检测成像结果如图5 所示.P A U T 法和T F M 法的界面均可显示S 扫（扇 扫图）、A 扫、C 扫(俯视图）和D 扫（侧视图）。

两种 检测方法均可呈现出完整清晰的检测图像.T F M 法 相比P A U T 法具有更高的检测分辨率和信噪比，对 于微小缺陷的检测以及结构回波的识别更具优势。

(a ) P ACT 检测成像
(b ) TFM 检测成像
图
5
坡口未熔合的两种相控阵检测成像结果
2020年第42卷第9期
47
沈成业，等：焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测
T F M 法可以清晰地检测出焊缝上下表面余高回波.
而P A U T 法仅能发现焊缝的根部余高回波。

相控阵超声检测图像的显示有两类，一类是按 几何结构成像，另一类是按声程显示成像.两种成像 方式的具体优缺点详见参考文献[5]。

在图5(a ) 中，缺陷按几何结构成像，画圈处为未熔合S 1，从S 扫可以看出该未熔合在坡口处被二次波所发现.通 过S 和D 扫描成像视图可确定该缺陷深度约为 4.4 mm .通过C 和D 扫描成像视图可确定缺陷自 身高度为3.2 mm •长度为22.9 mm 。

在图5(b )中. 缺陷按声程显示成像，画圈处为未熔合S 1，从S 扫 可以看出该缺陷出现在三次波中.缺陷延伸方向与 坡口面角度基本一致，符合未熔合缺陷的特征。

通 过S 和D 扫描成像视图可确定该缺陷深度约为 3.7 mm ，通过C 和D 扫描成像视图可确定缺陷自 身高度为〗.3 mm ，长度为15.2 mm 。

上表面裂纹的相控阵成像结果如图6所示，利
用T F M 和常规P A U T 分别进行焊缝中心外表面 裂纹的检测。

T F M 法相比P A U T 法具有更高的检 测分辨率，成像更为直观。

真实裂纹应该是弯曲的 或者是有分支的，T F M 法的图谱表现为多处集中的 缺陷信号.更加符合裂纹的真实形貌。

从声波对缺 陷的方向性来看，T F M 法克服了声束方向性的缺 点，回波信号的分布更接近缺陷的真实位置。

在图 6(a )中，_圈处为裂纹S 2,从S 扫可以看出该裂纹 在上表面被二次波所发现，通过S 扫和D 扫描成像 视图可确定该缺陷自身高度为3.1 mm .通过C 扫 和D 扫描成像视图可确定其长度为25.1 mm 。

在 图6(b )中，画圈处为裂纹S 2.从S 扫可以看出该缺 陷出现在二次波和三次波中，考虑到余高的存在，缺 陷高度测量应该从二次波上端开始到三次波的下 端。

通过S 扫和D 扫描成像视图可确定该缺陷自 身高度为2.6 mm .通过C 扫和D 扫描成像视图可 确定其长度为23.2 mm 。

(b ) TFM 成像结果
(a ) P AU T 成像结果
图6
上表面裂纹的相控阵成像结果
2.2常规无损检测及缺陷部位解剖研究
试块设计制作时存在一定的误差，为了较准确 地确定坡口未熔合的长度、自身高度和深度，裂纹的 扩展深度、长度.对该试块进行了 R T (射线）检测、
M T (磁粉)检测以及缺陷部位的线切割解剖。

图7
为未熔合和表面裂纹的射线检测底片，经测量得到 未熔合长度为17 mm ,未熔合自身高度为1.5 mm ; 表面裂纹长度为22 mm 。

图8为表面裂纹的M T
(a )未熔合
（b )表面裂纹
图7
未熔合和表面裂纹射线检测底片
阁8
表面裂纹M T 检测结果
检测结果.测量得到裂纹长度为21 mm 。

对接焊缝试板沿焊缝横向进行线切割后观察 缺陷的形貌，并对缺陷的自身高度和埋藏深度进 行测量。

切割后经测量得到未熔合缺陷的自身高 度为1.2 mm ，埋藏深度为4.0 mm ;表面裂纹缺陷 的自身高度为2.8 mm 。

切割后截面为缺陷的横截 面•无法测量缺陷的长度.因此裂纹、未熔合的实际 长度可以近似采用R T 或M T 检测结果。

图9为试
板焊缝表面裂纹缺陷处切割后的横截面照片，图10 为试板焊缝坡口未熔合缺陷切割后的横截面照片。

48
2020年第42卷第9
期
沈成业，等：焊缝缺陷的全聚焦相控阵成像检测
J E 损綺泖!
m
m a m
图9
试板焊缝表面裂纹处切割后照片
图10试板焊缝坡口未熔合切割后照片
如图9所示，裂纹按一定角度向焊缝深度方向延伸， 缺陷形貌与T F M 法成像结果较为吻合。

如图10 所示，未熔合沿着坡口方向延伸•缺陷形貌与TFM
和常规P A U T 成像结果较为吻合。

2.3试验结果比对分析
为了方便检测结果的比对.将上述检测结果及 解剖后的测量结果进行汇总，如表2所示。

结果表 明.R T 检测方法测量的未熔合S 1的长度接近未熔
合的真实长度；R T 或M T 方法测量的裂纹S 2结果 长度接近裂纹的真实长度；解剖后可以精确测量出 未熔合S 1的自身高度、深度以及裂纹S 2的自身高 度。

以此为缺陷的参考尺寸，将相控阵检测的结果 与之进行定量比对分析，可得如下结论。

(1) P A U T 法会使缺陷定量变大，T F M 法对缺 陷的定量准确性较高.误差较小。

(2) 从缺陷长度的测量情况来看，T F M 法检测 的准确性略高于P A U T 法。

(3)
从缺陷自身高度的测量情况来看，T F M 法
检测结果更加接近真实缺陷的自身高度，误差控制 在7.2%以内。

P A U T 法对自身高度的定量误差较
大，在检验过程中可能会影响对缺陷的定级。

(4)
从缺陷埋藏深度的测量情况来看，这两种
相控阵检测方法的检测误差较小，与缺陷真实埋藏 深度较为接近…
表2 4种无损检测方法及解剖结果
缺陷 _____
编号 长度
R T
自身高度
M T
长度
P A U T T F M
解剖后测量
长度自身高度深度长度自身高度深度长度自身高度深度
未熔合 S1 17 - — 22.9 3.2 4.4 15.2 1.3 3.7 - 1.2 4.0
裂纹 S2
22
~
21
25.1
3.1
—
23.2
2.6
-
22.7
2.8
3结语
(1)
相控阵技术能发现焊缝中表面缺陷和埋藏
缺陷的信号，通过多种成像方式n j •以直观地表述缺 陷的形貌。

(2)
从成像效果来看.T F M 法比P A U T 法具
有更高的检测分辨力和信噪比，对微小缺陷的检测 以及结构回波的识别更具优势.吏有利于缺陷的定 性研究。

(3)
从缺陷定量来看，T F M 法相比P A U T 法 具有更高的精度，尤其是缺陷自身高度的测量，
T F M 法检测结果更加接近真实缺陷的自身高度。

参考文献：
[1] 王阳，金上杰.林莉，等.考虑余高的焊缝内部缺陷全聚
焦超声成像检测[J ].材料保护，2019,52(9) :61-66.
[2] 章东.桂杰.周哲海.超声相控阵全聚焦无损检测技
术概述[J 1声学技术，2018, 37(4):26-31.
[3] 刘钊.康志远.张祥林，等.全聚焦成像技术在薄板焊
缝检测中的应用[J ].无损探伤
，2018, 42(4): 14-16.[4] 于朋.刚铁.孙昌立.基于F S T F M 技术的焊缝表面
裂纹的成像检测[J 1焊接学报
，2018, 39(2):
15-18.
[5
] 田国良.侯金刚，蔚道祥.等.相控阵超声检测扇形扫
描的两种成像方式比较[j ].无损检测，2019,41(12):
57-60.
欢迎订说 欢迎刊登广告
2020年第42卷第9期
49。