Page 125 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 狄成军等： 铝合金薄板焊缝根部缺陷高阶半跨模式波定量检测 121

represented completely and the relative measurement errors of flaw heights are within 5%. Moreover, the order
of half-skip mode wave should be reasonably selected according to the plate thickness. The thinner the plate,
the higher the selected half-skip wave order.
Keywords: Thin plate; Higher-order half-skip mode wave; Weld crowns; Ultrasonic testing; Quantitative
detection
影响而难以布置在近缺陷处，只能将焊接接头余高
0 引言
磨平或者增加其他角度检测 [23] ，导致检测效率降
低，方法适用性下降。
铝合金作为一种轻量化材料，其耐蚀性和焊接
本文考虑了超声波在铝合金薄板焊缝结构上
性等性能较为优异 [1−2] ，已广泛应用于船舶、航空
下表面的多次反射现象，提出采用声束路径更长、声
航天和机械制造等领域 [3−5] 。然而，铝合金薄板焊
场覆盖范围更广的高阶半跨模式波进行带余高薄
接时受现场焊接条件和操作人员经验等因素影响，
板焊缝根部缺陷的轮廓表征与定量。随后，结合仿
在焊缝根部易产生未焊透和未熔合等面积型缺陷，
真模拟和实验，利用相控阵探头配合斜楔块对有无
给结构和设备安全运行带来严重隐患 [6−7] 。超声检
余高铝合金板的底面垂直裂纹实施 TFM 成像与定
测利用待检材料与缺陷之间的声学性能差异进行
量检测，验证方法可行性。最后，讨论了板材厚度变
缺陷识别，对面积型缺陷更为敏感，目前已经成为铝
化对常规与高阶半跨模式波成像的影响。
合金焊缝缺陷检测的重要方法之一 [8−9] 。
现有超声检测研究中，常规超声和超声衍射时
1 常规半跨模式TFM成像
差法声场覆盖范围相对较小，且受近表面盲区影
响，不利于薄板结构缺陷检测 [10−11] 。相控阵超声 FMC 数据集包含来自所有阵元发射 -接收对
检测按照一定延时法则激发各个阵元，实现声束偏 的信号，即对于 N 个阵元的相控阵超声探头，最终
转和聚焦 [12] 。在此基础上，基于全矩阵捕捉 (Full 采集到N 个A扫描信号 [24] 。TFM成像时，首先将
2
matrix capture, FMC) 数据，结合合成孔径聚焦或 待测区域空间离散化为一系列聚焦点，然后对经过
全聚焦方法 (Total focusing method, TFM) 等信号 每个聚焦点的阵列信号进行延时叠加处理，得到虚
后处理方法有助于扩大检测范围 [13−15] ，且可表征 拟聚焦幅度信息后实现成像。
取向与主声束近似垂直的面积型缺陷轮廓，避免缺 如图 1 所示，常规半跨模式只考虑一次底面反

陷数量和类型误判 [16] 。进一步地，探头与缺陷之间 射，即进入待测试块的声束经下表面反射后到达聚
多传播路径的散射波拓展应用于成像，具体分为直 焦点，再由该点反射或散射，并被第 j 阵元接收。试
接、半跨和全跨模式 [17] 。入射波与缺陷直接作用 块内的三段声程可以为纵波或者横波，经排列组合
后即被探头接收，未在样品上下表面发生反射时称 后共有8种声束传播模式 [25] 。考虑采用纵波斜入射
为直接模式。相比之下，半跨模式对应声束在样品 对薄板焊缝进行检测时，试块底面和缺陷表面发生
上下表面发生奇数次反射，而全跨模式发生偶数次 波型转换会带来伪像，一般选择横波斜入射检测，如
反射。其中，常规模式最多考虑一次底面反射，半 半跨模式波TTT(T表示横波)。
跨模式适合于重建焊缝根部接近垂直的面积型缺 j
ଊ݀
陷轮廓 [18] ，直接和全跨模式更有利于倾斜缺陷表 i

征 [19−20] 。于朋等 [21] 利用 TFM半跨模式波对厚度 ഀڱ
15 mm 铝合金板焊缝近底面垂直缺陷进行成像表 ↼x  ֒↽ ↼x  ֒↽ x
征，长度 3.2 mm 面积型缺陷轮廓重建完整，且定量
h P↼x ֒y ↽
误差小于 0.4 mm。然而，随着待测板材厚度变薄， តڱ
超声波在结构内部传播规律更加复杂，且焊缝厚度 y
方向上的常规半跨模式波声场覆盖范围减小，需要
图 1 半跨模式波 TTT 声束传播路径示意图
使探头靠近待测缺陷以实施轮廓表征。实际铝合金 Fig. 1 Schematic diagram of beam propagation
薄板焊接时往往存在余高 [22] ，检测探头和楔块受其 path in TTT view of half-skip mode wave