高琳,郭海瑞,王少鋒,劉文婧,李革,張巍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機械工程學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)機電系統(tǒng)智能診斷與控制重點實驗室,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心(創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院),內(nèi)蒙古 包頭 014010)

到目前為止,焊接技術(shù)仍是制造業(yè)中重要的加工工藝,但由于焊接工藝[1]、焊接結(jié)構(gòu)[2]以及使用周期和外界載荷的影響,焊縫內(nèi)部缺陷尺寸將不可避免的進(jìn)一步擴展,焊接質(zhì)量難以保證,給設(shè)備及操作人員造成重大財產(chǎn)損失和安全隱患.為保證設(shè)備及人員生命安全,對焊縫進(jìn)行檢測工藝優(yōu)化,提高缺陷檢出率就顯得尤為重要[3].

超聲相控陣檢測參數(shù)設(shè)置與缺陷檢測結(jié)果密切相關(guān)[4].馬宏偉[5]等采用控制變量的方法分析了焦距、時間增益補償以及聲束偏轉(zhuǎn)角度等因素對檢測成像的影響規(guī)律,但僅分析了單一因素對檢測結(jié)果的影響,缺少因素間相互作用的考慮;戈浩[6]和楊平華[7]等利用理論與仿真的方法,對相控陣孔徑與橫向分辨力的關(guān)系進(jìn)行了探究,結(jié)果表明通過優(yōu)化不同焦距下檢測孔徑的大小可以提高橫向分辨力,兩者雖考慮了因素間的交互作用但評價方式單一.

本文通過一種科學(xué)的統(tǒng)計分析方法,對超聲相控陣檢測參數(shù)以及參數(shù)之間的交互作用對檢測結(jié)果的影響進(jìn)行研究,并對研究結(jié)果進(jìn)行了分析.

1 試樣制備及評價指標(biāo)

1.1 試樣制備

檢測試樣由2塊不等厚的鋁合金板材通過手工電弧焊法連接,2塊板材之間的夾角為150°,焊縫底部存在0.3 mm的余高.為降低缺陷走向?qū)€陣探頭接收反射聲束所產(chǎn)生的影響,在試塊焊縫處設(shè)置7個垂直于表面長度10 mm,直徑1 mm隨機分布的橫孔缺陷,如圖1(a)所示.

圖1 (a)V型承載件;(b)V型承載件3D建模

1.2 評價指標(biāo)

利用仿真軟件CIVA對V型承載件進(jìn)行3維建模,并根據(jù)實物圖在相應(yīng)位置設(shè)置數(shù)量相同的橫孔缺陷,如圖1(b)所示.以5號和6號缺陷波峰波谷的分貝差作為圖像橫向分辨力的評價指標(biāo),以測量的橫孔尺寸與實際尺寸誤差作為缺陷定量指標(biāo),進(jìn)行超聲相控陣檢測工藝與缺陷成像的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化研究.

2 檢測參數(shù)與工藝分析

2.1 陣元激發(fā)位置分析

借助CIVA仿真軟件對線陣探頭中陣元激發(fā)位置進(jìn)行聲場的仿真分析.以5 MHz中心頻率的64陣元線陣探頭為例,陣元寬度0.5 mm,陣元中心距0.6 mm,保持激發(fā)陣元數(shù)量和聲束折射角度不變,選擇其中32個陣元改變激發(fā)位置,探究聲場變化情況,如圖2所示.

圖2 陣元激發(fā)位置聲場仿真圖(a)楔塊底部陣元;(b)楔塊中部陣元;(c)楔塊頂部陣元

由圖2可以看出,在激發(fā)陣元數(shù)量和聲束折射角度相同的情況下,改變陣元激發(fā)位置僅造成了聲束焦點位置的變化.激發(fā)底部陣元時焦點位置坐標(biāo)為(45,30),中間陣元焦點坐標(biāo)(43,40),頂部陣元焦點坐標(biāo)(42,51),頂部與中間位置陣元的焦點深度更接近仿真預(yù)設(shè)值40 mm,隨陣元激發(fā)位置的前移焦點水平位置也有顯著變化,頂部陣元組合的焦點水平值更大.同時通過對比發(fā)現(xiàn),3組陣元的聚焦區(qū)寬度并沒有發(fā)現(xiàn)明顯變化,表示三者的橫向分辨力相當(dāng),即陣元數(shù)量相同的情況下改變陣元激發(fā)位置不會顯著改變系統(tǒng)橫向分辨力.因此實際檢測過程中在激發(fā)晶片數(shù)量不變的情況下,當(dāng)由于焊縫結(jié)構(gòu)造成探頭的可達(dá)性受到限制時,根據(jù)仿真結(jié)果可以選用楔塊頂部位置的陣元組合,此時會得到更好的檢測效果.

2.2 因素選取與水平設(shè)計

超聲相控陣檢測參數(shù)眾多,文章選取探頭中心頻率、陣元激發(fā)數(shù)量、聚焦深度以及探頭到焊縫前沿的距離為自變量.各變量取值范圍如表1所示.

表1 因素水平設(shè)計

編碼公式為:

(1)

式中:xi線性轉(zhuǎn)換的范圍為[-1,1],Δi為影響因素變化間距,zi0為因素零水平,zi為影響因素的水平范圍.

3 基于響應(yīng)面法的參數(shù)優(yōu)化

3.1 響應(yīng)面模型構(gòu)建

對2因變量和4自變量進(jìn)行響應(yīng)面模型的擬合,表達(dá)式:

(2)

式中:β0為常數(shù)項,是線性系數(shù),βi為二次項系數(shù),βii為交叉項系數(shù),xi,xj分別為自變量.

采用Box-Behnken方法對探頭中心頻率、陣元激發(fā)數(shù)量、聚焦深度、探頭到焊縫前沿的距離進(jìn)行實驗設(shè)計,具體設(shè)計方案見表2.實驗方案一共為29組,其中包括用來估計實驗誤差的5組中心點實驗和24組析因?qū)嶒?該實驗方案考慮了隨機誤差,實驗設(shè)計合理,結(jié)果也更為準(zhǔn)確.

表2 實驗設(shè)計方案及結(jié)果

借助Design-Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立回歸方程,得到關(guān)于缺陷回波的波峰波谷分貝差的多項式方程Y1和關(guān)于缺陷測量尺寸與實際尺寸誤差的多項式方程Y2:

Y1=12.46+3.21×A-0.1583×B+1.51×C-0.275×D-0.325×AB-0.75×AC+0.4×AD-0.5×BC+0.1×BD+0.075×CD-1.61×A2-7.61×B2-1.78×C2-12.63×D2.

(3)

Y2=0.388-0.64×A+0.114 2×B-0.42×C-0.035 8×D+0.095×AB+0.397 5×AC+0.037 5×AD-0.115×BC-0.027 5×BD+0.032 5×CD+0.253 5×A2+2.35×B2+2.14×B2C.

(4)

表3 分辨力方差分析表

表4 尺寸誤差方差分析表

此外,如圖3(a),(b)殘差正態(tài)分布圖所示,響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差序列點基本成正態(tài)分布在一條直線上,也都表明了兩者建立的響應(yīng)面模型的合理性[8].

圖3 殘差分析結(jié)果圖(a)分辨力殘差正態(tài)分布圖;(b)尺寸誤差殘差正態(tài)分布圖

3.2 工藝參數(shù)對缺陷分辨力和定量能力的分析

根據(jù)擬合方程,進(jìn)行3D響應(yīng)面圖和等高線圖的繪制,從而直觀的了解各因素之間的交互作用以及對響應(yīng)值的影響.響應(yīng)曲面坡度越陡峭、曲面顏色變化越快、等高線圖越趨于橢圓形表示兩個因素之間的交互作用越顯著[9,10].

圖4為各因素對缺陷檢測分辨能力影響的響應(yīng)面圖,主要用于評價2因素交互作用對缺陷分辨力的影響.根據(jù)方差分析結(jié)果主要繪制了探頭中心頻率陣元數(shù)量、陣元數(shù)量聚焦深度的響應(yīng)面圖.由圖4(a)可知,在聚焦深度固定情況下,曲面顏色和坡度在陣元數(shù)量方向上逐漸變高但變化緩慢,這意味著在聚焦深度一定的情況下并不是陣元數(shù)量越多缺陷分辨能力越強;在聚焦深度方向,缺陷分辨能力呈先增加后減小的趨勢,這是因為實際缺陷位置與聚焦位置相近,缺陷分辨能力更強,從而可以看出聚焦深度對缺陷分辨力影響更大,由圖4(b)可知,在陣元數(shù)量方向上,缺陷檢測分辨能力變化緩慢,隨探頭中心頻率的增加,缺陷檢測的分辨能力變化更快,此外等高線圖呈現(xiàn)橢圓狀,表明兩者的交互作用較為明顯.

圖4 分辨力的響應(yīng)面圖

圖5為各因素對缺陷定量能力影響的響應(yīng)面圖,主要用于評價2因素交互作用對缺陷定量能力的影響.由圖5(a)可知,在較少陣元數(shù)量的情況下隨聚焦深度的增加缺陷定量能力變化不明顯,隨陣元數(shù)量的增加,在較大聚焦深度和較小聚焦深度位置均不利于對缺陷的定量,在缺陷位置聚焦時有較好的定量能力;由圖5(b)可知,當(dāng)聚焦深度和探頭距離焊縫前沿距離固定為零水平時,缺陷尺寸誤差隨中心頻率和陣元數(shù)量的增加尺寸誤差進(jìn)一步減小,且根據(jù)二維等高線密度可知,探頭中心頻率的大時可以選擇較少的陣元數(shù)量.

圖5 尺寸誤差的響應(yīng)面圖

3.3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

使用Design Expert軟件中的優(yōu)化模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,以波峰波谷分貝差的最大和尺寸定量誤差的最小化為目標(biāo),在探頭中心頻率為5～15 MHz,陣元數(shù)量為32～64個,聚焦深度為30～50 mm,探頭距焊縫前沿為0～10 mm范圍內(nèi)得到100組不同參數(shù)的預(yù)測值.在最優(yōu)參數(shù)組合下利用CIVA軟件進(jìn)行超聲相控陣檢測工序的模擬,最佳參數(shù)組合條件下,缺陷的橫向分辨力即波峰波谷分貝差和缺陷的定量尺寸誤差的模擬實驗結(jié)果如表5所示.波峰波谷分貝差預(yù)測值與模擬值相差1.12%,缺陷尺寸預(yù)測值與模擬值僅差0.01 mm,證明多目標(biāo)優(yōu)化后的預(yù)測值與模擬值十分吻合,從而表明了近似模型的有效性.

表5 最優(yōu)參數(shù)組合分析表

4 實驗驗證

使用多目標(biāo)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行實驗驗證,圖6為實驗平臺,包括筆記本工作站、panther相控陣檢測儀、64陣元探頭及楔塊和耦合劑機油等.在進(jìn)行檢測前要在工件表面均勻涂抹一層機油保證探頭與工件的良好耦合,選擇掃查方式為扇形掃查,設(shè)置掃查角度為35°～70°,聚焦方式為深度聚焦,聚焦面類型為平面聚焦.檢測結(jié)果如圖7所示,波峰波谷分貝差約為14.75 dB,與模擬仿真預(yù)測值相差約0.6 dB;-6 dB法缺陷測量尺寸約為1 mm,與模擬仿真預(yù)測值基本一致;結(jié)果表明優(yōu)化后的組合參數(shù)可以滿足缺陷的檢出和定量情況.

圖6 實驗平臺

圖7 實驗結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文借助CIVA仿真軟件對影響焊縫缺陷檢測結(jié)果的超聲相控陣參數(shù)進(jìn)行了響應(yīng)面分析,結(jié)果表明:

1)通過聲場分析對線陣探頭中陣元激發(fā)位置進(jìn)行了優(yōu)選,在陣元數(shù)量相同的情況下改變陣元激發(fā)位置不會顯著改變系統(tǒng)橫向分辨力,但當(dāng)由于焊縫結(jié)構(gòu)造成探頭的可達(dá)性受到限制時,楔塊頂部位置的陣元組合會得到更好的檢測效果.

2)利用響應(yīng)面法,建立了不同探頭中心頻率、聚焦深度、激發(fā)陣元數(shù)目、探頭距焊縫前沿距離下相控陣超聲檢測分辨力與缺陷定量的統(tǒng)計模型,分析得到探頭中心頻率和激發(fā)陣元數(shù)目對分辨力和缺陷尺寸定量的影響最為明顯且兩者的交互作用最強.

3)得到了超聲相控陣檢測的最佳參數(shù)組合為:探頭中心頻率14.75 MHz、陣元數(shù)量為52個、聚焦深度為39.627 mm、探頭距焊縫前沿距離為5.112 mm,該參數(shù)組合下波峰波谷幅值差為14.157 dB,缺陷尺寸測量誤差為0.01 mm,實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果基本一致.驗證了該方法在優(yōu)化超聲相控陣檢測工藝方面的可行性,在縮短檢測時間的同時,實現(xiàn)缺陷的全部檢出和較好的定量要求.