基于激光超声的搅拌摩擦焊接头缺陷表征及机理研究项目摘要

以宇航焊接结构（件）FSW焊接头缺陷检测及评价为背景，本项目尝试发展一种基于激光超声的FSW典型焊缝缺陷（根部未焊合、S线和孔洞）表征及质量评价的理论和方法。主要研究内容包括：设计FSW焊缝缺陷激光超声检测系统，提出采用激光定相位阵列激发超声波的新方法；建立典型FSW焊缝缺陷（根部未焊合、S线和孔洞）试样的纵波、导波和界面波评价体系；探究从反射纵波/直达纵波幅度比值、频散曲线以及界面波衰减等角度提取缺陷信息的方法；发展支持向量机知识提取与建模方法探究FSW焊缝缺陷的定量识别与分类策略。试图为解决FSW接头焊接缺陷定量描述和识别分类的难题提供有价值的科学方法和技术途径，并形成一定的理论方法及其技术应用的创新性结果。

以航天2219铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷检测及评价为背景，研究搅拌摩擦焊焊缝典型缺陷（隧道孔、根部未焊合及S线）的缺陷表征及评价方法。建立典型缺陷的表面掠射纵波、界面波和反射纵波的瞬态声场模型，形成搅拌摩擦焊焊缝弱连接缺陷、根部未焊合和隧道孔缺陷的激光超声检测信号反射纵波/掠射纵波幅度比值、界面波衰减及频域特征的评价方法。结合绕射偏移成像算法，反演隧道孔缺陷轮廓的高分辨率图像，基于检测的缺陷信号时多频段特征信号、声场模式，给出基于结构风险最小化原则的支持向量回归建模方法，获取典型缺陷分类、识别知识模型。实现激光超声在搅拌摩擦焊缺陷检测、评价方法的应用创新。

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。

以管道缺陷为检测对象，以超声波为检测手段，研究了基于稀疏采样的管道缺陷超声波复合阵列内检测技术，在准确保留超声检测信号特征参数信息的基础上，大幅度减少了检测过程中产生的超声回波信号采集数据量，便于全部检测数据的有效存储和实时处理。结合超声复合阵列传感器，能够快速检测出壁厚变化类、渗漏孔、轴向及周向裂纹多种类型的缺陷。通过本项目的研究，建立了专用的超声专业字典，实现了检测脉冲超声信号的最稀疏表达；在理论上建立了超声检测信号稀疏采样的理论框架，并且采用硬件电路首次实现了超声检测信号物理稀疏采样，突破了传统奈奎斯特采样的局限，电路性能满足设计要求；在不重构原检测信号的基础上，直接由稀疏采样得到的数据解算出了回波信号的声学特征参量，解决了稀疏采样值恢复原始检测信号的时间贪婪性问题；建立了超声传感器复合阵列空间结构参数与缺陷回波特征参数关联模型，实现了稀疏采样条件下不同类型缺陷重构与可视化成像。达到了项目申请时的既定目标。 2100433B

薄板焊缝中缺陷尺寸小，周围结构复杂，成为无损检测中的难点。激光超声是一种非常有潜力的检测技术，本项目针对这一问题，提出采用脉冲激光扫描-干涉仪固定接收的检测方式，充分挖掘波形数据所包含的丰富信息，并进行多波成像研究。本项目拟从以下四个方面由浅入深地开展研究：1.半无限大材料中的多波偏移成像方法；2.有限厚度材料中的多波成像算法；3.不同类型缺陷时的子波成像质量及优化选择；4.三维多波成像方法及布阵优化。通过以上研究，建立有限厚度材料中的多波成像方法，得到对不同缺陷最为灵敏的子波成像，发展三维多波成像阵列布局优化的方法，并将其应用于激光超声系统，不需对焊缝表面进行处理，就可以对各种缺陷进行成像检测。通过本项目的研究，有望克服薄板焊缝中微缺陷的检测难题，具有良好的应用前景。