Page 102 - 《应用声学》2021年第1期

98 2021 年 1 月

本文针对壁厚 69.5 mm 核电站主管道奥氏体
0 引言
不锈钢窄间隙焊缝试样，基于 EBSD 技术建立同时
核电站厚壁奥氏体不锈钢主管道连接采用窄 包含母材与焊缝的模型，采用仿真与实验相结合的
间隙自动焊技术，焊接过程中电弧轴向与焊缝侧壁 方式对侧壁未熔合相控阵超声检测工艺及检测结
夹角小，导致熔敷金属与焊道侧壁熔合不充分，易形 果进行探讨。同时，结合TFM和PCI方法进行信号
成侧壁未熔合 [1−2] 。侧壁未熔合属于面积型缺陷， 后处理，进一步抑制结构噪声。
端点处容易发生应力集中，对长期服役的主管道危
1 原理
害极大。按照 NB/T 47013.15《承压设备无损检测》
标准要求，必须对其实施无损检测。超声检测具有 1.1 相控阵超声检测
对人体无害、便于现场应用等优点，且对面积型缺陷
相控阵超声检测技术是通过控制阵列换能器
更为敏感。相控阵超声检测技术特有的声束偏转和
各阵元激励脉冲信号的延迟时间，使阵元发射声波
聚焦功能进一步提高了超声波穿透能力和检测灵
在空间产生干涉效应，进而形成具有偏转和聚焦特
敏度，应用于核电站主管道焊缝检测有较大优势 [3] 。
性的合成声束，实现空间内某一点的聚焦 [16] 。相控
围绕厚壁奥氏体不锈钢相控阵超声检测的研究较
阵超声检测参数主要包括探头频率、聚焦深度和偏
多，主要集中在检测工艺优化、超声散射机制分析
转角度等，针对特定材料及缺陷，对检测参数进行调
和边钻孔超声检测等方面，关于侧壁未熔合的检测
整可得到最优检测参数。通过多个角度声束信号合
研究鲜有报道 [1,4] 。
成，获得实时扇扫描图像，读取图像中呈现出的缺陷
侧壁未熔合取向垂直，表面反射波具有方向性，
端点峰值位置即可实现缺陷定量、定位检测。
且受奥氏体不锈钢粗大晶粒影响，接收的回波信号
能量较弱，检测信噪比偏低 [5] 。因此，需要借助建模 1.2 全聚焦方法
仿真及实验优化相控阵超声检测工艺，并进一步结 全聚焦方法是一种基于全矩阵捕捉 (Full ma-

合信号后处理技术提高侧壁未熔合检测信噪比。其 trix capture, FMC) 数据的信号后处理算法 [17] 。对
中，建立焊缝仿真模型进行数值计算，能够直观呈现 于一个由 N 阵元组成的相控阵列，每个晶片依次激
声场特性，有助于分析超声波传播与散射过程，以及 发，同时所有晶片接收，可以得到 N × N 个 A 扫描
与缺陷的相互作用规律。近年来，随着显微观测技 信号组成的 FMC 矩阵 [13] 。TFM通过对 FMC矩阵
术发展，电子背散射衍射 (Electron back-scattered 中的 A 扫描信号进行延时处理和幅值叠加，可以实
diffraction, EBSD) 技术广泛应用于厚壁奥氏体不 现成像区域内每个离散坐标点的虚拟聚焦，使缺陷
锈钢晶粒结构和晶体取向分析 [6−7] 。在此基础上， 处幅值增强，任意聚焦点 (x,z) 对应幅值 I TFM (x,z)
建立奥氏体不锈钢焊缝模型并进行声场模拟，是当 可表示为 [18]
N
下研究粗晶材料超声散射机制及微观组织对检测 ∑ ∑
N
I TFM (x, z) = S ij (t ij (x, z)), (1)
结果影响的重要手段 [8−9] 。此外，采用相控阵超声
i=1 j=1
检测对厚壁奥氏体不锈钢窄间隙焊缝进行检测时，
式 (1) 中，S ij () 为对应聚焦点回波幅值，t ij (x,z) 为
晶粒散射会降低检测信噪比，影响缺陷识别 [10] 。全
第i个阵元发射、第j 个阵元接收信号的传播时间。
聚焦方法 (Total focusing method, TFM) 能够对阵
列 A 扫描信号进行延时叠加处理，实现目标区域 1.3 相位相干成像方法
内逐点聚焦，重建不同深度及位置的缺陷 [11−13] 。 由式 (1) 可知，TFM 仅对 A 扫描信号进行幅值
TFM有助于提高检测分辨力和缺陷信号幅值，但结 叠加，未考虑信号相位信息。对于粗晶材料的超声
构噪声也被增强，甚至形成伪缺陷 [14] 。相位相干成 检测信号，延时处理后缺陷处信号相位分布较一致，
像 (Phase coherence imaging, PCI) 方法考虑了缺 而噪声相位分布散乱 [10] 。相位相干成像算法即是
陷信号和噪声信号相位差异，构建权重矩阵并进行 利用欧拉公式提取超声信号的相位信息并对 TFM
加权处理，有效抑制结构噪声，提升检测信噪比和成 矩阵信号进行加权处理 [19] ，从而达到抑制结构噪
像质量 [10,15] 。 声、提升检测信噪比的目的。加权表达式为