超声检测识别CFRP复合材料PTFE夹杂与富树脂缺陷

针对碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)缺陷试样制作困难且不同夹杂缺陷难识别的问题,采用仿真与试验相结合的方法,开展聚四氟乙烯(PTFE)夹杂与富树脂缺陷超声检测研究。首先建立考虑CFRP层结构弹性各向异性的多向层合板超声反射法有限元模型,对比模拟与试验得到的A扫描时域信号,证明了模型的有效性。在CFRP层合板内部设置宽度6 mm,厚度0.03~0.40 mm的PTFE夹杂和厚度0.03~0.85 mm的富树脂缺陷,模拟得到超声A扫描信号,分析比较两种缺陷厚度变化对超声信号幅值最大值和波形峭度因子的影响。结果显示,随着缺陷厚度增加,PTFE夹杂及富树脂缺陷信号的幅值最大值和峭度因子均呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势,但富树脂缺陷信号幅值最大值低于PTFE夹杂,其峭度因子随厚度变化滞后于PTFE夹杂。

基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

为解决碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)孔隙率超声衰减法检测中,理论值与试验值存在差异的问题,基于随机介质理论,建立CFRP孔隙特征的数学描述方法。该方法利用极值搜索法对椭圆形自相关函数随机介质构造方法进行改造。通过正交试验分析各构造参数对随机孔隙构造结果的影响,并利用CFRP试样的大量孔隙形态及分布统计数据,对自相关长度ab、自相关长度比r0=a/b及分区边长D等参数进行优化,最终构建CFRP随机孔隙模型。研究发现,随机孔隙模型能够反映孔隙的形貌及分布等随机特征,为研究CFRP孔隙对超声波的散射作用提供理论依据。根据此模型计算出的超声衰减系数与孔隙率对应关系与试验结果之间规律一致。表明该随机孔隙模型能够很好地表征CFRP的整体弹性性能及由随机孔隙引起的局部弹性微扰。

基于频域稀疏盲解卷积的奥氏体不锈钢TOFD盲区小缺陷定量检测

针对超声衍射时差法(TOFD)检测奥氏体不锈钢近表面盲区内小尺寸缺陷时的信号混叠及结构噪声问题,提出了频域稀疏盲解卷积法。在厚为35 mm奥氏体不锈钢试块TOFD近表面检测盲区内加工深为3.0mm,高为3.0 mm的人工缺陷,基于匹配追踪算法(MP)对TOFD试验信号进行稀疏分解,解耦噪声部分,再利用同态变换并结合L_(1),L_(2)范数约束建立反演问题目标函数,并利用内点法求解。结果表明,在无需参考信号的情况下,该方法能够分离TOFD表面直通波和缺陷上、下端点衍射波,计算求得缺陷深为3.04 mm,高为2.65 mm,最大误差不超过11.7%。

厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝超声相控阵检测技术概述

铸造奥氏体不锈钢(Cast austenitic stainless steel,CASS)管道的焊接质量直接关系到核反应堆的安全,在核动力装置的检验规范中,对此类焊缝加工质量及服役期间状况提出无损检测的强制性要求,但CASS焊缝组织状态的复杂性给超声检测工作带来困难,研究采用相控阵超声检测(Phased array ultrasonic testing,PAUT)技术解决这一难题已成为国内外无损检测工作者关注的热点。概述厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的难点,归纳相应的关键技术及解决策略,并简述近期国内外相关研究工作的进展和成果,以期为厚壁CASS管道焊缝的PAUT技术提供借鉴和参考。

激励电压对压电阻抗法检测灵敏度的影响

研究了锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectric ceramic,简称PZT)传感器的激励电压与压电阻抗法(electro-mechanical impedance,简称EMI)结构健康监测技术灵敏度之间的关系。借助WK 6500B精密阻抗分析仪及自行搭建的高激励电压电阻抗测试系统(high excitation voltage electrical impedance measurement sys-tem,简称HEVEIMS),在0.01～20V之间8种不同激励电压下,对尺寸为1250mm×100mm×3mm铝梁结构上距离PZT传感器1 000mm的直径为1.2,2.5和3.5mm的通孔损伤进行了检测。研究结果表明,激励电压与检测灵敏度之间的关系是非单调的。在1～10V范围内,提高激励电压能够显著增大EMI方法的检测灵敏度。高激励电压下PZT电阻抗信号中非线性成分增多是导致EMI方法检测灵敏度升高的主要原因。研究结果不但为EMI检测中激励电压的选取提供了参考,也为明确激励电压与检测灵敏度之间的相关关系提供了数据支持。

合成孔径聚焦技术在超声衍射时差法缺陷长度定量中的应用研究

超声衍射时差法（Time of flight diffraction,TOFD）中由于探头具有一定声束宽度使得缺陷D扫描图像中存在甩弧现象,导致检测图像横向分辨率差,缺陷起始位置确定困难,长度定量误差大。为了提高缺陷长度定量精度,引入合成孔径聚焦技术（Synthetic aperture focusing technology,SAFT）,并建立D扫描图像SAFT数学模型。借助CIVA仿真软件,对长度范围为5.0~45.0 mm的9个矩形槽进行TOFD检测D扫描模拟,并利用SAFT对D扫描图像进行处理与重建,结果显示缺陷的有效衍射信号得到增强,甩弧现象减弱甚至消失;对于长度为5.0 mm的矩形槽,经SAFT处理后,缺陷定量误差为-0.4 mm。将该方法应用到长度分别为5.0 mm和40.0 mm的表面开口槽试验D扫描图像处理中,缺陷长度定量误差分别为0.4 mm和0.8 mm。研究结果表明,通过D-SAFT技术能够有效提高缺陷D扫描图像横向分辨率,实现缺陷长度精确定量。

相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析

使用带有斜楔的60晶片线型阵列换能器,以扇扫成像方式,对孔径为8~30 mm范围内,焦距分别为30 mm、40 mm、60 mm、80 mm时相控阵系统的横向分辨力进行了实验测定。研究发现：焦距一定时,随线阵换能器孔径的增大,系统的横向分辨力提高;孔径一定时,随焦距增加,系统横向分辨力降低;焦距和换能器孔径对相控阵成像分辨力影响显著。实测结果与理论分析以及已有文献的数值模拟结果具有良好的一致性。研究结果对于相控阵超声检测的工程应用具有重要参考价值。

基于EBSD技术构建弹性各向异性粗晶材料超声仿真模型的研究

针对弹性各向异性粗晶材料晶粒结构和取向定量描述困难,导致超声检测仿真结果与试验符合程度较差的问题,提出基于电子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction,EBSD)技术确定晶粒形态及晶体取向的建模思路。利用EBSD技术实测得到了尺寸为96 mm×12 mm的离心铸造奥氏体不锈钢(Centrifugally cast austenitic stainless steel,CCASS)轴-径向截面的晶体取向图谱,选择15°取向相(差)角定义EBSD图谱的晶粒结构,并对晶体取向进行归一化处理。在此基础上借助Bond变换法赋以晶粒在对应晶体取向下的刚度矩阵,对模型中晶粒的弹性特征进行量化表征,建立CCASS超声检测模型。采用时域有限差分法进行数值计算,结果表明:利用该方法能够较好地重现CCASS超声检测特有的结构噪声和主频降低等现象,为揭示超声波在弹性各向异性粗晶结构中的散射机理提供了解决思路。

基于SHAP可解释性的焊缝缺陷类型超声识别XGBoost模型

针对焊缝缺陷机器学习超声识别过程中存在特征冗余、可解释性差等问题,提出了一种基于SHAP可解释性的焊缝缺陷超声识别XGBoost(极限梯度提升)模型。在碳钢焊缝试样上加工4类典型缺陷,采用横波斜入射法采集超声反射回波信号,分别提取16个时域特征、16个频域特征以及3个信息熵特征。计算SHAP值并选择其前8个高贡献特征构建特征子集,利用交叉验证和网格搜索优化XGBoost模型进行缺陷识别。试验结果表明,4种缺陷识别的平均准确率为96.7%;其中,横通孔的识别效果最佳,精确率、召回率和F_(1-score)均达到100%,三角槽次之,方形槽略差,矩形槽的识别结果最差,其精确率、召回率和F_(1-score)均为93.3%。最后,讨论了高贡献特征与缺陷类别之间的相关性,并对特征贡献差异及其原因进行了分析。

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。

奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合相控阵超声检测

针对核电站主管道奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合超声检测困难的问题,该文开展基于电子背散射衍射技术的相控阵超声检测研究,并结合全聚焦方法和相位相干成像方法抑制结构噪声。利用电子背散射衍射技术建立壁厚69.5 mm,且同时包含母材和焊缝的奥氏体不锈钢窄间隙焊缝模型。沿焊缝熔合线设置深度26.5 mm、高度3.0 mm的侧壁未熔合,经过仿真优化确定了中心频率2.25 MHz、32阵元以及45°纵波楔块的相控阵超声检测参数。仿真和实验检测结果显示,侧壁未熔合检测信噪比相差不超过0.6 dB,验证了所建模型的有效性。在此基础上,利用全聚焦方法和相位相干成像方法削弱结构噪声,检测信噪比较相控阵扇扫描图像分别提升2.3 dB和4.7 dB,且侧壁未熔合深度与高度定量误差均不超过6.7%。

HIPIB辐照前后Cr_2O_3陶瓷涂层超声衰减特性研究

采用等离子体喷涂方法在不锈钢基体上制备了厚度为50μm的Cr2O3陶瓷涂层,借助强流脉冲离子束(HIPIB)对涂层进行辐照,改变了涂层中的孔隙率及微裂纹阵列分布。利用超声水浸聚焦方法获得了辐照前后涂层试样的回波信号及其反射系数谱。结果表明,辐照前后涂层材料中超声波衰减系数与频率之间的关系分别为α=0.28f+9.50×10-4f2+7.04×10-6f4和α=0.11f+2.10×10-4f2+8.73×10-6f4,数据拟合与实验结果相符,超声表征结果与陶瓷涂层横截面的SEM(Scome lectric microscope)基本一致。

材料薄层超声无损测厚方法评述

介绍了四种典型的材料薄层超声测厚方法———脉冲回波法、时域反射场分析法、兰姆波法及表面波法,阐述了四种测厚方法的基本原理,并结合具体的研究实例,对不同测厚方法的优缺点和适用条件进行了综合评述。

基于几何方法的焊缝倾斜裂纹TOFD定量检测

针对合金钢对接焊缝中倾斜裂纹定量困难的问题,提出了TOFD（超声衍射时差法）定量检测倾斜裂纹的方法。基于焊缝纵断面方向上两次B扫查间隔、两次B扫查过程中声程最短时编码器移动距离差和倾斜裂纹三者所构成的三角形,利用三者之间几何关系实现裂纹倾斜角度与长度定量。模拟结果表明：对长度5,10,60mm,倾斜角度范围为10°~90°的裂纹进行定量验证,角度定量误差小于1°;长度定量相对误差小于5%。试验针对对接焊缝试块中长度60mm,倾斜角度范围为30°~60°的倾斜裂纹应用此方法进行定量验证,可得裂纹角度定量误差最大值为0.29°;长度定量误差最大值为0.94mm。

CFRP复合材料孔隙几何形貌定量分析与研究

利用超声衰减法检测复合材料孔隙率得到了广泛应用,但该方法的理论分析与实测结果只适用于特定频率或特定孔隙率范围。原因之一是理论模型中引入的孔隙几何形貌假设与实际情况不符。采用热压成型法制备了孔隙率为0.03%～4.96%的碳纤维增强树脂(CFRP)试样。采用金相组织观察和定量统计分析方法,研究CFRP复合材料的孔隙长度L、等效宽度W和形状因子Rs等定量表征孔隙几何形貌参数的变化规律。结果表明:孔隙长度L和等效宽度W分别在10～350μm和10～100μm范围内;随孔隙率的增加,L和W增大,且L比W增大的幅度大;孔隙率由0.03%增加到4.96%,圆形和椭圆形孔隙的比例减少,不规则形孔隙的比例增加。该研究结果为建立准确的孔隙率超声衰减法检测模型提供了重要的试验依据。

基于SAFT提高TOFD检测缺陷长度定量精度的探讨

针对超声衍射时差（TOFD）方法中由于存在甩弧现象导致缺陷长度测量误差大的问题，借助CIVA仿真软件及合成孔径聚焦技术（SAFT），对长度范围5．0～45．0mm的9个矩形槽的D扫图像进行处理与重建。结果表明，D-SAFT处理技术能够有效降低干扰衍射信号的影响，使缺陷甩弧现象减弱甚至消失，缺陷最大测量误差由处理前的最大5．0mm降低至0．6mm。此外，对Farhang等人提出的变角度解卷积（ADD）结合SAFT方法（SAFTADD）在提高TOFD缺陷定量精度上的应用前景进行了展望。

核电站BOSS焊缝的相控阵超声检测

核电站BOSS焊缝(核辅助系统小支管与主管连接的管座焊缝)在焊接和服役时可能会产生缺陷,必须对其实施无损检测。与目前常用的渗透和射线检测方法相比,相控阵超声检测(PAUT)技术具有检测灵敏度高、缺陷可定位等优势,可应用于BOSS焊缝的缺陷检测。以SKETCH14规格BOSS焊缝为例,对其开展相控阵超声检测。首先结合BOSS焊缝几何结构,选取适配的PAUT探头和楔块,制定检测方案;加工了处于不同深度的8个?2 mm横通孔和4个高度为3 mm的内壁槽,分别模拟体积型和面积型缺陷;最后进行了检测试验。试验结果表明,采用该PAUT检测方案,可实现12个缺陷的有效检出,且缺陷深度定量误差不超过6.9%。

Lamb波在薄铝板无损评价中的模态识别与应用

在厚度为0．7mm的铝板上制作直径为Ф0．6～1．8mm的通孔，以模拟薄铝板中的孔洞类缺陷。利用Matlab软件绘制了Lamb波的频散曲线和质点位移一幅度曲线。根据频散曲线和质点位移一幅度曲线，选择S0模态的Lamb波。试验结果表明，S0模态Lamb波的信号峰值与缺陷大小具有良好的对应关系。

基于波型转换的TOFD近表面盲区抑制研究

针对超声衍射时差法(Time of flight diffraction,TOFD)存在的近表面盲区问题,基于波型转换理论,提出盲区抑制方法。根据TOFD平行扫查时变型波变化规律,明确裂纹深度d与变型波声程最短时缺陷偏心距(35)S之间的理论关系。考虑到(35)S读数误差较大的问题,引入直通波与变型波声程最短位置点间的垂直距离d′,从而实现近表面盲区抑制。选用中心频率10 MHz、折射角度70°以及探头中心间距(Probe center spacing,PCS)17.00 mm的TOFD探头对,通过模拟与试验的方法对厚度35.00 mm碳钢试块中深度1.00~6.00 mm的底面开口槽进行平行扫査和定位检测。结果表明,该方法可将近表面盲区抑制到1.00 mm,深度2.00 mm底面开口槽定位误差最大,误差绝对值为0.24 mm。

基于自回归谱外推的小尺寸裂纹TOFD定量检测

利用超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction,TOFD)对合金钢焊缝中的小尺寸裂纹实施检测时,受脉冲宽度等因素制约,裂纹上、下端点的衍射波会发生混叠,而导致裂纹高度定量困难。采用自回归谱外推(Autoregressive Spectral Extrapolation,ARSE)技术对混叠信号进行处理,扩展有效频带范围,达到压缩时域信号脉宽和提高时间分辨率的目的。结果表明,结合ARSE技术可有效分离混叠信号,实现厚度100.0mm合金钢中深度50.0mm处高度1.0mm裂纹的TOFD定量检测,且相对定量误差不超过5.3%。