聚焦超聲Lamb波法環(huán)焊縫檢測機理及缺陷定位研究結(jié)題摘要

針對大型焊接結(jié)構缺陷現(xiàn)有聲學檢測方法存在的動態(tài)掃查、需要去除包覆層、防寒層、對被測體表面光潔度要求高等技術弊端，項目突破常規(guī)超聲波法動態(tài)接觸掃查的檢測理念，提出了“焊縫導波一點激發(fā)、長距離靜態(tài)檢測”的解決思路。圍繞這一思路，開展了相關研究并取得如下主要進展及成果：研究發(fā)現(xiàn)了導波在焊縫中傳播時具有聲能量匯聚的通道效應，將其命名為“焊縫導波”；采用試驗和仿真相結(jié)合的研究方法，闡明了焊縫導波的傳播規(guī)律及與缺陷體的作用機制。以理論研究為指導，試驗研究獲得了有效的焊縫導波激勵策略及優(yōu)化模態(tài)選擇方法。在此基礎上，提出了一種基于RLS濾波的雜波抑制方法，有效識別距離測點10mm以內(nèi)的缺陷信號，從而減小了檢測盲區(qū)，擴大了有效檢測范圍；提出了基于相鄰測點信號相關的改進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問題，有效識別了奧氏體焊縫中直徑1.5mm的人工孔；提出一種基于雙測點信號渡越時差的焊縫導波缺陷定位方法，焊接缺陷（氣孔）定位精度最大絕對誤差不超過6mm，平均絕對誤差為3.6mm；焊縫導波技術的檢測靈敏度達到：采用1.5MHz超聲探頭，有效識別距離測點500mm、直徑2mm、深4mm的人工孔，人工孔回波信號幅值達屏高34%；研發(fā)了便攜式焊縫導波檢測系統(tǒng)及自動爬壁焊縫缺陷檢測行走機構。相關研究成果對大型焊縫缺陷快速識別及定位有著重要的潛在應用價值。 2100433B

由于聲耦合的需求，在實施常規(guī)超聲波法缺陷檢測前，需根據(jù)探頭掃查范圍對環(huán)縫結(jié)構進行包覆層去除或漆面清理。這一技術環(huán)節(jié)既費時費力又耗財，嚴重阻礙了超聲波法的推廣應用。針對這一普遍存在的工程問題，本項目突破常規(guī)超聲波法動態(tài)掃查檢測的理念，提出“采用聚焦超聲Lamb波法實現(xiàn)有限點處激發(fā)、環(huán)縫全縫靜態(tài)檢測”的思路。針對這一構思，擬采用數(shù)值模擬方法分析聚焦Lamb波場的激發(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雜邊界結(jié)構中的傳播、Lamb波與缺陷的作用過程；在仿真研究的指導下，采用數(shù)字化信號處理技術對多模態(tài)回波中的雜波成分進行抑制并提取缺陷信息，最終實現(xiàn)靜態(tài)檢測方式下缺陷在環(huán)縫周向的定位。本項目旨在闡明基于超聲Lamb波法復雜結(jié)構缺陷的聲學檢測機理，揭示多模態(tài)Lamb波信號特征與缺陷位置之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。相關研究成果對焊縫缺陷快速識別及定位有著重要的潛在應用價值。

為了減輕負載，在航天、航空等現(xiàn)代工業(yè)制造中，越來越多地采用薄板多柵格焊接結(jié)構。受限于多柵格結(jié)構的復雜性以及結(jié)構中板材的厚度，現(xiàn)有的常規(guī)無損檢測技術難以實施有效的焊接質(zhì)量評定。因此，薄板多柵格焊接結(jié)構的質(zhì)量檢測一直是亟待解決的技術難題。針對這一技術問題，本項目提出采用超聲Lamb 波技術實現(xiàn)聲波一處激發(fā)、多縫檢測的方法，并開展了復雜結(jié)構焊接缺陷超聲檢測機理及缺陷信號識別的研究工作。首先，采用基礎實驗和模擬仿真相結(jié)合的研究方法，探索了超聲Lamb 波在復雜結(jié)構中的檢測機理。相關研究主要包括：分析了不同模態(tài)超聲Lamb波的激勵條件、波結(jié)構，研究了不同條件下的回波模態(tài)識別；定量及定性研究了多柵格焊接結(jié)構中超聲Lamb波的傳播行為及與缺陷體的作用過程；分析了聲波在柵格結(jié)構幾何尺寸突變處及缺陷體處發(fā)生的反射及透射行為；通過模擬仿真實現(xiàn)了超聲Lamb波傳播過程的可視化，并對典型缺陷體超聲Lamb波檢測回波信號進行了預測；最終選擇了行之有效的超聲Lamb模態(tài)及頻率。以檢測機理的理論研究為指導，研究了超聲Lamb波信號中的缺陷特征信息的識別方法，主要包括：基于HHT的缺陷尺寸量化測量；噪聲信號抑制及缺陷信號復原；基于相位信息識別的走時提取；基于聲影技術的柵格結(jié)構缺陷快速檢測方法；高靈敏度線聚焦超聲檢測方法等。研究結(jié)果表明：HHT對于識別柵格結(jié)構檢測的Lamb波模式具有效性，同時IMF1分量瞬時幅值的峰值對缺陷尺寸具有較好的表征效果；基于子波相關的改進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；基于改進維納濾波技術的處理技術能有效提取信號的相位及走時信息；基于聲影技術的缺陷快速檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)柵格結(jié)構中3條焊縫的同時檢測。本項目的研究成果為薄板復雜結(jié)構構件難于實施無損檢測的問題提供解決思路，進而為保證該種構件的生產(chǎn)質(zhì)量及使用安全可靠性奠定基礎。對于生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進工藝以及保障安全運行都有著極為重要的現(xiàn)實意義。 2100433B

受限于復雜幾何結(jié)構帶來的常規(guī)無損檢測技術不可達性，薄板多柵格釬焊結(jié)構的焊接質(zhì)量檢測與評價成為其生產(chǎn)過程中的技術瓶頸。針對這一亟待解決的技術問題，根據(jù)前期研究基礎，本項目突破常規(guī)超聲脈沖波法單點檢測的理念，提出采用超聲Lamb波技術實現(xiàn)聲波一處激發(fā)、多條釬縫檢測的思路。瞄準本領域研究前沿，采用數(shù)值模擬技術分析Lamb波在多柵格釬焊結(jié)構中的傳播行為；并以此為理論指導，采用先進的信號處理技術有效解讀檢測回波信號中的缺陷特征信息。具體研究內(nèi)容包括：Lamb波在復雜結(jié)構中的傳播及與缺陷體的作用過程分析；噪聲信號抑制及缺陷信號復原；缺陷信號頻散效應的消除及走時信息的提取。本項目旨在闡明復雜結(jié)構中Lamb波的反射、透射機理，揭示檢測回波信號與缺陷形態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。其研究成果將為薄板復雜結(jié)構構件難于實施無損檢測的問題提供解決思路，進而為保證該種構件的生產(chǎn)質(zhì)量及使用安全可靠性奠定基礎。

管道超聲內(nèi)檢測技術目前面臨的突出問題是檢測數(shù)據(jù)量太大，無法實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲和實時處理，無法同時實現(xiàn)多種缺陷快速檢測。本課題擬開展基于稀疏采樣的超聲傳感器復合陣列快速檢測壁厚變化類缺陷、滲漏孔、軸向及周向裂紋的機理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實現(xiàn)超聲檢測回波信號最稀疏表達；創(chuàng)新性運用稀疏采樣原理，提出超聲傳感器檢測回波信號稀疏采樣機理與前端物理實現(xiàn)方法；創(chuàng)新提出稀疏采樣值快速解算缺陷回波信號特征參數(shù)方法，無需重建檢測信號，解決稀疏采樣值恢復原始檢測信號的時間貪婪性問題；采用超聲傳感器復合陣列方法，建立陣列空間結(jié)構參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關聯(lián)模型，實現(xiàn)稀疏采樣條件下不同空間趨向缺陷重構。本課題將為解決目前管道超聲內(nèi)檢測技術難題提供科學依據(jù)。