聚焦超声Lamb波法环焊缝检测机理及缺陷定位研究

针对大型焊接结构缺陷现有声学检测方法存在的动态扫查、需要去除包覆层、防寒层、对被测体表面光洁度要求高等技术弊端，项目突破常规超声波法动态接触扫查的检测理念，提出了“焊缝导波一点激发、长距离静态检测”的解决思路。围绕这一思路，开展了相关研究并取得如下主要进展及成果：研究发现了导波在焊缝中传播时具有声能量汇聚的通道效应，将其命名为“焊缝导波”；采用试验和仿真相结合的研究方法，阐明了焊缝导波的传播规律及与缺陷体的作用机制。以理论研究为指导，试验研究获得了有效的焊缝导波激励策略及优化模态选择方法。在此基础上，提出了一种基于RLS滤波的杂波抑制方法，有效识别距离测点10mm以内的缺陷信号，从而减小了检测盲区，扩大了有效检测范围；提出了基于相邻测点信号相关的改进小波包噪声抑制方法，克服了粗晶材料噪声难以抑制的技术问题，有效识别了奥氏体焊缝中直径1.5mm的人工孔；提出一种基于双测点信号渡越时差的焊缝导波缺陷定位方法，焊接缺陷（气孔）定位精度最大绝对误差不超过6mm，平均绝对误差为3.6mm；焊缝导波技术的检测灵敏度达到：采用1.5MHz超声探头，有效识别距离测点500mm、直径2mm、深4mm的人工孔，人工孔回波信号幅值达屏高34%；研发了便携式焊缝导波检测系统及自动爬壁焊缝缺陷检测行走机构。相关研究成果对大型焊缝缺陷快速识别及定位有着重要的潜在应用价值。 2100433B

由于声耦合的需求，在实施常规超声波法缺陷检测前，需根据探头扫查范围对环缝结构进行包覆层去除或漆面清理。这一技术环节既费时费力又耗财，严重阻碍了超声波法的推广应用。针对这一普遍存在的工程问题，本项目突破常规超声波法动态扫查检测的理念，提出“采用聚焦超声Lamb波法实现有限点处激发、环缝全缝静态检测”的思路。针对这一构思，拟采用数值模拟方法分析聚焦Lamb波场的激发形成、Lamb波在由环缝曲面、焊缝上下表面及焊趾组成的复杂边界结构中的传播、Lamb波与缺陷的作用过程；在仿真研究的指导下，采用数字化信号处理技术对多模态回波中的杂波成分进行抑制并提取缺陷信息，最终实现静态检测方式下缺陷在环缝周向的定位。本项目旨在阐明基于超声Lamb波法复杂结构缺陷的声学检测机理，揭示多模态Lamb波信号特征与缺陷位置之间的内在联系规律。相关研究成果对焊缝缺陷快速识别及定位有着重要的潜在应用价值。

为了减轻负载，在航天、航空等现代工业制造中，越来越多地采用薄板多栅格焊接结构。受限于多栅格结构的复杂性以及结构中板材的厚度，现有的常规无损检测技术难以实施有效的焊接质量评定。因此，薄板多栅格焊接结构的质量检测一直是亟待解决的技术难题。针对这一技术问题，本项目提出采用超声Lamb 波技术实现声波一处激发、多缝检测的方法，并开展了复杂结构焊接缺陷超声检测机理及缺陷信号识别的研究工作。首先，采用基础实验和模拟仿真相结合的研究方法，探索了超声Lamb 波在复杂结构中的检测机理。相关研究主要包括：分析了不同模态超声Lamb波的激励条件、波结构，研究了不同条件下的回波模态识别；定量及定性研究了多栅格焊接结构中超声Lamb波的传播行为及与缺陷体的作用过程；分析了声波在栅格结构几何尺寸突变处及缺陷体处发生的反射及透射行为；通过模拟仿真实现了超声Lamb波传播过程的可视化，并对典型缺陷体超声Lamb波检测回波信号进行了预测；最终选择了行之有效的超声Lamb模态及频率。以检测机理的理论研究为指导，研究了超声Lamb波信号中的缺陷特征信息的识别方法，主要包括：基于HHT的缺陷尺寸量化测量；噪声信号抑制及缺陷信号复原；基于相位信息识别的走时提取；基于声影技术的栅格结构缺陷快速检测方法；高灵敏度线聚焦超声检测方法等。研究结果表明：HHT对于识别栅格结构检测的Lamb波模式具有效性，同时IMF1分量瞬时幅值的峰值对缺陷尺寸具有较好的表征效果；基于子波相关的改进小波噪声抑制具有更好的噪声去除效果，且具有更好的鲁棒性；基于改进维纳滤波技术的处理技术能有效提取信号的相位及走时信息；基于声影技术的缺陷快速检测方法，能够实现栅格结构中3条焊缝的同时检测。本项目的研究成果为薄板复杂结构构件难于实施无损检测的问题提供解决思路，进而为保证该种构件的生产质量及使用安全可靠性奠定基础。对于生产中的质量控制、节约原材料、改进工艺以及保障安全运行都有着极为重要的现实意义。 2100433B

受限于复杂几何结构带来的常规无损检测技术不可达性，薄板多栅格钎焊结构的焊接质量检测与评价成为其生产过程中的技术瓶颈。针对这一亟待解决的技术问题，根据前期研究基础，本项目突破常规超声脉冲波法单点检测的理念，提出采用超声Lamb波技术实现声波一处激发、多条钎缝检测的思路。瞄准本领域研究前沿，采用数值模拟技术分析Lamb波在多栅格钎焊结构中的传播行为；并以此为理论指导，采用先进的信号处理技术有效解读检测回波信号中的缺陷特征信息。具体研究内容包括：Lamb波在复杂结构中的传播及与缺陷体的作用过程分析；噪声信号抑制及缺陷信号复原；缺陷信号频散效应的消除及走时信息的提取。本项目旨在阐明复杂结构中Lamb波的反射、透射机理，揭示检测回波信号与缺陷形态之间的内在联系规律。其研究成果将为薄板复杂结构构件难于实施无损检测的问题提供解决思路，进而为保证该种构件的生产质量及使用安全可靠性奠定基础。

管道超声内检测技术目前面临的突出问题是检测数据量太大，无法实现全部数据的存储和实时处理，无法同时实现多种缺陷快速检测。本课题拟开展基于稀疏采样的超声传感器复合阵列快速检测壁厚变化类缺陷、渗漏孔、轴向及周向裂纹的机理和方法研究。首次提出超声专业字典概念，实现超声检测回波信号最稀疏表达；创新性运用稀疏采样原理，提出超声传感器检测回波信号稀疏采样机理与前端物理实现方法；创新提出稀疏采样值快速解算缺陷回波信号特征参数方法，无需重建检测信号，解决稀疏采样值恢复原始检测信号的时间贪婪性问题；采用超声传感器复合阵列方法，建立阵列空间结构参数与缺陷回波特征参数关联模型，实现稀疏采样条件下不同空间趋向缺陷重构。本课题将为解决目前管道超声内检测技术难题提供科学依据。