李 衍

(無(wú)錫市承壓設(shè)備學(xué)會(huì)NDT專委會(huì)，無(wú)錫 214026)

繼超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)和相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)之后，基于計(jì)算機(jī)成像技術(shù)(CITs)的FMC和TFM技術(shù)(全矩陣捕獲和全聚焦法，簡(jiǎn)稱雙全法)已于2019年進(jìn)入國(guó)際權(quán)威法規(guī)。如ASME BPVC.V-2021 《鍋爐及壓力容器規(guī)范 無(wú)損檢測(cè)》的第四章《焊縫UT》增補(bǔ)了兩個(gè)新附錄，分別為強(qiáng)制性附錄Ⅺ 《全矩陣捕獲》 和非強(qiáng)制性附錄F 《焊縫全矩陣捕獲法檢測(cè)》。2021年初，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也已發(fā)布兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ISO 23865:2021《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 全矩陣捕獲/全聚焦技術(shù)(FMC/TFM)和相關(guān)技術(shù)的一般用法》 和ISO 23864:2021 《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 自動(dòng)全聚焦技術(shù)(TFM)和相關(guān)技術(shù)的使用》。

全聚焦法主要有4大要領(lǐng)。

(1) 選對(duì)探頭。探頭參數(shù)包括陣元數(shù)、芯距、陣元寬高、頻率等，大聲闌(陣元芯距×陣元數(shù))探頭應(yīng)加較高頻，適于深位置聚焦；小聲闌探頭應(yīng)加較低頻，適于近表面聚焦。

(2) 用對(duì)建模。針對(duì)要檢測(cè)的缺陷類型(面積型、體積型)、方向(定向、無(wú)向、縱向、橫向)、位置(表面、內(nèi)部)等，選用聲影響圖(AIM)建模工具進(jìn)行優(yōu)化掃查。

(3) 選對(duì)工具。應(yīng)選用用具有高強(qiáng)波幅保真度(AF)和包絡(luò)算法的軟件；AF應(yīng)不大于2 dB，以提高定量準(zhǔn)確度，改善缺陷表征。

(4) 合理布置。掃查路徑的合理布置包括直接波程、間接波程和自串列波程，其目的是確保焊縫被檢位置的體積全覆蓋，善用融合波程有利于識(shí)別幾何偽影和缺陷偽影。

文章首先回顧雙全法檢測(cè)原理，概述其新工具特征，而后就承壓設(shè)備焊接接頭典型缺陷的雙全法成像圖譜進(jìn)行解讀。

1 雙全法原理

全聚焦法基于與常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)相同的轉(zhuǎn)向和聚焦法則，可在關(guān)注區(qū)(“TFM”區(qū))處處聚焦。

超聲檢測(cè)使用的聲波一般是線性的，也就是發(fā)射和接收(波束成形)特定波束的聲波，其物理疊加可通過(guò)采集后求和來(lái)得到。為進(jìn)行與實(shí)際波束成形相對(duì)應(yīng)的TFM合成波束成形，需從探頭的發(fā)射聲闌與接收聲闌獲取所有基本A掃描信號(hào)。利用整套基本A掃描數(shù)據(jù)集來(lái)計(jì)算所有聚焦波束。

1.1 全矩陣捕獲(FMC)

該方法由全矩陣捕獲聲學(xué)采集獲取數(shù)據(jù)集。FMC數(shù)據(jù)集由接收到的所有基本A掃描組合集成，而這些A掃描信號(hào)來(lái)自相控陣超聲探頭每一陣元發(fā)射的聲波。該方法涉及探頭各陣元聲波從“一發(fā)全收”至“全發(fā)全收”的過(guò)程。

任何波束形成法均可用于FMC數(shù)據(jù)集?？墒褂迷糉MC數(shù)據(jù)(基本A掃描)合成仿真常規(guī)相控陣超聲采集數(shù)據(jù)，但PAUT波束形成法僅將波束聚焦于試件某精確位置上，而TFM可顯示整個(gè)關(guān)注區(qū)(TFM區(qū))上的波幅，且關(guān)注區(qū)內(nèi)每個(gè)像素位置均能被聚焦。利用TFM處理FMC數(shù)據(jù)的主要目的是獲取關(guān)注區(qū)全聚焦的潛能。相同的FMC數(shù)據(jù)集可作為呈現(xiàn)不同波集的多個(gè)TFM圖像的來(lái)源。

1.2 全聚焦法(TFM)

首先，操作者輸入界定TFM區(qū)參數(shù)，即界定檢測(cè)目標(biāo)區(qū)或關(guān)注區(qū)(ROI)，ROI區(qū)及界定原理如圖1所示 ，圖中P(水平距離)為-1212 mm，D(深度)為-0.0115 mm。將TFM區(qū)分成網(wǎng)格狀，網(wǎng)格中每一位置(或像素)的大小決定了網(wǎng)格分辨率。為使FMC數(shù)據(jù)具有意義，TFM算法要輸入關(guān)鍵變量(如聲傳播模式和分辨率)，并將數(shù)據(jù)分成波集或波組。TFM波集表示超聲波從發(fā)射陣元到TFM區(qū)再到接收陣元的波程，該波程與一次波或二次波波型(橫波或縱波)相關(guān)。如TTT波集作為脈沖橫波，到達(dá)接收陣元前會(huì)有兩次反射(一次底面反射，一次缺陷反射)，該情況下的聲傳播模式和聲成像路徑如圖2所示，圖中TT-T和T-TT模式的波程相同，波向相反(T為橫波，L為縱波，TT-T為間發(fā)直收，T-TT為直發(fā)間收)。

圖1 ROI區(qū)界定原理示意

圖2 聲傳播模式和聲成像路徑示意

2 聲影響圖的應(yīng)用

聲影響圖(AIM)是業(yè)界最新開發(fā)的一種半解析模型，可用于預(yù)測(cè)針對(duì)無(wú)向缺陷與定向缺陷的全聚焦法檢測(cè)波幅靈敏度。對(duì)涉及多個(gè)界面相互作用和波型變換的復(fù)雜聲程，聲影響圖有助于檢測(cè)人員完善掃查布置，提高最終TFM圖像的信噪比和缺陷檢出率。

通常，定向缺陷與非定向缺陷散射的聲影響圖是不同的。非定向散射體包括焊縫中的夾渣、氣孔等體積型缺陷；而定向散射體包括焊縫中的未熔合和裂紋等平面型缺陷。平面型缺陷的定向散射特性是一個(gè)重要參數(shù)，而在相控陣換能器系統(tǒng)的建模中，該參數(shù)往往被忽略。

為計(jì)算聲影響圖，資深專業(yè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于聲線的半解析聲學(xué)模型，用于計(jì)算脈沖回波、自串列和二次反射TFM檢測(cè)模式的發(fā)、收雙向聲壓特征值。該聲學(xué)模型考慮了聲波透射系數(shù)、反射系數(shù)、幾何波束擴(kuò)散和材料衰減的影響。另外該模型還使用瑞利-佐默費(fèi)爾德(Rayleigh-Sommerfeld)積分對(duì)平底孔遠(yuǎn)場(chǎng)散射響應(yīng)進(jìn)行建模(平底孔散射響應(yīng)用于模擬定向缺陷)。

為證明該聲學(xué)模型的實(shí)用性，筆者針對(duì)如何將理論聲影響圖用于選定的TFM檢測(cè)模式給出了實(shí)用示例。某被檢試件坡口形式為V型，內(nèi)含已知未熔合缺陷，坡口角度為35°，檢測(cè)所用的探頭型號(hào)為5L32-A32，楔塊型號(hào)為SA32-N55S-IHC。坡口未熔合缺陷檢測(cè)布置如圖3所示。該模型用φ5 mm的斜向平底孔模擬坡口面未熔合，孔底面與試塊底面垂線夾角為35°。其自串列(TLT)模式和二次反射(TTTT)模式的理論聲影響圖如圖4所示。

圖3 坡口未熔合檢測(cè)布置示意

圖4 坡口未熔合檢測(cè)理論聲影響圖

由圖4可知，與二次反射TTTT模式相比，自串列TLT模式的聲影響圖頗不規(guī)則。顯然，用TLT模式獲取坡口未熔合尺寸的穩(wěn)定測(cè)評(píng)值難度較大；且TLT模式預(yù)期波幅要比二次反射模式的波幅低3個(gè)數(shù)量級(jí)(因?yàn)門LT模式中，L是變型波)。因此，二次反射TTTT模式是首選的TFM成像模式。兩種傳播模式下坡口未熔合缺陷的TFM檢測(cè)圖像如圖5所示。

圖5 兩種傳播模式下坡口未熔合缺陷的TFM檢測(cè)圖像

由圖5可知，二次反射模式的TFM圖像信噪比高，能對(duì)坡口未熔合尺寸給出清晰的測(cè)量值。相比之下，自串列TFM圖像信噪比較低，圖像中包含分離回波，難以解讀。分離回波很可能是未熔合缺陷尖端的衍射回波?？梢?，自串列模式難以測(cè)評(píng)缺陷的類型和尺寸。

總之，用聲影響圖可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅圖。對(duì)給定的檢測(cè)聲傳播模式，AIM可用于調(diào)整掃查布置(聲闌、掃查頻率、探頭位置等)，以優(yōu)化信噪比和缺陷檢出率。該模型可提供不同聲傳播模式下的相對(duì)波幅比較，因此也可用于選擇最佳TFM重建模式。

3 TFM包絡(luò)圖的應(yīng)用

3.1 包絡(luò)原理

TFM包絡(luò)由兩個(gè)不同TFM圖像的范數(shù)計(jì)算求得。第一個(gè)TFM圖像采用標(biāo)準(zhǔn)采集的全矩陣捕獲(FMC)計(jì)算，而第二個(gè)TFM圖像采用希爾伯變換的FMC計(jì)算。所得TFM包絡(luò)圖像更利于基于波幅的定量方法。在相同網(wǎng)格分辨率下，TFM包絡(luò)圖像比標(biāo)準(zhǔn)振蕩的TFM圖像波幅調(diào)整更穩(wěn)健。故相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)振蕩TFM，可為TFM包絡(luò)設(shè)置較低的網(wǎng)格分辨率，從而減少計(jì)算工作總量，并最終提高數(shù)據(jù)采集速率。圖6為包絡(luò)功能啟用前后同一橫孔的TFM圖像，圖6(a)波幅為全正值，網(wǎng)格分辨率為0.08 mm(λ/8.1)，最大波幅為108.7%;圖6(b)的網(wǎng)格分辨率為0.16 mm(λ/4)，最大波幅為122.6%。

圖6 包絡(luò)功能啟用前后同一橫孔的TFM圖像

3.2 包絡(luò)優(yōu)勢(shì)

TFM包絡(luò)法可移除圖像中的信號(hào)振蕩，能使最大波幅測(cè)量更穩(wěn)定(見圖6)，而采集效率的提高得益于TFM包絡(luò)的使用，因?yàn)榘j(luò)要求降低網(wǎng)格分辨率，即增大相鄰兩像素間距(與標(biāo)準(zhǔn)TFM相比，仍具有相同波幅穩(wěn)定性)。如當(dāng)網(wǎng)格分辨率為λ/4時(shí)，TFM包絡(luò)就足以具有與標(biāo)準(zhǔn)振蕩TFM(分辨率為λ/8)的相同波幅保真度(2 dB)。IIW(國(guó)際焊接學(xué)會(huì))、ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)和ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))三體系對(duì)TFM波幅保真度均有相同規(guī)定。

圖7為幾個(gè)具有不同相位偏移量(φ)的高斯調(diào)制脈沖|z(t)|ei(ωt+φ)及其產(chǎn)生的包絡(luò)|z(t)|。由圖7可見，信號(hào)包絡(luò)顯然與解析信號(hào)的瞬時(shí)相位無(wú)關(guān)，故使用信號(hào)包絡(luò)時(shí)，測(cè)得的信號(hào)最大振幅比解析信號(hào)實(shí)分量絕對(duì)值更穩(wěn)定。

圖7 不同相位偏移量的高斯調(diào)制脈沖及其產(chǎn)生的包絡(luò)

TFM包絡(luò)圖像生成過(guò)程(三步法)如圖8所示，TFM包絡(luò)圖像是兩個(gè)TFM圖像的組合結(jié)果，一個(gè)來(lái)自基本A掃描的實(shí)部，另一個(gè)來(lái)自基本A掃描計(jì)算的虛部。該過(guò)程增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，降低了檢測(cè)儀器的采集速度，但由驗(yàn)證得知，在不影響保真度的前提下，所需網(wǎng)格分辨率可明顯降低。因此，TFM包絡(luò)法的采集速度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)TFM的。

圖8 TFM包絡(luò)圖像生成過(guò)程(三步法)

3.3 包絡(luò)像質(zhì)示例

4種不同網(wǎng)格分辨率(λ/9.3，λ/8.1，λ/5.9，λ/4.0生成的標(biāo)準(zhǔn)TFM與TFM包絡(luò)圖像質(zhì)量對(duì)比如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)TFM與TFM包絡(luò)圖像質(zhì)量對(duì)比

新近可用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)包括ASME BPVC.V-2021、IIW Ⅴ-1842-2018 《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 雙全法一般用途》 及ISO 23865:2021，這些標(biāo)準(zhǔn)均要求TFM波幅保真值A(chǔ)F≤2 dB。故使用標(biāo)準(zhǔn)TFM時(shí)，表中只有前兩行網(wǎng)格分辨率(λ/9.3,λ/8.1)達(dá)標(biāo)。TFM包絡(luò)可允許使用較低的網(wǎng)格分辨率(λ/4.0),而幅度保真度仍達(dá)標(biāo)。同樣，用較粗網(wǎng)格TFM包絡(luò)，相比于標(biāo)準(zhǔn)TFM所得最高采集率(5.79 Hz,此時(shí)，網(wǎng)格分辨率為λ/8.1)，采集速度可提高約37%。

使用TFM包絡(luò)最明顯的好處是可消除因使用自然振蕩聲波A掃描信號(hào)作為基本數(shù)據(jù)集而產(chǎn)生的波幅振蕩。該方法無(wú)振蕩偽影，可使波幅變得更連續(xù)，定量更簡(jiǎn)易。此外，在保持相同波幅保真度情況下，TFM包絡(luò)圖像可獲得比標(biāo)準(zhǔn)振蕩TFM更高的采集速率。

3.3.1 氫蝕檢測(cè)

下面舉例說(shuō)明包絡(luò)功能對(duì)高溫氫蝕(HTHA)缺陷圖像顯示的影響。TFM包絡(luò)功能開啟時(shí)，網(wǎng)格分辨率可選低些，但波幅保真度仍可保持在2 dB以下(標(biāo)準(zhǔn)容差)，而采集率有所提升。圖9為高溫氫蝕缺陷的TFM包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)TFM圖像。標(biāo)準(zhǔn)TFM圖像參數(shù)：網(wǎng)格分辨率為0.07 mm；保真度為1.7 dB；采集率為10.6 Hz。TFM包絡(luò)圖像參數(shù)：網(wǎng)格分辨率為0.15 mm；保真度為1.9 dB；采集率為19.5 Hz。由圖9可見，缺陷回波在包絡(luò)時(shí)更易被識(shí)別，且TFM包絡(luò)圖像對(duì)振蕩更穩(wěn)健，有助于簡(jiǎn)化缺陷解讀和基于波幅的定量表征。

圖9 高溫氫蝕TFM包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)TFM圖像

3.3.2 排孔檢測(cè)

圖10為TFM包絡(luò)功能對(duì)分辨率試塊中φ1 mm弧形排孔檢測(cè)圖像質(zhì)量的影響?？梢姡词褂冒j(luò)時(shí)，重建圖像有偽影顯示；使用包絡(luò)時(shí)，排孔顯示清晰。

圖10 TFM包絡(luò)功能對(duì)檢測(cè)圖像質(zhì)量的影響

4 典型缺陷適用的成像路徑

特定類型缺陷對(duì)應(yīng)的適用成像路徑如圖11所示。

圖11 特定缺陷類型相對(duì)應(yīng)的適用成像路徑

5 焊接缺陷TFM圖譜

圖13 左側(cè)大角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

圖14 右側(cè)大角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

圖15 根部未熔合的TFM/金相圖像

圖16 根部未焊透的TFM/金相圖像

圖17 水平層間未熔合的TFM/金相圖像

圖18 垂直層間未熔合的TFM/金相圖像A

圖19 垂直層間未熔合的TFM/金相圖像B

圖20 豎向埋藏裂紋的TFM/金相圖像

圖21 表面開口裂紋的TFM/金相圖像

圖22 近表面裂紋和咬邊的TFM/金相圖像

圖23 上部密集氣孔的TFM/金相圖像

圖24 下部密集氣孔的TFM/金相圖像

圖25 夾渣的TFM/金相圖像

承壓設(shè)備焊接接頭典型焊接缺陷的TFM檢測(cè)圖像與宏觀金相圖像對(duì)比如圖12～25所示(共14例，由IIW第Ⅴ委員會(huì)提供)。每一圖像均給出了相控陣超聲探頭的布置情況，指明了所用成像路徑(聲傳播模式)；所有TFM檢測(cè)圖像水平軸和垂直軸比例相同，可直接與宏觀金相圖像進(jìn)行比較；圖中也給出了試件厚度，可借此框定關(guān)注區(qū)(ROI)尺寸。

圖12 小角度坡口未熔合的TFM/金相圖像

6 偽顯示來(lái)源與濾除

無(wú)論是常規(guī)無(wú)損檢測(cè)還是數(shù)字無(wú)損檢測(cè)方法，皆有真假顯示或真假信號(hào)的識(shí)別技術(shù)和評(píng)判方法，雙全法也不例外。

回波雙全法的偽顯示可能出現(xiàn)在TFM圖像中，需強(qiáng)調(diào)的是，該偽顯示是指圖像中的各種相干顯示，而非實(shí)際缺陷的相應(yīng)顯示。這些偽顯示是因相同接收信號(hào)中多種聲傳播模式共存，缺陷或固有結(jié)構(gòu)幾何回波衍生而產(chǎn)生。

多模式TFM成像是其中一種偽顯示濾除方法。模式融合可用來(lái)過(guò)濾或至少減少缺陷造成的偽顯示。多模式求和方法較為簡(jiǎn)易，利用了模式互補(bǔ)性，過(guò)濾時(shí)不會(huì)丟失任何信息。最終波幅Isum可表示為

(1)

式中：M為要考慮的模式數(shù)；P為關(guān)注區(qū)像點(diǎn)(像素)；m為模式代號(hào)；Im為模式代號(hào)的波幅。

圖像絕對(duì)值累加，表示各模式無(wú)同相位，通過(guò)求和可抵消檢測(cè)圖像的自身缺陷。但絕對(duì)值累加，所有模式的噪聲會(huì)相長(zhǎng)相加，使信噪比降低。值得注意的是，求和也會(huì)帶來(lái)所有模式融合干涉的偽顯示。故在求和前對(duì)模式進(jìn)行預(yù)選，就可減少這些偽顯示。累加融合時(shí)，還應(yīng)先濾除由材料缺陷引起的偽顯示[1]。

7 結(jié)語(yǔ)

(1) 相控陣超聲雙全法(FMC采集過(guò)程與TFM重建算法相結(jié)合)可實(shí)現(xiàn)缺陷圖像的實(shí)時(shí)重建，有助于更好地表征焊接缺陷，且雙全法可使圖像顯示易于解讀、分析和評(píng)判。

(2) 聲影響圖可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅圖像，可提供不同聲傳播模式下相對(duì)波幅的比較，用于選擇最佳的TFM重建模式。

(3) 利用包絡(luò)圖，可設(shè)置較低的網(wǎng)格分辨率，減少總計(jì)算量，從而提高實(shí)際采集速率。與標(biāo)準(zhǔn)振蕩TFM圖像相比，包絡(luò)圖像受波幅變化影響較小，波幅保真度更符合規(guī)范要求。

(4) 受多種聲傳播模式不同作用、聲波與被檢缺陷或試件幾何形狀的相互作用等原因的影響，TFM圖像可能產(chǎn)生偽影。對(duì)于多模式TFM圖像，宜針對(duì)被檢試件的典型幾何結(jié)構(gòu)和典型缺陷的類型、位置、方向等特征，結(jié)合最佳成像檢測(cè)路徑，進(jìn)行綜合解析。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)二等獎(jiǎng)。