聚焦超聲Lamb波法環(huán)焊縫檢測(cè)機(jī)理及缺陷定位研究

針對(duì)大型焊接結(jié)構(gòu)缺陷現(xiàn)有聲學(xué)檢測(cè)方法存在的動(dòng)態(tài)掃查、需要去除包覆層、防寒層、對(duì)被測(cè)體表面光潔度要求高等技術(shù)弊端，項(xiàng)目突破常規(guī)超聲波法動(dòng)態(tài)接觸掃查的檢測(cè)理念，提出了“焊縫導(dǎo)波一點(diǎn)激發(fā)、長(zhǎng)距離靜態(tài)檢測(cè)”的解決思路。圍繞這一思路，開展了相關(guān)研究并取得如下主要進(jìn)展及成果：研究發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)波在焊縫中傳播時(shí)具有聲能量匯聚的通道效應(yīng)，將其命名為“焊縫導(dǎo)波”；采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的研究方法，闡明了焊縫導(dǎo)波的傳播規(guī)律及與缺陷體的作用機(jī)制。以理論研究為指導(dǎo)，試驗(yàn)研究獲得了有效的焊縫導(dǎo)波激勵(lì)策略及優(yōu)化模態(tài)選擇方法。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于RLS濾波的雜波抑制方法，有效識(shí)別距離測(cè)點(diǎn)10mm以內(nèi)的缺陷信號(hào)，從而減小了檢測(cè)盲區(qū)，擴(kuò)大了有效檢測(cè)范圍；提出了基于相鄰測(cè)點(diǎn)信號(hào)相關(guān)的改進(jìn)小波包噪聲抑制方法，克服了粗晶材料噪聲難以抑制的技術(shù)問題，有效識(shí)別了奧氏體焊縫中直徑1.5mm的人工孔；提出一種基于雙測(cè)點(diǎn)信號(hào)渡越時(shí)差的焊縫導(dǎo)波缺陷定位方法，焊接缺陷（氣孔）定位精度最大絕對(duì)誤差不超過(guò)6mm，平均絕對(duì)誤差為3.6mm；焊縫導(dǎo)波技術(shù)的檢測(cè)靈敏度達(dá)到：采用1.5MHz超聲探頭，有效識(shí)別距離測(cè)點(diǎn)500mm、直徑2mm、深4mm的人工孔，人工孔回波信號(hào)幅值達(dá)屏高34%；研發(fā)了便攜式焊縫導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)及自動(dòng)爬壁焊縫缺陷檢測(cè)行走機(jī)構(gòu)。相關(guān)研究成果對(duì)大型焊縫缺陷快速識(shí)別及定位有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

由于聲耦合的需求，在實(shí)施常規(guī)超聲波法缺陷檢測(cè)前，需根據(jù)探頭掃查范圍對(duì)環(huán)縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行包覆層去除或漆面清理。這一技術(shù)環(huán)節(jié)既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又耗財(cái)，嚴(yán)重阻礙了超聲波法的推廣應(yīng)用。針對(duì)這一普遍存在的工程問題，本項(xiàng)目突破常規(guī)超聲波法動(dòng)態(tài)掃查檢測(cè)的理念，提出“采用聚焦超聲Lamb波法實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)處激發(fā)、環(huán)縫全縫靜態(tài)檢測(cè)”的思路。針對(duì)這一構(gòu)思，擬采用數(shù)值模擬方法分析聚焦Lamb波場(chǎng)的激發(fā)形成、Lamb波在由環(huán)縫曲面、焊縫上下表面及焊趾組成的復(fù)雜邊界結(jié)構(gòu)中的傳播、Lamb波與缺陷的作用過(guò)程；在仿真研究的指導(dǎo)下，采用數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)對(duì)多模態(tài)回波中的雜波成分進(jìn)行抑制并提取缺陷信息，最終實(shí)現(xiàn)靜態(tài)檢測(cè)方式下缺陷在環(huán)縫周向的定位。本項(xiàng)目旨在闡明基于超聲Lamb波法復(fù)雜結(jié)構(gòu)缺陷的聲學(xué)檢測(cè)機(jī)理，揭示多模態(tài)Lamb波信號(hào)特征與缺陷位置之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。相關(guān)研究成果對(duì)焊縫缺陷快速識(shí)別及定位有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

為了減輕負(fù)載，在航天、航空等現(xiàn)代工業(yè)制造中，越來(lái)越多地采用薄板多柵格焊接結(jié)構(gòu)。受限于多柵格結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及結(jié)構(gòu)中板材的厚度，現(xiàn)有的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)施有效的焊接質(zhì)量評(píng)定。因此，薄板多柵格焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)一直是亟待解決的技術(shù)難題。針對(duì)這一技術(shù)問題，本項(xiàng)目提出采用超聲Lamb 波技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲波一處激發(fā)、多縫檢測(cè)的方法，并開展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接缺陷超聲檢測(cè)機(jī)理及缺陷信號(hào)識(shí)別的研究工作。首先，采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和模擬仿真相結(jié)合的研究方法，探索了超聲Lamb 波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)機(jī)理。相關(guān)研究主要包括：分析了不同模態(tài)超聲Lamb波的激勵(lì)條件、波結(jié)構(gòu)，研究了不同條件下的回波模態(tài)識(shí)別；定量及定性研究了多柵格焊接結(jié)構(gòu)中超聲Lamb波的傳播行為及與缺陷體的作用過(guò)程；分析了聲波在柵格結(jié)構(gòu)幾何尺寸突變處及缺陷體處發(fā)生的反射及透射行為；通過(guò)模擬仿真實(shí)現(xiàn)了超聲Lamb波傳播過(guò)程的可視化，并對(duì)典型缺陷體超聲Lamb波檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行了預(yù)測(cè)；最終選擇了行之有效的超聲Lamb模態(tài)及頻率。以檢測(cè)機(jī)理的理論研究為指導(dǎo)，研究了超聲Lamb波信號(hào)中的缺陷特征信息的識(shí)別方法，主要包括：基于HHT的缺陷尺寸量化測(cè)量；噪聲信號(hào)抑制及缺陷信號(hào)復(fù)原；基于相位信息識(shí)別的走時(shí)提??；基于聲影技術(shù)的柵格結(jié)構(gòu)缺陷快速檢測(cè)方法；高靈敏度線聚焦超聲檢測(cè)方法等。研究結(jié)果表明：HHT對(duì)于識(shí)別柵格結(jié)構(gòu)檢測(cè)的Lamb波模式具有效性，同時(shí)IMF1分量瞬時(shí)幅值的峰值對(duì)缺陷尺寸具有較好的表征效果；基于子波相關(guān)的改進(jìn)小波噪聲抑制具有更好的噪聲去除效果，且具有更好的魯棒性；基于改進(jìn)維納濾波技術(shù)的處理技術(shù)能有效提取信號(hào)的相位及走時(shí)信息；基于聲影技術(shù)的缺陷快速檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)柵格結(jié)構(gòu)中3條焊縫的同時(shí)檢測(cè)。本項(xiàng)目的研究成果為薄板復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件難于實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的問題提供解決思路，進(jìn)而為保證該種構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量及使用安全可靠性奠定基礎(chǔ)。對(duì)于生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝以及保障安全運(yùn)行都有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。 2100433B

受限于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)帶來(lái)的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不可達(dá)性，薄板多柵格釬焊結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)成為其生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)瓶頸。針對(duì)這一亟待解決的技術(shù)問題，根據(jù)前期研究基礎(chǔ)，本項(xiàng)目突破常規(guī)超聲脈沖波法單點(diǎn)檢測(cè)的理念，提出采用超聲Lamb波技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲波一處激發(fā)、多條釬縫檢測(cè)的思路。瞄準(zhǔn)本領(lǐng)域研究前沿，采用數(shù)值模擬技術(shù)分析Lamb波在多柵格釬焊結(jié)構(gòu)中的傳播行為；并以此為理論指導(dǎo)，采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)有效解讀檢測(cè)回波信號(hào)中的缺陷特征信息。具體研究?jī)?nèi)容包括：Lamb波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播及與缺陷體的作用過(guò)程分析；噪聲信號(hào)抑制及缺陷信號(hào)復(fù)原；缺陷信號(hào)頻散效應(yīng)的消除及走時(shí)信息的提取。本項(xiàng)目旨在闡明復(fù)雜結(jié)構(gòu)中Lamb波的反射、透射機(jī)理，揭示檢測(cè)回波信號(hào)與缺陷形態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。其研究成果將為薄板復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件難于實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的問題提供解決思路，進(jìn)而為保證該種構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量及使用安全可靠性奠定基礎(chǔ)。

管道超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)目前面臨的突出問題是檢測(cè)數(shù)據(jù)量太大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種缺陷快速檢測(cè)。本課題擬開展基于稀疏采樣的超聲傳感器復(fù)合陣列快速檢測(cè)壁厚變化類缺陷、滲漏孔、軸向及周向裂紋的機(jī)理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)回波信號(hào)最稀疏表達(dá)；創(chuàng)新性運(yùn)用稀疏采樣原理，提出超聲傳感器檢測(cè)回波信號(hào)稀疏采樣機(jī)理與前端物理實(shí)現(xiàn)方法；創(chuàng)新提出稀疏采樣值快速解算缺陷回波信號(hào)特征參數(shù)方法，無(wú)需重建檢測(cè)信號(hào)，解決稀疏采樣值恢復(fù)原始檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間貪婪性問題；采用超聲傳感器復(fù)合陣列方法，建立陣列空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)稀疏采樣條件下不同空間趨向缺陷重構(gòu)。本課題將為解決目前管道超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)難題提供科學(xué)依據(jù)。