王麗英，劉國(guó)奇，陳振華，邱 林，孟貴云，李新蕾

（1.新疆科瑞檢測(cè)科技有限公司，克拉瑪依 834009；2.杭州華安無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有限公司，杭州 310023；3.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

奧氏體不銹鋼焊縫常服役在高溫高壓、腐蝕、沖刷、放射性的惡劣環(huán)境下，是完整構(gòu)件的薄弱區(qū)域。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法及早發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷及服役損傷是設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障［1－3］。超聲衍射時(shí)差法（超聲TOFD 法）具有檢測(cè)信息豐富、抗噪聲強(qiáng)、效率高、定位定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)［4－5］。基于檢測(cè)A 信號(hào)按灰度級(jí)染色可獲得超聲TOFD 檢測(cè)圖像；其比單個(gè)A 信號(hào)更直觀，信息更豐富，缺陷特征更明顯。然而，不銹鋼焊縫組織對(duì)超聲波的強(qiáng)烈散射及衰減易導(dǎo)致衍射波微弱、噪聲強(qiáng)、信噪比低等問(wèn)題；成像時(shí)出現(xiàn)模糊、變形、誤判、無(wú)法辨識(shí)［6］等問(wèn)題。因此，從根源上說(shuō)，提高不銹鋼焊縫超聲TOFD 成像質(zhì)量應(yīng)首先提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比及時(shí)間分辨率。目前小波變換、模態(tài)分解、維納濾波等信號(hào)處理方法已經(jīng)用于超聲檢測(cè)信號(hào)的處理與識(shí)別中［7－8］。

小波包變換依據(jù)噪聲信號(hào)在時(shí)頻域的不同特性改變時(shí)頻窗口尺寸，以較高的精度分析處理整個(gè)頻率范圍的細(xì)節(jié)信號(hào)，是應(yīng)用廣泛的超聲無(wú)損檢測(cè)信號(hào)分析方法［9－11］。小波包分解技術(shù)將信號(hào)分解到特定尺度（頻率）范圍的同時(shí)，還能夠保持較好的時(shí)域分辨率，特別適用于按時(shí)差進(jìn)行缺陷定位定量的超聲TOFD 檢測(cè)技術(shù)。

筆者分析了奧氏體不銹鋼焊縫柱狀晶組織對(duì)超聲TOFD 檢測(cè)信號(hào)的影響，采用三層小波包分解技術(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，并基于重構(gòu)的分解信號(hào)進(jìn)行灰度成像，取得了較好的結(jié)果。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

檢測(cè)試樣為開(kāi)90°V 型坡口、板厚35mm 的不銹鋼埋弧焊對(duì)接焊縫，試樣寬度為70mm，母材牌號(hào)為0Cr18Ni9Ti。按英國(guó)超聲TOFD 檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（BS EN 15617：2009），在垂直于試塊截面的焊縫中心軸上加工不同深度橫孔作為人工缺陷，橫孔直徑2mm、長(zhǎng)度20mm。共加工兩塊試樣，如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)及檢測(cè)示意

為便于原始信號(hào)的提取及處理，試驗(yàn)系統(tǒng)及成像軟件均自主開(kāi)發(fā)研制。檢測(cè)探頭為中心頻率5 MHz，晶片直徑6.35mm，角度60°的超聲TOFD專用探頭。兩探頭按焊縫中心軸線對(duì)稱放置、探頭聲束入射點(diǎn)間距設(shè)為2S，如圖2（a）所示。不銹鋼焊縫中柱狀晶組織具有垂直于熔合線并朝焊縫中心生長(zhǎng)的趨勢(shì)；隨著柱狀晶粒不斷接近焊縫中心，其生長(zhǎng)方向亦趨于垂直焊縫上下表面［12］。試驗(yàn)中焊縫金相圖顯示了不銹鋼焊縫各向異性的組織結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。由于焊縫金相結(jié)構(gòu)的各向異性，分別從余高側(cè)和焊縫根部側(cè)提取檢測(cè)信號(hào)。

圖3為檢測(cè)探頭在焊縫余高側(cè)和焊縫根部側(cè)的檢測(cè)信號(hào)。試驗(yàn)參數(shù)為：2S＝51mm、增益30dB，聲束交點(diǎn)在焊縫中的深度為15mm，聲束能以較大的能量覆蓋焊縫中兩孔。根據(jù)TOFD 定位公式可確定檢測(cè)信號(hào)的意義。

圖3 焊縫中橫孔的不同檢測(cè)面的超聲TOFD 檢測(cè)波形

式中：t為缺陷信號(hào)的時(shí)間位置；2S為探頭聲束入射點(diǎn)間距；d為目標(biāo)缺陷深度；c為縱波聲速5 850m／s；t0為探頭延遲。

此處t0＝2.7μs；按式（1）可確定試樣1中兩橫孔衍射波的時(shí)間位置分別為14.6，17.9μs，與試驗(yàn)提取的檢測(cè)波形一致，如圖3所示。

定義信噪比R為：

式中：SNMAX為噪聲最大幅度；SFMAX為缺陷衍射波最大幅度。

據(jù)圖3及式（2）可得兩種探頭布置情況下的缺陷衍射波幅度及信噪比，如表1所示。余高側(cè)入射聲波的衰減非常大，其孔衍射幅度比從根部入射時(shí)小得多；余高側(cè)入射聲束遭遇到的柱狀晶散射更為嚴(yán)重，其信噪比也小于從根部入射的情況；從余高側(cè)檢測(cè)的信號(hào)難以確認(rèn)孔1的衍射波位置。由于焊縫組織的各向異性導(dǎo)致了根部側(cè)的檢測(cè)效果比余高側(cè)檢測(cè)時(shí)好得多，究其原因應(yīng)是余高側(cè)檢測(cè)時(shí)聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向的夾角（≤90°）比根部檢測(cè)時(shí)大得多；此夾角越大，檢測(cè)聲束受層片狀柱狀晶的衰減和散射越強(qiáng)、信噪比越低；因此，后續(xù)試驗(yàn)的檢測(cè)面均定為焊縫根部側(cè)。

表1 探頭兩種布置方式下的檢測(cè)效果對(duì)比

2 焊縫超聲TOFD信號(hào)分析

將檢測(cè)探頭布置于焊縫根部側(cè)，參數(shù)設(shè)置同上節(jié)，探頭沿著焊縫方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行D 掃描成像。掃描經(jīng)過(guò)無(wú)缺陷焊縫、試樣2、試樣1（為便于成像對(duì)比，試驗(yàn)中將3塊試樣拼合在一起），如圖4所示。由圖可見(jiàn)，圖中能夠顯示試樣1的兩個(gè)橫孔缺陷及試樣2中部橫孔缺陷（白色箭頭），但掃描圖中包含了大量的噪聲紋路，特別是完好焊縫15.75μs處包含了大量的噪聲波紋、容易出現(xiàn)誤判；此外，橫孔缺陷特征圖像也出現(xiàn)了明顯的形狀扭曲，給缺陷評(píng)價(jià)造成了干擾。

圖4 不銹鋼試樣焊縫的超聲TOFD 成像

小波包變換在表示信號(hào)時(shí)頻特征時(shí)具有自適應(yīng)性，在將原始信號(hào)分解到確定的尺度（頻率）范圍的同時(shí)還能保留較精確的時(shí)域信息。由于TOFD 法通過(guò)特征信號(hào)的時(shí)間差來(lái)測(cè)深定高，因此按尺度（頻率）分解的時(shí)域信息的準(zhǔn)確與否是至關(guān)重要的。參照?qǐng)D4提取試樣1（118mm 位置）、試樣2（62mm 位置）的缺陷檢測(cè)信號(hào)中，存在噪聲干擾，表現(xiàn)在灰度圖上為大量的波紋圖形，如圖5所示。

圖5 試樣1，2的典型缺陷檢測(cè)信號(hào)

對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，獲得頻率范圍由低到高的8個(gè)分解信號(hào)D1～D8并計(jì)算其能量，如圖6（a）所示。分解信號(hào)D1、D2占原始信號(hào)能量的98%，含有大量的缺陷信息。圖6（b）、（c）分別為兩缺陷信號(hào)在第三層分解中的最低頻分解信號(hào)。

根據(jù)圖5，6 計(jì)算原始信號(hào)與對(duì)應(yīng)的分解信號(hào)D1的缺陷信噪比；對(duì)于試樣1計(jì)算了16μs附近和19μs附近的信噪比，對(duì)于試樣2僅選取19μs的噪聲計(jì)算信噪比。表2 顯示：該分解信號(hào)D1 與原始信號(hào)相比，信噪比有一定提高；更為重要的是，濾波后信號(hào)的高頻噪聲顯著降低，由此圖像的干擾波紋將大大減少。

圖6 缺陷信號(hào)的小波包分解

表2 濾波前后典型缺陷衍射信號(hào)的信噪比

3 信號(hào)重構(gòu)及圖像分析

TOFD 成像按A 信號(hào)的幅度及相位進(jìn)行灰度染色，范圍從純白色到純黑色：純白色表示正相位滿屏幅值、幅度為零時(shí)為中間灰色、負(fù)向滿屏幅值為純黑色?；诜纸庑盘?hào)D1、D2分別進(jìn)行灰度成像，如圖7所示。與圖4顯示的原始圖像相比，基于分解信號(hào)D1成像的焊縫超聲TOFD 檢測(cè)灰度圖的質(zhì)量得到了較大改善，白色箭頭所示的橫孔缺陷圖像如圖7（a）所示。圖7（a）的波紋干擾圖像明顯降低，突出表現(xiàn)為完好焊縫中疑似缺陷波紋被濾除（24.8mm位置），避免了誤判；由于分解后的信號(hào)保持了準(zhǔn)確的時(shí)域信息，橫孔缺陷圖像的扭曲變形也得到了很大改善。圖7（b）顯示的是基于D2成像的焊縫TOFD 檢測(cè)灰度圖；該分解信號(hào)能量較高，但其受到的結(jié)構(gòu)噪聲的影響非常大，除試樣1中孔1能夠較明顯分辨外，其余缺陷淹沒(méi)于噪聲波紋中而難以分辨。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在奧氏體不銹鋼焊縫上選擇合適的檢測(cè)面及探頭角度，減小柱狀晶生長(zhǎng)方向與聲束入射方向的夾角（≤90°）有利于降低衰減、提高信噪比。在焊縫根部側(cè)布置探頭能較好地發(fā)現(xiàn)焊縫中直徑2mm的橫孔。但由于噪聲依然顯著，超聲TOFD 灰度圖中分布大量干擾波紋、容易誤判且缺陷特征圖像出現(xiàn)了扭曲和變形，不利于檢測(cè)結(jié)果的評(píng)定。

（2）對(duì)基于三層小波包分解信號(hào)中最低頻率范圍的分解信號(hào)D1進(jìn)行灰度成像，有效地降低了焊縫超聲TOFD 檢測(cè)圖像的干擾波紋，同時(shí)橫孔特征圖像的扭曲與變形也得到了較好的修正。

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