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小波理论在厚板奥氏体不锈钢焊缝 超声波检测中的应用研究 论文作者：孙晓娜( 材料加工工程) 指导教师：雷毅( 教授) 摘要 超声波技术在厚板奥氏体不锈钢焊缝结构的无损检测中占有重要地 位，但在实际应用中存在信噪比低的现象，主要是焊缝组织产生的结构 噪声引起的，因此需要应用数学方法对超声回波进行处理。制作6 0 衄 厚的单u 形和双u 形坡口的奥氏体不锈钢( s u s 3 0 4 ) 焊缝，通过在焊 缝的不同区域加工m 2 姗横通孔制成超声波检测试样。分别采用不同尺 寸晶片和k 值的横波斜探头和纵波斜探头，对试块中的横通孔进行超声 波检测。研究发现，使用窄脉冲纵波斜探头效果较好，检测时信噪比能 达1 2d b 以上，但受横波存在的影响；使用窄脉冲横波斜探头检测时， 信号信噪比低于8d b 。对焊缝不同区域取样，结合不锈钢冶金原理对焊 缝组织进行金相分析表明，厚板奥氏体不锈钢焊缝的组织为粗大平行柱 状晶奥氏体+ 残余的j 铁素体，呈现横向各向同性，具有5 个相互独立的 弹性系数。根据超声波在粗晶材料中散射场的特点和弹性波在线性弹性 体中的传播特性，建立了散射背景下的点源综合模型。利用c t s 3 0 0 0 数字化超声波探伤仪和计算机，对焊缝中人工孔的超声回波信号进行采 集，并采用小波理论信号进行处理。将采集到的超声波数字信号导入 m a t l a b 软件，应用一维小波自动降噪方法进行去噪。改变去噪函数的 各种参数，对比不同参数下的去噪效果，与去噪前相比，使用不同类型 探头时，回波信号的信噪比分别提高了4 6d b 。 关键词：厚板奥氏体不锈钢，焊缝，超声波检测，小波变换，信噪比 u w a v e l e tt h e o r yb a s e ds t u d yo nu l t r a s o n i ct e s t i n g a n a l y s e si nt h i c k - p l a t e a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e l d s s u nx i a o h a ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl e iy i a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nt h en o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o no f t h i d 【一p l a t ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e l d s b u ti np r a c t i s e t h es i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ( s n r ) i sl o w , w h i c hi sc a u s e db yt h es t r u c t u r en o i s eo fw e l dh i s t o l o g y , t h e r e f o r em a t h e m a t i e a ll a e a t m e n ti sn e e d e dt oi n c r e a s et h es n ro ft h e u l t r a s o n i cb a c kw a v e i nt h i sr e s e a r c h , 6 0m mt h i c ka u s t e n i t i e 此a i n l e s s s t e e l ( s u s 3 0 4 ) p l a t e sw e r em u l t i l a y e rb u t t w e l d e dw i t hs i n g l ea n dd o u b l e u - g r o o v e , a n dt h e nh o r i z o n t a lt h r o u g hh o l e sw i t h d i a m e t e r2 m mw e r e m a c h i n e da l o n gt h em i d d l el i n e sa n df u s i o nl i n e s t h eh o r i z o n t a lt h r o u g h h o l e si nw e l dj o i n t sw e r ed e t e c t e db yt h es h e a ra n dl o n g i t u d i n a lw a v ea n g l e b e a mp r o b e sw i t hd i f f e r e n tc r y s t a lp l a t es i z e sa n dkv a l u e s t h er e s u l t ss h o w t h a ti t g e t st h eb e t t e re f f e c tw h e nt h en f l l t o wp u l s el o n g i t u d i n a lw a v ea n g l e b e a mp r o b e sw e r eu s e da n dt h es n rr e a c h e s1 2d b ，w h i l es n ri sl o w e rt h a n 8 d bw h e nt h en a l t o wp u l s es h e a rw a v ea n g l eb e a mp r o b e sw e r eu s e dt h e w e l d sw e r es a m p l e di nd i f f e r e n ta r e a a s s o c i a t i n gt h es t a i n l e s ss t e e l m e t a l l u r g yt h e o r y , t h em e t a l l o g r a p ho fw e l d ss a m p l e sw e r ea n a l y z e d i ti s f o u n dt h et h i c k = p l a t ea u s t e n i t i cw e l dj o i n ti sn l a d eu po fp a r a l l dc o l u m n c r y s t a la u s t e n i t ea n d 8f e r r i t ed i s t r i b u t e da l o n gt h ec o l u m nc r y s t a l s ，a n di s c h a r a c t e r i z e db yu a u s v e r s ei s o t r o p yw i t h5i n d e p e n d e n te l a s t i cc o n s t a n t s b a s e do nt h ef e a t u r eo f u l t r a s o n i cs c a t t e r e df i e l di nc o a r s e - g r a i n e dm a t e r i a l ，a p o i n ts o u r c es y n t h e s i sm o d e lo fs c a t t e r e d 。f i e l d sw a sb u i l t t h ec t s 一3 0 0 0 山 d i g i t a lu l t r a s o n i c f l a wd e t e c t o ra n dc o m p u t e rw e r eu s e dt oc o l l e c tt h e u l t r a s o n i cb a c kw a v ed i g i t a ls i g n a lo ft h r o u g hh o l e s t h es i g n a ld a t aw a s i m p u t e di n t om a t l a bs o f t w a r ea n dw a sd e n o i s e da u t o m a t i c a l l yb yu s i n g 1 一dw a v e l e tt r a n s f o r m c o m p a r e dw i t ht h es i g n a lb e f o r ed e n o i s i n g ，t h es i g n a l s n ru n d e ru s i n gv a r i o u sp r o b ei n c r e a s e s4 6d b k e yw o r d s ：t h i c k p l a t ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；w e l dj o i n t ；u l t r a s o n i ct e s t i n g ； w a v e l e tt r a n s f o r m ；s n r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：麴二盔鱼盈空 导师签名：4 垮趾一 ) 叫年弘月) - s 日 妒7 年乒月踏日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 厚板奥氏体不锈钢焊缝结构广泛存在于现代工业中，在航天工业中， 1 c r l 7 n i 7 焊缝结构被广泛应用于压力稳定的硬壳式机身结构、舱壁和高 温压力容器等设备中；0 c r l 8 n i 9 、0 c r l 8 n i l n b 和0 c r 2 1 n i 6 m n 9 n 焊缝结 构用于液体燃料储藏。在石油工业中，奥氏体不锈钢焊缝结构也被广泛的 采用，如勘探开发钻井设备中的厚壁无磁钻铤，壁厚一般在3 0 1 0 3 m m 之间：炼化行业中，大型的炼厂加工设备，除了壳体内层不用不锈钢外， 其加热炉管、冷凝管、循环及输送管，也多存在奥氏体不锈钢焊缝结构。 此外，厚板奥氏体不锈钢焊缝结构还广泛应用于化学工业、造纸工业、精 油工业、食品工业，纤维工业和原子能发电等领域。 钢中含约1 8 的c r ，8 1 0 的n i ，c 含量约为o 1 时，具有稳定 的奥氏体组织，在常温下具有奥氏体组织的钢，称为奥氏体不锈钢。奥氏 体镍铬不锈钢包括著名的1 8 8 钢和在此基础上增加c r 和n i 含量并加入 m o 、c o 、s i 、n b 和t i 等元素发展起来的高c r - n i 系列钢。奥氏体不锈钢 无磁性且就有高韧性和塑性，如果加入s 、c a 、s e 和t e 等元素，则具有 良好的易切削性；此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有m o 、c u 等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、尿素等的腐蚀；此类钢的含碳量若低 于o 0 3 或含t i 、n i 就可显著提高其耐晶间腐蚀的性能。高硅的奥氏体 不锈钢在浓硝酸中有良好的耐蚀性。 奥氏体不锈钢的工况条件恶劣，通常需要在高温、高压、高载荷等腐 蚀环境下运行，因此具有高温抗断裂韧性好，耐腐蚀性强，抗蠕变性能好， 屈服强度高等优良性能的奥氏体不锈钢厚板得到了越来越广泛的应用。厚 板奥氏体不锈钢的研制、加工和检测等一系列问题得到了越来越多的重 视。在实际生产中，厚板奥氏体不锈钢的焊接和检测一直是人们关注的难 点和焦点。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1厚板奥氏体不锈钢焊缝无损检测现状 奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性能、抗氧化性能及良好的低温韧 性，被广泛的应用于石油化工、机械制造和核电等行业。奥氏体不锈钢部 件常常用于设备的重要部位，而且其工作条件比较恶劣，例如核电设备工 作条件恶劣，内部介质极度危险，为了保证这些设备的安全运行，必须加 强对材料和焊缝的检测。g b l 5 0 标准规定，当奥氏体不锈钢对接接头的厚 度6 s 2 5r n l n 时，应进行1 0 0 的射线或超声波检测。 射线和超声波检测在焊缝缺陷的检测中各有其优缺点。x 射线照相检 测方法是目前最常用的无损检测方法，射线探伤法对体积型缺陷很敏感， 从照片底片上能直接判断缺陷种类、大小和分布，其缺陷影像清晰并能永 久保存，因而在无损检测的领域里有着广泛的应用。但是，不可否认它在 实际应用中存在着一系列的不足，检测工序多，检测周期长，操作人员劳 动强度大，而且射线辐射危害人体，检测时必须进行安全防护，同时这种 检测技术还大量耗费x 射线胶片和化学药品，检测费用高、并伴有一定 环境污染。同时，底片质量的好坏对探伤结果的准确性有很大的影响，底 片的存放条件要求严格，并需要占较大的空间，检测结果的评定受人为因 素的影响较大。且有些工况不易实施，对平面形缺陷不如超声波探伤灵敏。 超声波检测技术( u t ) 是五大常规无损检测技术中使用的最多、发 展的最快的一种。由于其具有检测范围广、检测深度大、缺陷定位准确、 探伤灵敏度高、检测成本低、速度快、安全、使用方便、对危险性大的线 性缺陷具有较高的灵敏度、且能补充射线检测大厚度工件的不足等优点， u t 技术一直以来都是研究的热点，而且越来越受到各个领域的重视。 在对厚板奥氏体不锈钢焊缝进行无损探伤过程中，更希望能够充分发 挥超声波检测的优越性，且有些情况不得不进行超声探伤。例如，一些采 用厚板奥氏体不锈钢材料的密封容器，如大型压力容器和超导磁体的箱体 等结构，它们只能从一面进行检测，而x 射线也无法对1 0 0h i m 以上的钢 板进行检测，这就排除了使用x 一射线进行检测的可能，这时只能寄希望 于超声波检测。超声波检测是奥氏体不锈钢焊缝质量保证的一种不可缺少 的方法之一，但在采用超声波对厚板奥氏体焊缝进行探伤时存在很大困 难。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 在奥氏体不锈钢焊缝进行超声波检测时，发现信噪比特别低，回波信 号中杂波将缺陷信号湮没，使回波信号基本没有了使用价值。同时厚板奥 氏体不锈钢焊缝的组织结构影响了对缺陷的检出能力，造成了缺陷的漏 检。所以，多年来，对厚板奥氏体不锈钢焊缝内部的缺陷进行超声波检测 一直是个难题。 从2 0 世纪7 0 年代起，国内外研究人员对奥氏体不锈钢焊缝的超声波 检测都作了大量试验研究，虽有一定成效，但检测方法较复杂，与铁素体 钢检测相比，其适用范围仍受到一定限制。 早在3 0 年前，欧、美、日就开始对s u s 焊缝开展u t 攻关活动了。 其发展历程如下： 1 9 7 7 年，s v 横波假信号识别的初步试验，认清了用一般s v 横波斜 探头探伤时，由奥氏体柱状晶反射和散射引起的各种假信号。 1 9 7 9 年，纵波斜探头探伤，尝试了用不同频率和多种角度的纵波斜 探头检测s u s 焊缝，找到了壁厚6 0m i i l 以下s u s 焊缝的u t 方法。 上世纪8 0 年代初，国际焊接学会为了适应工业生产的发展需要，建 立了奥氏体焊缝超声波检测工作组，积极开展国际合作，1 9 8 5 年，标准 雏型问世，由实验应用归纳总结，推出了奥氏体不锈钢焊缝超声检测方 法指南( i i 、】i r ) ，这是专用标准的雏型：1 9 8 6 年国际焊接学会出版了第一 本奥氏体焊缝超声检测手册嘲，为奥氏体不锈钢焊缝超声检测的实际 应用提供了必要的指导。 1 9 8 7 年，s h 横波斜探头探伤报告，对应用于柱状晶组织中声速各向 异性较小的s h 横波斜探头对s u s 3 0 4 焊缝进行探伤的新技术进行了报道， 并测试了其信噪比。 1 9 9 1 年，大厚壁焊缝施探，发表了对壁厚4 0 0r a i n 的s u s 3 0 4 大锻件 焊缝作探伤检测，及通过空间平均处理提高缺陷检出率的实验成果。 1 9 9 4 2 0 0 0 年，焊接工艺配合u t ，通过磁搅拌焊接改进组织，提高 了超声波声透射性能，并借助于特制的可视化装置，观测了超声波的传播 特性。 2 0 0 4 年，最新标准闪亮登场，国际标准化组织和日本在同一年发布 了有关奥氏体钢和镍基合金焊缝超声检测方法的最新标准。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 有关s u s 钢焊缝的最新u t 标准主要有：i s o d i s 2 2 8 2 5 2 0 0 4 奥氏 体钢和镍基合金焊缝超声检测和日n d i s 2 4 2 4 2 0 0 4 奥氏体不锈钢焊缝 超声检测方法，两标准都是在2 0 世纪8 0 年代有关s u s 钢焊缝u t 导则 的基础上，结合近2 0 年的工业应用经验制定的，是最新技术的升华。 国内，1 9 9 5 年劳动部下达了奥氏体不锈钢对接焊缝超声波探伤技术 研究课题，对专业系列探头、奥氏体不锈钢标准试块及对比试块进行了研 究，研制了带自然缺陷( 裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔) 的焊接试 块，并进行了奥氏体不锈钢焊接试块的超声波检测试验和有关的基础试 验，从而得到一套奥氏体不锈钢对接焊缝超声探伤技术，在这套检测技术 的基础上，参阅国际焊接学会( i i w ) 奥氏体焊缝超声检测手册，编写 了奥氏体不锈钢焊缝超声波检验规程。1 。但本规程仅提供了对接处厚 度为1 0 5 0i i i i i 奥氏体不锈钢对接焊缝的手工超声波检验方法，且只适 用于对接焊缝对接接头的检测，不适用于角接等其它接头形式焊缝的检 验。 目前，厚板奥氏体不锈钢焊缝的超声检测还是超声检测领域的难题。 针对这个难题，主要从两个方面进行研究：一是在硬件方面，研制用于厚 板奥氏体不锈钢超声波检测的探伤仪及特殊探头；二是在软件方面，采用 不同的数学方法对超声回波信号进行处理，去除噪声，提高回波信号的信 噪比。其中第二种方法是研究的重点。 1 2 超声波检测信号的研究 1 2 1 超声信号模拟现状 厚板奥氏体不锈钢焊缝组织的特殊性“1 对于超声波的作用相当复杂， 为了掌握其组织结构是如何影响超声波在焊缝中的传播，国内外研究人员 致力于奥氏体不锈钢焊缝中超声波传播特性( 包括声速、衰减、各向异性、 波束变形和偏向等) 的研究。奥氏体不锈钢焊缝金属是取向整齐的柱状晶 组织，柱状晶层层叠叠大致沿壁厚方向生长。超声波在焊缝中传播会受到 晶粒和柱状晶组织所具有的弹性各向异性的严重影响，从而引起声速变 化，散射衰减增大，波束偏移的现象。 针对奥氏体不锈钢焊缝的检测，很多学者进行了超声波束在具有各向 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 异性和不均匀性材料中传播轨迹的定量和定性描述的研究。1 。建立了奥氏 体不锈钢母材及焊缝的物理模型，计算了声束的传播方向和声场的畸变， 刻画了超声波从换能器发射出来后，穿过母材和焊缝等各向异性( 或是正 交各向异性) 的不均匀体的三维轨迹，以及遇到任意缺陷时的反射。 s i l k ”。把奥氏体焊缝区分成多个四边形，在各个四边形内，假设晶粒 方向固定一致。o g i l v y ”1 将焊缝的不均匀性用经验解析公式来定义，从而 连续地描述了晶粒取向。s c h m i t z 等”1 开发了一个可视化的软件包，它能 动态显示超声波在奥氏体焊缝中传播的迹线。用户能够改变各向异性材料 的性能状态( 如晶粒的方向及材料的弹性常数等) ，随意设置缺陷，以研究 超声波在焊缝中的传播现象以及各种缺陷的可检测性。 前人对超声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播特性的研究为超声波信号 的处理提供了一定的指导作用。而将超声波检测应用到奥氏体不锈钢焊缝 检测的关键还是回波信号处理，这也是主要难题。焊缝粗大组织对超声波 具有强烈衰减作用，导致检测灵敏度变化大，无法测定缺陷的大小，粗大 组织也会引起强烈散射声波的叠加及波形转换，导致假信号出现，焊缝各 向异性对声波的扭曲作用，使得曲线的定位误差增大。 几十年来，粗晶材料超声信号处理技术主要围绕增强信噪比展开，包 括信号平均技术、自相关和互相关、数字滤波技术、时域反卷积、频谱分 析、时频分析、裂谱法、频率相关、自回归分析等。 但由于材料结构引起的噪声是一种相干性噪声，在超声探头及其频率 响应特性不变的情况下，这种噪声的频率结构不会随着时间的改变而改 变，因此难以采用信号平均技术来降低这种噪声嘲。反卷积的特性之一， 是能区分两个很近的信号，但不能提高信噪比“。在对宽脉冲探头使用频 谱分析时，由于产生的脉冲频带相对较窄，信号的频域特征较难分析，噪 声大时，频谱分析的效果显著下降。 在超声波检测中，缺陷信号可以认为是宽带脉冲在探头的中心频率处 调制而成，因而是时限和带限的时变信号。仅仅对时变信号进行时域分析 ( 如自相关和互相关、时域平均、匹配滤波等) 或频域分析( 如傅立叶变 换维纳滤波) 是不够的。g a b o r 变换或短时傅立叶变换、裂普法和小波分 析等都是对信号进行时频域分析的方法。裂普法的不足之一是对滤波器的 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 数目、带宽、相邻滤波器的频率间隔及滤波器组的位置等参数选择很敏感： 另一不足是对每个信号都要改变滤波参数，不适于在线检测1 。 小波变换是近年来在傅立叶变换的基础上发展起来的，它突破了傅立 叶变换在时域上没有任何分辨力的限制，可以对指定频带和时间段内的信 号成分进行分析。在时域和频域同时具有良好的局部化性质，并且由于对 频率成份采用逐渐精细的时域或频域取样步长，从而可以聚焦到信号的任 意细节n 2 ”】。 1 2 2 小波分析在超声波检测信号处理研究现状 1 2 2 1 小波分析概述 小波变换是一种新的变换分析方法，小波变换的离散数字算法已被广 泛用于许多问题的变换研究中。从小波变换的数学理论来说，它是继傅立 叶变换之后纯粹数学和应用数学完美结合的又一光辉典范，它代表着信号 分析处理的前沿研究方向。小波分析具有良好的自适应性，在信号的高频 部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在低频部分具有较低的 时间分辨率和较高的频率分辨率，因此，小波分析享有“数学显微镜”的 美称。从纯粹数学的角度来说，小波变换是泛函分析、调和分析( 包括函 数空间、广义函数、傅立叶分析和抽象调和分析等) 和数值分析等一系列 学科大半个世纪以来的工作结晶；从应用科学和技术科学的角度来说，小 波变换又是计算机应用、信号处理、图像分析、非线性科学和工程技术近 些年来在方法上的重大突破。实际上，由于小波变换在它的产生、发展、 完善和应用的整个过程中都广泛受惠于计算机科学、信号和图像处理科 学、应用数学和纯粹数学、物理科学和地球科学等众多科学研究领域和工 程技术应用领域的专家、学者和工程师们的共同努力，所以，现在它已经 成为科学研究和工程技术应用中涉及面极其广泛的一个热门话题。 小波变换去噪的机理是基于信号和噪声的小波系数在尺度上的不同 性质，采用相应的规则，对含噪信号的小波系数进行取舍、抽取或切削等 非线性处理，以达到去除噪声的目的。 小波变换具有如下的特性“： ( 1 ) 时频局部化特性。小波变换可在时间轴上准确定位信号的突变 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 点。 ( 2 ) 多分辨率特性。小波变换可在不同尺度上描述信号的局部特征， 如边缘、尖峰、断点等。 ( 3 ) 解相关性。小波变换可以对信号解相关，使信号的能量集中于 少数几个小波系数上，而噪声能量分布于大部分小波系数上。 ( 4 ) 选基灵活性。由于小波变换可以灵活的选择小波基，因而可针 对不同的应用对象选用不同的小波函数。 性质( 1 ) 和( 2 ) 决定了小波变换去噪方法与传统方法相比，具有独 特的优势，能够在去除噪声的同时，很好地保留信号的突变部分或图像的 边缘m 1 。 目前，在粗晶材料的超声波检测中的小波降噪法有：小波分析模极大 值法、小波包分析、基于连续小波变换的参数优化方法、复小波变换、匹 配小波滤波、小波加权尺度法、小波变换阈值法、多尺度边缘提取和基于 神经网络的小波域消噪等。 1 2 2 2 小波分析模极大值法 小波分析模极大值法去噪是根据信号和噪声在小波变换下随尺度变 化呈现不同变化特性提出来的，有很好的理论基础，因而在去噪过程中性 能较稳定，它对噪声的依赖性较小，不需要知道噪声的方差，特别是对低 信噪比的信号去噪时更能体现其优越性。依据信号的暂态信息能通过小波 变换的局部模极大值来表示o ”，可以把超声回波信号转换到时间尺度平 面，然后记录各个尺度上小波变换的模局部极大值，保留个尺度上能沿尺 度传播的小波变换模局部极大值，抑制不能传播的模极大值，最后由重构 算法恢复经过消噪的信号。经过基于小波变换模极大值消噪后的信号，信 噪比得到提高。而且作为一种时频分析工具，小波变换能够保留信号的时 域信息，这有利于通过回波在时间轴上的位置确定缺陷的方位。利用此法 对粗晶奥氏体不锈钢材料超声波检测信号分析结果显示“”，噪声得到了极 大地抑制，信噪比提高，从去除噪声后的超声波信号可方便地识别缺陷存 在与否及缺陷方位。小波变换模极大值法虽然有其优越性，然而它有一个 根本性缺点，就是在去噪过程中存在一个由模极大值重构小波系数的问 题，从而使得该方法的计算量大大增加。另外，实际应用中效果也并不十 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 分令人满意。 1 2 2 3 小波闽值去噪 在小波域上，噪声的能量分布在所有的小波系数上，而信号的能量分 布在一小部分的小波系数上，所以把小波系数分成两类：第一类是重要的、 规则的小波系数；第二类是非重要的或者受噪声干扰较大的小波系数。给 定一个闽值，所有绝对值小于这个闽值的小波系数被看成“噪声”，它们 的值用零代替；而超过这个阈值的小波系数的数值用阈值缩减后再重新取 值。这样就可以达到去噪的目的，同时保留了大部分信号的小波系数，因 此可以较好的保持信号细节。根据对超过阈值的小波系数进行缩减的不同 方法，可把小波阈值去噪法分为“软阈值法”和“硬阈值法”。软、硬阈 值消噪虽然在实际中得到了广泛的应用，也取得了较好的效果，但这两种 方法本身都存在一定的缺点。硬阈值，重构所得所得信号存在振荡，对时 变信号消噪效果有限；软阈值的重构信号与真实信号有偏差，信号有较大 的失真。陈益“”等改进小波阈值消噪法，结合软、硬阈值消噪法的优缺点， 提出了一种软、硬阈值折中法的改进模型。、将这种方法应用于超声信号的 分析和消噪，获得了比软、硬阈值消噪法更好的消噪效果和更高的信噪比 增益。 小波阈值滤波方法是实现最简单，计算量最小的一种方法，因而应用 最广泛。但其中闽值的选取比较困难，虽然在理论上已经找到了最优的通 用阈值，但实际应用中效果并不理想。另外，阈值的选取还依赖于噪声的 方差，因此需要事先估计噪声的方差。 1 2 2 4 小波尺度加权去噪 闽值法对缺陷信号较明显的超声信号而言，降噪效果较好，但噪声受 到抑制的同时，缺陷波幅度也降低。对信噪比很低的缺陷信号而言，降噪 后，仍然难以识别。为此，若能在噪声信号被削弱的同时，缺陷信号得到 较好保留，则可有效解决上述问题。尺度加权法就是基于上述目的而提出 的一种新的超声信号降噪与缺陷识别的方法。小波尺度加权降噪法赋予缺 陷信号占优尺度以相对较大的权重，有利于突出缺陷信号，而噪声信号占 优尺度的权重较小，使其受到较强的抑制；对缺陷不明显信号的降噪，尺 度加权法在处理信噪比相对更低的超声信号时优势更为突出“，且在实际 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 中有一定的应用。 卢超等啪1 对粗晶材料超声探伤信号，提出了一种基于二进离散小波变 换软闽值处理尺度加权重构的去噪方法，并给出了具体选取阈值和权值的 方法。与基于小波变换模极大值的去噪方法相比，采用随尺度变化的门限 阈值更为合理，而且整个处理过程更为简单。利用此方法对粗晶铸铁件试 样的超声波检测信号分析表明，信噪比明显提高，从去除噪声后的超声信 号上能方便地识别缺陷的存在与否，并对缺陷准确定位，能大大提高租晶 材料超声波检测的缺陷检出率。 1 2 2 5 其它小波去噪方法 张广明，马宏伟“”等，在传统的小波信号处理方法的基础上，根据解 析小波变换能准确提取信号相位的特性噙1 ，利用超声波检测信号的相位信 息，提出一种新的多缺陷识别与噪声抑制算法。该方法不受缺陷数量和频 谱特性的限制，能检测多个具有不同频谱特性的缺陷，不仅消噪性能好， 而且具有高的缺陷定位能力和高的纵向分辨率。 张广明等1 在传统的基于小波分析的图像增强技术基础上，提出了一 种自适应子带图像选择算法，克服了传统技术依靠经验选择高信噪比子带 图像的不足。实际检测处理结果表明，改进后的技术不仅消噪效果优于传 统技术，而且大大提高了该技术在工业超声成像检测中的实用性。顾向华 等。”针对粗晶材料超声波检测中传统的自适应滤波方法的缺点，提出了基 于幅值混乱度和小波变换的自适应滤波方法。该方法具有很强的检测能 力，能够很好地提高信噪比。 1 3 选题依据及主要研究内容 1 3 1 选题依据 由于超声波检测本身固有的特点，使得其在奥氏体不锈钢焊缝的无损 检测中占有不可取代的地位。在对厚板奥氏体不锈钢焊缝进行超声波检测 时，回波信号中存在大量的杂波信号，信噪比特别低，有时甚至导致回波 信号不可用。 因此如何将大量的杂波信号和缺陷信号分离开来成为目前研究的热 点和难题。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 小波变换作为一种信号处理手段，已经广泛应用于超声波信号的处理 中。其特点是实现了对信号的多分辨分析，且能将信号准确还原。小波变 换特别适用于超声信号这种突变信号的处理，它的带宽随着频率变化，分 辨率随着信号频谱成分而变；时频窗口在高频时频率方向上变宽而时间方 向上变窄，低频时相反，同时反映信号的突变和缓变特征，并且由于对频 率成份采用逐渐精细的时域或频域取样步长，从而可以聚焦到信号的任意 细节这使小波变换尤其适合于噪声材料的超声波检测。国内外众多研究人 员将小波分析用于提高超声波检测回波的信噪比”“，并取得了一定成 效。因此，将小波原理应用于奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测意义重大。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 试样的制各及超声波检测 选择合适的焊接材料，制定合理的焊接工艺，制作大厚度的单u 形 和双u 形坡口的奥氏体不锈钢焊缝，在厚板奥氏体不锈钢焊缝试块上加 工人工缺陷，制作不同的参数超声波斜探头，对奥氏体不锈钢对接焊缝进 行超声波检测，并采集信号。 ( 2 ) 焊缝焊缝显微分析 为解释采用超声波对厚板奥氏体不锈钢进行无损检测时出现的现象， 研究焊缝显微组织。对焊缝进行取样，进行金相分析，并结合不锈钢焊接 冶金原理，分析焊缝成型过程及其成型后的组织结构。 ( 3 ) 超声波传播路径分析 根据超声波在粗晶材料中散射场的特点和弹性波在线性弹性体中的 传播特性，从理论上研究了超声波在厚板奥氏体不锈钢焊缝中的传播情 况。 ( 4 ) 应用小波分析对超声波检测信号进行分析 寻找合适的小波分析方法，对试验中采集到的含噪超声波信号进行处 理，达到降噪的目的，以期待能将超声波检测应用到厚板奥氏体不锈钢焊 缝检测。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 第2 章试样加工及试验 2 1 试样制备 2 1 1 试验材料 试验用不锈钢为s u s 3 0 4 ，厚度为6 0m i l l 。s u s 3 0 4 不锈钢具有良好 的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压弯曲等热j n t 性能好， 无热处理硬化现象，无磁性。由于具有良好的综合性能，在各行各业中 得到广泛的应用。 2 1 2 试样加工 图2 1 a 为双u 形焊缝坡口加工形状及尺寸。焊接接头开双u 形坡 口，钝边2m i l l ，焊接前在l o o 1 5 0 预热。采用手工电弧对接焊，焊 条为a 1 0 2 ，主要化学成分( 质量分数，) 见表2 1 a ，直径为中5m i l l 。 正反面交替施焊速1 7 0 1 8 0m m m i n ，电弧电压2 4 2 6v ，直流反接电 流1 8 0 2 0 0a ，施焊过程中层问温度小于等于1 0 0 。 ( a ) 双u 形坡1 ：3( b ) 单u 形坡口 图2 1 焊缝坡1 3 类型及尺寸( 单位：m m ) 图2 一l b 为单u 形焊缝坡口加工形状及尺寸。焊接接头开单u 形坡 口，钝边2m i l l ，焊接前在1 0 0 1 5 0 c 预热。采用手工电弧对接焊，焊 条为a 1 3 2 ，主要化学成分( 质量分数，) 见表2 1 b ，直径为0 5m i l l 。 正反面交替施焊速1 7 0 1 8 0m m m i n ，电弧电压2 4 2 6v ，直流反接电 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 2 1 3 人工缺陷j n - r ( b )簟u 形焊缱中心线 ( d )单u 形焊缱熔合线 图2 2 人工缺陷j j n t 尺寸和结构图( 单位：m m ) 焊接完成后，将厚板奥氏体不锈钢焊缝加工成2 0 0 m m x5 0 m m x 5 7 m i l l 的试块。因为奥氏体不锈钢焊缝的组织特殊，实际焊缝中的入射角 与j b 4 7 3 0 2 0 0 5 标准中的c s k i i i a 试块中的入射角有所不同，所以在奥 氏体不锈钢焊缝的超声波检测时需要制作试块，在加工试块上调节探伤 仪的参数。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 在试块上开直径为2m m 的横通孔，图2 2 为试样加工尺寸及结构图。 由于在厚度超过5 0r r f f n 的奥氏体不锈钢厚板上钻2m n l 的横通孔几乎不 可能，因此采用碳棒或铜棒作为电极，用电火花先在焊缝侧面穿1 5m m 的孔，然后用线切割将此孔扩成2n 衄的孑l ，这样加工出来的人工反射 体能满足精度和光洁度的要求。表2 1 给出了各试块上孔的位置。 表2 1 试块上加工孔的位置 加工试块实物如图2 - 3 所示。 图2 - 3 试块实物图 2 2 试验探头及仪器 2 2 1 试验仪器 试验采用汕头超声仪器研究所生产的c t s 3 0 0 0 型数字式超声探伤 仪。c t s 一3 0 0 0 具有最高采样速率为2 4 0m h z ，宽频带范围为o 5 2 0 m n z ，测量分辨力为o 0 1m m ，最小显示范围为o 5i t t m 。 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 2 2 2 探头的选用 探头的选用对厚板奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测效果影响很大， 不能使用普通探头进行探伤。目前研制的用于奥氏体不锈钢检测的超声 探头有纵波斜探头、聚焦探头和高阻尼窄脉冲探头，它们可抑制散射回 波叠加而产生的干扰，对提高灵敏度和信噪比有一定的成效，从而增强 了厚板奥氏体不锈钢焊缝的可检测性。 双晶探头可直接接收来自聚焦区的反射信号，同时声程中其它部位 的反射信号不能进入探头，这样减少了干扰信号，提高了信噪比汹“3 “， 但是由于双晶探头聚焦区的范围有限，超过聚焦范围时声束很快发散， 而且双晶探头超声波检测一般都在半跨距以内，折射角由被检区的深度 所决定。要检测整个焊缝区需要使用几个不同折射角的探头，对于缺陷 的定位和定性都存在问题，所以在实际中很少采用双晶探头检测厚板奥 氏体不锈钢焊缝。 高阻尼窄脉冲探头的高阻尼特性缩短了发出脉冲信号的持续时间， 减少了散射回波的数量，抑制了草状回波的干扰，降低了叠加伪显示出 现的程度，提高了信噪比。通过傅立叶变换窄波形产生宽频谱，宽波形 产生窄频谱。高阻尼窄脉冲波形很窄，一般在三周以内，故有宽频谱。 窄脉冲反射法检测的回波频谱宽，为使接收信号完整无损，必须配以宽 带接收系统，否则接收的信号将是不完全的。宽带窄脉冲纵波斜探头除 具有窄脉冲探头灵敏度高、分辨力高和信噪比大的优点外，还具有纵波 斜探头衰减小、定位准确等优点，有利于奥氏体不锈钢焊缝的超声波探 伤。 超声波脉冲宽度对粗晶奥氏体焊缝探伤有较大的影响，缩短脉冲宽 度是减少散射提高信噪比的有效途径。由于奥氏体不锈钢焊缝组织对超 声波衰减较大，探头频率不宜过高，但频率过低对提高分辨率不利，因 此要选择一个适中的频率，2 2 5m h z 之间较为合适。为适应厚板奥氏 体不锈钢焊缝的超声检波测，制作了特殊的窄脉冲探头，探头技术参数 见表2 2 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 2 3 超声波检测 采用表2 3 中的探头分别对图2 2 所示各个试块上不同深度的0 2 m l n 横通孔进行检测，对检测结果进行比较。图2 4 和2 5 为超声波检测 试验图和示意图。 图2 4 超声波检测信号采集系统 图2 - 5 超声波检测信号采集系统示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 本试验均使用接触反射法，运用一次波法检测人工缺陷，探头置于 检测面扫查焊缝，分别通过焊缝区检测焊缝中部的人工缺陷和熔合线上 的人工缺陷。仪器按声程l ：1 调节扫描速度，采用c t s 3 0 0 0 计算机通讯 与数据处理软件，对来自不同深度横通孔的反射信号进行采集及存储。 2 3 1 节至2 3 3 节分别采用不同类型的探头对焊缝进行检测。所得图形 的横轴对应探伤仪示波屏的水平刻度，缺陷波前沿所对的水平刻度印 纵轴代表反射波幅。 定义信噪比为： s n r ：2 0 1 9 ( 延) t t , e , d ( 2 1 ) 其中品融，k 吐分别为缺陷回波最大幅度和噪声回波最大幅度a 2 3 1 普通斜探头检测 采用普通斜探头对图2 3 所示试块进行超声波检测。图2 - 6 至图2 - 9 为运用6 号探头检测焊缝中不同深度的横通孔时所得的超声回波信号 图。 ( a ) d ，= 1 0 5m m( b ) d ，= 1 3 2m m( c ) d e2 2 1m m ，3 3 m m ( d ) d r = 2 7 0m m 3 7 5m m ( e ) d 户3 0 4m m 图2 66 号探头检测单u 形焊缱熔合线上的横通孔 1 6 ! 里互塑查兰! 兰查! 堡主丝苎笙! 童堕堂塑旦三墨堕墼 m m 单u 双u ( a ) d r = 1 0 5m m 2 5 1m m 3 53 r a m ( b ) d 户2 5 3m m 3 5 3m m 图2 - 96 号探头检测双u 形焊缝中心线上的横通孔 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 由图2 - 6 至图2 - 9 可以看出，纵波探头能够检测出不同深度的横通孔， 但检测过程存在横波的影响。根据式( 2 1 ) 计算信噪比，平均信噪比达 到9 d b 。 2 3 2 窄脉冲横波斜探头检测 采用窄脉冲横波斜探头对图2 3 所示试块进行超声波检测。图2 1 0 至图2 - 1 3 为运用1 号探头检测焊缝中不同深度的横通孔时所得的超声回 波信号图。 ( a ) d ，= 5 1 m m !i l ；：7 5 锄i ： ： ： r ； r ：i ；i ( b ) d r = 1 0 1 m m ：7 s 5 , 1i i ；：7 5 5 m1 - ( c ) d ，= 1 6 m m ： ! ：两锄1 一 ；：j_： ( d ) d l = 2 2 3 m m ( e ) d ，= 2 5 3 m m( f ) d r = 3 2 5 m m 图2 1 01 号窄脉冲横波斜探头检测单u 形焊缝熔台线上的横通孔 y y ：! 石曲i i ： j y ：! p 3 曲i i ： f；i ：- m 曲r j：；i；j；：i； ；：一 i ( a ) d ，= 5 6 m m( b ) d ，= 9 6 m m i ：两嘶io ：! ： ： ： ( c ) d ，= 1 2 1m m 雨s mj - ( d ) d ，= 2 2 3 m m( e ) d r = 3 0 4 m m 图2 1 11 号窄脉冲横渡斜探头检测单u 形焊缝中心线上的横通孔 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 ! ! ：7 s 5 i 一 ：7 5 锄1 ( a ) d r = 1 1 2m m ( b ) d p 2 7 4m m( c ) 咖3 6 1 m m 图2 1 21 号窄脉冲横渡斜探头检测双u 形焊缝熔合线上的横通孔 ； i ：万5 i j ：t ；二 ； ； ； ( a ) d = 1 12m m ( b ) d f = 1 6 2m m ：7 5 5 田1 ( c ) d f 2 9 9m m( d ) d p 3 9 5m m 图2 1 31 号窄脉冲斜横波探头检测双u 形焊缝中心线上的横通孔 由图2 - l o 至图2 一1 3 可以看出，l 号窄脉冲横波探头能够检测出各个 试块不同深度的横通孔，检测过程中虽然不受其它波形的影响，但产生 了伪缺陷回波。根据式( 2 1 ) 计算信噪比，平均信噪比为7 d b 。 图2 - 1 4 至图2 1 7 是，采用4 号探头检测焊缝中不同深度的横通孔时 所得的超声回波信号图。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试样加工及试验 ：召5 mi ( a )