李亮亮，鄭世偉，單清群，左玉達(dá)

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué)，成都 614202)

0 前言

低碳鋼具有較好的強(qiáng)度和焊接能力，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中[1]。在軌道列車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造過(guò)程及服役過(guò)程中，裂紋缺陷的存在對(duì)列車(chē)關(guān)鍵部位焊接結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能有著極其嚴(yán)重的影響[2]，因此有必要采取有效的技術(shù)措施來(lái)檢測(cè)和分析列車(chē)關(guān)鍵部位的裂紋缺陷情況。

缺陷的相控陣檢測(cè)相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)形成的聲束具有可聚焦、可偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)[3-4]，被廣泛應(yīng)用于厚板工件的缺陷檢測(cè)。但目前對(duì)于不同缺陷及尺寸的精確分辨存在難度。王常璽等人[5]采用超聲相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)B掃描對(duì)小于1 mm直徑橫孔的尺寸測(cè)量精度達(dá)到90%，王旭等人[6]通過(guò)設(shè)置聚焦深度，實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位定量，控制誤差在1 mm內(nèi)。結(jié)合相控陣檢測(cè)原理，不同的探頭參數(shù)對(duì)相控陣缺陷檢測(cè)有著極大的影響，不同的缺陷因素對(duì)相控陣聲場(chǎng)的傳播產(chǎn)生著影響，不同因素對(duì)超聲相控陣檢測(cè)效果的影響。因此，明確深度缺陷聲場(chǎng)作用對(duì)相控陣檢測(cè)效果的影響，完成低碳鋼深度缺陷超聲相控陣檢測(cè)的優(yōu)化準(zhǔn)則研究顯得尤為必要。設(shè)計(jì)焊接接頭深度缺陷超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行中厚板低碳鋼超聲相控陣檢測(cè)，同時(shí)由于缺陷檢測(cè)的二維超聲圖像分析對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)及專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備要求高，摻雜了人為主觀因素[7-9]，有必要進(jìn)行基于相控陣的低碳鋼焊接接頭深度缺陷三維可視化研究，這對(duì)于實(shí)際相控陣檢測(cè)具有理論指導(dǎo)作用。

1 不同缺陷的相控陣檢測(cè)

1.1 探頭設(shè)計(jì)與試塊制備

高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架如圖1所示。試驗(yàn)采用的設(shè)備是Phascan Ⅱ便攜式超聲相控陣檢測(cè)儀，該設(shè)備擁有32通道接收，獨(dú)立128通道發(fā)射的先進(jìn)結(jié)構(gòu)模式，可滿(mǎn)足高陣元中心頻率與陣元數(shù)目的探頭檢測(cè)，為保證低碳鋼深度缺陷的檢測(cè)研究效果，選取64陣元的相控陣探頭，其探頭型號(hào)和配對(duì)的楔塊型號(hào)分別為15S64-0.6-10，SF21-NOL-H，組成的檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的檢測(cè)水平及分辨力，相控陣檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。同時(shí)經(jīng)過(guò)超聲相控陣設(shè)備的校準(zhǔn)和參數(shù)設(shè)置后，以定制的Q235缺陷試塊為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行相控陣檢測(cè)試驗(yàn)，圖3所示缺陷檢測(cè)試塊的外觀尺寸為100 mm×200 mm×32 mm，在不同位置設(shè)計(jì)制造了深度為2 mm的φ0.4 mm，φ0.5 mm，φ1 mm圓孔形缺陷與高度為2 mm的10 mm×0.4 mm，10 mm×0.5 mm，10 mm×1 mm長(zhǎng)條形缺陷。

圖1 高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

圖2 相控陣檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 缺陷尺寸

1.2 不同缺陷類(lèi)型的相控陣檢測(cè)對(duì)比

采用搭建的相控陣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)定制缺陷試塊進(jìn)行相控陣檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)不同形狀和尺寸的缺陷的檢測(cè)效果進(jìn)行分析，其中以缺陷信號(hào)的最大回波幅值比上干擾信號(hào)的平均幅值水平計(jì)算得到檢測(cè)信噪比，并用缺陷回波信號(hào)信噪比以及信號(hào)頻譜-6 dB寬度分別來(lái)表征缺陷檢測(cè)靈敏度與分辨力。

不同的缺陷形狀對(duì)相控陣聲場(chǎng)的傳播有著較大的影響，相控陣聚焦聲束在不同類(lèi)型的缺陷處反射作用不同，具體表現(xiàn)為反射后的傳播方向、能量分布有較大的差異[10-11]，為了探究探頭不同缺陷類(lèi)型對(duì)中厚板低碳鋼深度缺陷的相控陣檢測(cè)效果，分別對(duì)長(zhǎng)條狀和圓孔狀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，其中檢測(cè)對(duì)象包含不同尺寸的缺陷，探頭陣元中心頻率為15 MHz，激勵(lì)陣元數(shù)目64，聚焦深度設(shè)為30 mm，主軸孔徑設(shè)為8 mm，圖4為不同缺陷形狀的相控陣C掃描檢測(cè)結(jié)果。圖4a為長(zhǎng)條狀缺陷的相控陣C掃描圖，圖中增益設(shè)置為60 dB，對(duì)于3個(gè)尺寸的長(zhǎng)條狀缺陷具檢測(cè)出較為清晰的成像圖，圖4b為圓孔狀缺陷的相控陣C掃描圖，圖中增益設(shè)置為66 dB，只有尺寸較大的圓孔狀缺陷的檢測(cè)結(jié)果為較為清晰的成像圖。對(duì)比2組檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。缺陷信號(hào)的信噪比分別為25.83,7.67，缺陷回波信號(hào)降落一半幅值的頻譜寬度分別為0.9 mm，1 mm，缺陷深度位置檢測(cè)誤差分別為0.3%，3.3%。對(duì)于中厚板低碳鋼的相控陣缺陷檢測(cè)，相比于圓孔狀缺陷，其對(duì)于長(zhǎng)條狀缺陷的檢測(cè)靈敏度、分辨力和精準(zhǔn)度更高。

圖4 不同缺陷類(lèi)型的相控陣C掃描檢測(cè)示意圖

表1 不同缺陷類(lèi)型檢測(cè)靈敏度和分辨力詳細(xì)數(shù)據(jù)

1.3 不同缺陷尺寸的相控陣檢測(cè)對(duì)比

為探究中厚板低碳鋼不同缺陷尺寸的相控陣檢測(cè)效果，對(duì)不同尺寸長(zhǎng)條狀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，探頭陣元中心頻率為15 MHz，激勵(lì)陣元數(shù)目64，聚焦深度設(shè)為30 mm，主軸孔徑設(shè)為8 mm，圖5為不同缺陷尺寸的相控陣掃描檢測(cè)結(jié)果。圖5a為不同尺寸長(zhǎng)條狀缺陷的相控陣C掃描圖，采用上述相控陣參數(shù)得到的不同尺寸缺陷檢測(cè)結(jié)果較好，成像圖均比較清晰，圖5b～圖5d分別為不同尺寸缺陷的S掃檢測(cè)圖，其缺陷尺寸分別為10 mm×1 mm×2 mm，10 mm×0.5 mm×2 mm，10 mm×0.4 mm×2 mm，圖中增益設(shè)置均為60 dB，圖中3個(gè)S掃檢測(cè)對(duì)象分別對(duì)應(yīng)C掃圖像中3個(gè)缺陷。

圖5 不同缺陷尺寸的相控陣檢測(cè)示意圖

對(duì)比3組檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表2。信噪比分別為50.89，25.83，16.66，缺陷回波信號(hào)降落一半幅值的頻譜寬度分別為0.9 mm，1.0 mm，1.0 mm，缺陷深度位置檢測(cè)誤差均為0.3%。對(duì)于Q235低碳鋼的相控陣缺陷檢測(cè)，相控陣聲場(chǎng)對(duì)尺寸較大的長(zhǎng)條狀缺陷的檢測(cè)靈敏度與分辨力較高，缺陷的尺寸對(duì)于缺陷深度位置的檢測(cè)精準(zhǔn)度并無(wú)影響。

表2 不同缺陷尺寸檢測(cè)靈敏度和分辨力詳細(xì)數(shù)據(jù)

2 超聲相控陣的低碳鋼深度缺陷聲場(chǎng)特性

通過(guò)有限元軟件COMSOL模擬仿真相控陣聲場(chǎng)，分析不同缺陷類(lèi)型及尺寸的聲場(chǎng)傳播規(guī)律，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步闡述低碳鋼深度缺陷的聲場(chǎng)作用機(jī)理對(duì)相控陣檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.1 有限元參數(shù)設(shè)置及仿真模型

文中進(jìn)行的超聲相控陣聲場(chǎng)仿真針對(duì)的是線(xiàn)彈性聲場(chǎng)，因此可通過(guò)彈性力學(xué)的聲速方程計(jì)算得到縱波聲速CL，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：E為固體介質(zhì)的楊氏彈性模量，單位為MPa；ρ為介質(zhì)密度，單位為kg/m3；σ為介質(zhì)的泊松比。Q235材料的聲波傳播速度受介質(zhì)的彈性模量(E=2×1011Pa)、介質(zhì)密度(ρ=7 850 kg/m3)與泊松比(σ=0.3)等因素的影響，通過(guò)式(1)計(jì)算可以得到Q235縱波聲速CL=5 900 m/s。

文中采用自由四邊形網(wǎng)格對(duì)試塊模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，對(duì)換能器陣元進(jìn)行了映射網(wǎng)格劃分，其最大網(wǎng)格尺寸設(shè)定為波長(zhǎng)的1/5，即λ/5，對(duì)模型的完美匹配層(PML)進(jìn)行分布層數(shù)為8的映射網(wǎng)格劃分，對(duì)換能器陣元的網(wǎng)格進(jìn)行了極細(xì)化處理，將模型底部反射面與缺陷邊界設(shè)置為硬聲場(chǎng)邊界，設(shè)置瞬態(tài)求解器的時(shí)間步為range(0,T0/10, 20)，求解步長(zhǎng)設(shè)置為周期的T0/10，并采用手動(dòng)的廣義α求解方法對(duì)超聲相控陣聲場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析。

為簡(jiǎn)化建模過(guò)程，采用直接接觸法建立聲場(chǎng)仿真模型，即相控陣探頭直接與工件接觸，圖6為32陣元的超聲相控陣聲場(chǎng)仿真模型。模擬的試塊寬度為50mm，高度為50 mm，并在模型的頂部間隔一定距離均勻分布32個(gè)換能器陣元，對(duì)每一個(gè)陣元施加不同延時(shí)的脈沖激勵(lì)信號(hào)，其聲束垂直于陣元入射，實(shí)現(xiàn)超聲相控陣的聲場(chǎng)聚焦，模型中的物理場(chǎng)包括聲結(jié)構(gòu)邊界與壓電效應(yīng)。

圖6 超聲相控陣聲場(chǎng)仿真模型

該模型中超聲相控陣聚焦于陣元中心的正下方，圖7為超聲相控陣延時(shí)計(jì)算示意圖。C為預(yù)設(shè)焦點(diǎn)；B為陣元中心；A為第一個(gè)陣元中心；D為第n個(gè)陣元中心；N為換能器陣元總數(shù)。在Rt△BCD中，有BC2+BD2=CD2，可以得到表達(dá)式：

圖7 超聲相控陣延時(shí)計(jì)算示意圖

(2)

式中：F為陣元中心到預(yù)設(shè)焦距的距離；tn為第n個(gè)陣元的延遲時(shí)間；p為陣元中心距；c為聲波速度。化簡(jiǎn)得到第n個(gè)陣元的延時(shí)tn的表達(dá)式：

(3)

2.2 不同缺陷類(lèi)型的相控陣聲場(chǎng)傳播規(guī)律

文中建立長(zhǎng)條狀缺陷與圓孔狀缺陷模型仿真超聲相控陣聲場(chǎng)的發(fā)射與傳播，其中長(zhǎng)條狀缺陷尺寸為10 mm×1 mm，圓孔狀缺陷直徑為1 mm，使用局部瞬時(shí)加速度來(lái)代表模型內(nèi)部聲場(chǎng)分布云圖，圖8a為不同時(shí)刻長(zhǎng)條狀缺陷模型內(nèi)部聲場(chǎng)分布云圖，t=1.30 μs與t=3.32 μs時(shí)，相控陣聲場(chǎng)均未到達(dá)缺陷處，t=6.66 μs時(shí)，聲場(chǎng)與長(zhǎng)條狀缺陷相互作用，主要形成缺陷反射波，其缺陷反射方向范圍較窄，且聲場(chǎng)主要能量沿垂直于缺陷方向傳播，其余方向能量占比小，t=7.50 μs時(shí)，缺陷發(fā)射回波沿豎直方向向上傳播，未與缺陷作用的聲場(chǎng)與缺陷衍射波沿豎直方向向下傳播。圖8b為不同時(shí)刻圓孔狀缺陷模型內(nèi)部聲場(chǎng)分布云圖，t=1.04 μs與t=3.80 μs時(shí)，相控陣聲場(chǎng)均未到達(dá)缺陷處，t=5.80 μs時(shí)，聲場(chǎng)在圓孔狀缺陷處發(fā)生反射，其缺陷反射方向范圍較寬，且各個(gè)方向反射波能量分布均勻，與長(zhǎng)條狀缺陷反射回波相比，在豎直方向上的圓孔狀缺陷反射波能量較小，t=8.32 μs時(shí)，缺陷發(fā)射回波沿垂直于圓孔切線(xiàn)方向向外傳播，直接造成了在豎直方向上聲場(chǎng)的一次回波與二次回波均較小。

圖8 不同缺陷形狀的模型內(nèi)部聲場(chǎng)云圖

2.3 不同缺陷尺寸的相控陣聲場(chǎng)傳播規(guī)律

建立不同寬度尺寸與長(zhǎng)度尺寸的長(zhǎng)條狀缺陷模型，對(duì)超聲相控陣聲場(chǎng)傳播進(jìn)行仿真研究，圖9為t=7.50 μs時(shí)不同尺寸缺陷模型的內(nèi)部聲場(chǎng)分布云圖。4種尺寸缺陷模型在t=7.50 μs時(shí)刻均產(chǎn)生了明顯的缺陷發(fā)射波，且發(fā)生了不同程度的衍射，形成了大小不一的聲影區(qū)，缺陷長(zhǎng)度尺寸較小的模型聲影區(qū)最小，如圖9d所示，缺陷長(zhǎng)度尺寸一定時(shí)，隨著缺陷寬度的減小，聲影區(qū)大小隨之提高，即S3>S2>S1，此時(shí)可將缺陷看作為障礙物，其尺寸有限但比超聲波的波長(zhǎng)大得多，入射在缺陷上的聲波幾乎全部被反射，從而在缺陷下面形成一個(gè)上寬下窄的聲影區(qū)[12]，在聲波靠近缺陷邊緣時(shí)，可以將邊緣看作直線(xiàn)聲源[13]，所以聲影區(qū)并非是被缺陷遮擋的全部區(qū)域，不同尺寸的缺陷其聲影區(qū)大小不一。

圖9 不同缺陷尺寸的模型內(nèi)部聲場(chǎng)云圖

2.4 聲場(chǎng)作用機(jī)理對(duì)相控陣檢測(cè)結(jié)果的影響

由聲場(chǎng)仿真結(jié)果可知，試塊中的2種缺陷上表面均與聲場(chǎng)入射方向垂直，因此聲場(chǎng)與2種缺陷發(fā)生作用后的傳播方向一樣，其能量分布區(qū)域及比例差異不大，于是缺陷的上表面尺寸成為了影響接收的回波信號(hào)幅值強(qiáng)弱的主要因素，而缺陷的寬度尺寸影響著聲場(chǎng)與缺陷的衍射作用。顯然，圓孔狀缺陷的表面尺寸相比于長(zhǎng)條狀缺陷小得多，其相控陣聲波與圓孔狀缺陷上表面的反射作用較小。圖10中心陣元組件電壓波形圖。圖10a為不同缺陷形狀模型中經(jīng)過(guò)中心陣元組件的電壓波形圖，長(zhǎng)條狀缺陷模型的缺陷回波信號(hào)與底面回波信號(hào)高于圓孔狀缺陷，同樣說(shuō)明了長(zhǎng)條狀缺陷對(duì)于相控陣聲場(chǎng)在豎直方向上的反射作用更強(qiáng)，換能器接收的缺陷回波與底面回波信號(hào)更強(qiáng)。同時(shí)不同寬度的缺陷模型其底面回波信號(hào)有著細(xì)微的差別，如圖10b所示。結(jié)合實(shí)際檢測(cè)的效果，中厚板低碳鋼深度缺陷的聲場(chǎng)作用對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生著影響，長(zhǎng)條狀缺陷對(duì)于相控陣聲場(chǎng)在豎直方向上的反射作用更強(qiáng)，聲影區(qū)隨缺陷寬度尺寸減小而增大，同時(shí)在缺陷處的反射較為集中的相控陣聲場(chǎng)具有更高的檢測(cè)靈敏度與分辨力。

圖10 中心陣元組件電壓波形圖

3 基于OpenGL的缺陷三維可視化

為獲得中厚板低碳鋼深度缺陷的直觀成像效果，文中探討基于三維數(shù)據(jù)庫(kù)OpenGL的三維顯示算法過(guò)程，并對(duì)中厚板低碳鋼相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)的三維顯示結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。Qt OpenGL是開(kāi)放三維圖形庫(kù)中的一種，功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)建模、變換、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射顯示列表等功能，包含很多渲染函數(shù)[14-15]。文中通過(guò)工具庫(kù)GLUT(OpenGL utility toolkit)處理OpenGL程序，采用子類(lèi)化Qt的QGL Widget控件實(shí)現(xiàn)窗體空間可視化，在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)多普勒三維顯示實(shí)現(xiàn)缺陷的三維可視化。首先初始化OpenGL引擎；隨后進(jìn)行場(chǎng)景繪制，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的柵格化，定義其窗口的寬高；建立了可視化環(huán)境之后，接下來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，在環(huán)境中實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化，其中數(shù)據(jù)繪制函數(shù)包含矩陣標(biāo)準(zhǔn)化、幾何變換及投影繪制等部分，實(shí)現(xiàn)缺陷數(shù)據(jù)完整的三維視圖的顯示；最后對(duì)建立的三維模型進(jìn)行交互層設(shè)置，這里采用鼠標(biāo)追蹤球的方法(鼠標(biāo)響應(yīng)/移動(dòng)/滾輪事件)實(shí)現(xiàn)缺陷三維場(chǎng)景的交互功能，整體算法流程如圖11所示。

圖11 相控陣檢測(cè)缺陷的三維顯示算法流程圖

在三維顯示的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頂點(diǎn)并處理為片元送入幀緩存，這種方式計(jì)算機(jī)更容易將圖像繪制得到。函數(shù)Paint GL()經(jīng)過(guò)矩陣操作、幾何變換和投影變換實(shí)現(xiàn)缺陷數(shù)據(jù)的三維變換，將相鄰的前后臺(tái)位平面幀存依次繪制在三維空間內(nèi)，完成空間缺陷數(shù)據(jù)的三維顯示，OpenGL中圖形變換是通過(guò)矩陣操作實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)由于繪制的圖像是一個(gè)一個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成的，且在投影變化時(shí)會(huì)失去深度信息，因此在繪制圖像之前或之后要清除顏色與深度的緩存，缺陷數(shù)據(jù)的三維繪制方法如下：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|

GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//清除顏色深度緩存

glLoadIdentity();//單位矩陣設(shè)置

glTranslatef(0.0f, 0.0f, d->zTra);//模型變換沿z軸移動(dòng)

glRotatef(d->xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);//模型變換沿x軸旋轉(zhuǎn)

glRotatef(d->yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);//模型變換沿y軸旋轉(zhuǎn)

glRotatef(d->zRot, 0.0f, 0.0f, 1.0f);//模型變換沿z軸旋轉(zhuǎn)

GLdouble _x1, _x2;//double型參數(shù)

GLdouble _y0 =-d->m_fHeight;

for(int i=0; i<2; i++)

{

d->drawlShapeWeld(true, _y0, &_x1, &_x2);//位平面連接處

d->drawFrame(true, _y0, _x1, _x2);//圖像繪制

d->drawlShapeWeld(false, _y0, &_x1, &_x2);

d->drawFrame(false, _y0, _x1, _x2);

_y0+= d->m_fHeight;

}

基于上述缺陷三維顯示過(guò)程，分析驗(yàn)證不同缺陷的三維可視化效果，圖12a為長(zhǎng)條狀缺陷的三維顯示圖，缺陷數(shù)據(jù)的相控陣陣元激發(fā)數(shù)為64，陣元中心激勵(lì)頻率15 MHz，聚焦深度為30 mm，以8陣元分組激發(fā)時(shí)，可以較為清晰看到幾何結(jié)構(gòu)中3個(gè)不同位置的長(zhǎng)條狀缺陷，且缺陷邊界受無(wú)雜波信號(hào)的干擾較小。圖12b為圓孔狀缺陷的三維顯示圖，缺陷數(shù)據(jù)的相控陣陣元激發(fā)數(shù)為32，陣元中心激勵(lì)頻率5 MHz，聚焦深度為30 mm，以8陣元分組激發(fā)時(shí)，可以較為清晰看到幾何結(jié)構(gòu)中三個(gè)不同位置的圓孔狀缺陷，且缺陷三維顯示結(jié)果相對(duì)完整，并未出現(xiàn)缺陷未顯示的情況，同時(shí)相控陣檢測(cè)效果越好，三維顯示結(jié)果越可靠。

圖12 不同缺陷的三維顯示效果

4 結(jié)論

(1)長(zhǎng)條狀缺陷對(duì)于相控陣聲場(chǎng)在豎直方向上的反射作用更強(qiáng)，聲影區(qū)隨缺陷寬度尺寸減小而增大，換能器接收到的底面回波電壓信號(hào)隨之降低，同時(shí)在缺陷處的反射較為集中的相控陣聲場(chǎng)具有更高的檢測(cè)靈敏度與分辨力，這對(duì)于中厚板內(nèi)部缺陷的超聲相控陣檢測(cè)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

(2)實(shí)現(xiàn)了中厚板低碳鋼基于OpenGL的缺陷三維可視化，三維顯示效果清晰直觀，其相控陣檢測(cè)效果越好，三維顯示結(jié)果越可靠。