双全法检测焊缝典型缺陷图谱解读

继超声波衍射时差法（TOFD）和相控阵超声检测（PAUT）技术之后，基于计算机成像技术（CITs）的FMC和TFM技术（全矩阵捕获和全聚焦法，简称双全法）已于2019年进入国际权威法规。如ASMEBPVC.V-2021《锅炉及压力容器规范无损检测》的第四章《焊缝UT》增补了两个新附录，分别为强制性附录Ⅺ《全矩阵捕获》和非强制性附录F《焊缝全矩阵捕获法检测》。2021年初，国际标准化组织（ISO）也已发布两个国际标准：ISO23865:2021《无损检测超声检测全矩阵捕获/全聚焦技术（FMC/TFM）和相关技术的一般用法》和ISO23864:2021《焊缝无损检测超声检测自动全聚焦技术（TFM）和相关技术的使用》。全聚焦法主要有4大要领：1选对探头：探头参数包括阵元数、芯距、阵元宽高、频率等，大声阑（阵元芯距×阵元数）探头应加较高频，适于深位置聚焦；小声阑探头应加较低频，适于近表面聚焦。2用对建模：针对要检测的缺陷类型（面积型、体积型）、方向（定向、无向、纵向、横向）、位置（表面、内部）等，选用声影响图（AIM）建模工具进行优化扫查。3选对工具：应选用具有高强波幅保真度AF和包络算法的软件；AF应不大于2dB，以提高定量准确度，改善缺陷表征。4合理布置：扫查路径的合理布置包括直接波程、间接波程和自串列波程，其目的是确保焊缝被检位置的体积全覆盖，善用融合波程有利于识别几何伪影和缺陷伪影。下面首先回顾双全法检测原理，概述其新工具特征，而后就承压设备焊接接头典型缺陷的双全法成像图谱进行解读。1双全法原理全聚焦法基于与常规相控阵超声检测相同的转向和聚焦法则，可在关注区（TFM区）处处聚焦。超声检测使用的声波一般是线性的，也就是发射和接收（波束成形）特定波束的声波，其物理叠加可通过采集后求和来得到。为进行与实际波束成形相对应的TFM合成波束成形，需从探头的发射声阑与接收声阑获取所有基本A扫描信号。利用整套基本A扫描数据集来计算所有聚焦波束。01全矩阵捕获(FMC)该方法由全矩阵捕获声学采集获取数据集。FMC数据集由接收到的所有基本A扫描组合集成，而这些A扫描信号来自相控阵超声探头每一阵元发射的声波。该方法涉及探头各阵元声波从“一发全收”至“全发全收”的过程。任何波束形成法均可用于FMC数据集。可使用原始FMC数据（基本A扫描）合成仿真常规相控阵超声采集数据，但PAUT波束形成法仅将波束聚焦于试件某精确位置上，而TFM可显示整个关注区（TFM区）上的波幅，且关注区内每个像素位置均能被聚焦。利用TFM处理FMC数据的主要目的是获取关注区全聚焦的潜能。相同的FMC数据集可作为呈现不同波集的多个TFM图像的来源。02全聚焦法(TFM)首先，操作者输入界定TFM区参数，即界定检测目标区或关注区（ROI），ROI区及界定原理如图1所示，图中P（水平距离）为-12~12mm，D（深度）为-0.01~15mm。图1ROI区界定原理示意将TFM区分成网格状，网格中每一位置（或像素）的大小决定了网格分辨率。为使FMC数据具有意义，TFM算法要输入关键变量（如声传播模式和分辨率），并将数据分成波集或波组。TFM波集表示超声波从发射阵元到TFM区再到接收阵元的波程，该波程与一次波或二次波波型(横波或纵波)相关。如TTT波集作为脉冲横波，到达接收阵元前会有两次反射（一次底面反射，一次缺陷反射），该情况下的声传播模式和声成像路径如图2所示，图中TT-T和T-TT模式的波程相同，波向相反（T为横波，L为纵波，TT-T为间发直收，T-TT为直发间收）。图2声传播模式和声成像路径示意2声影响图的应用声影响图（AIM）是业界最新开发的一种半解析模型，可用于预测针对无向缺陷与定向缺陷的全聚焦法检测波幅灵敏度。对涉及多个界面相互作用和波型变换的复杂声程，声影响图有助于检测人员完善扫查布置，提高最终TFM图像的信噪比和缺陷检出率。通常，定向缺陷与非定向缺陷散射的声影响图是不同的。非定向散射体包括焊缝中的夹渣、气孔等体积型缺陷；而定向散射体包括焊缝中的未熔合和裂纹等平面型缺陷。平面型缺陷的定向散射特性是一个重要参数，而在相控阵换能器系统的建模中，该参数往往被忽略。为计算声影响图，资深专业团队研发了一种基于声线的半解析声学模型，用于计算脉冲回波、自串列和二次反射TFM检测模式的发、收双向声压特征值。该声学模型考虑了声波透射系数、反射系数、几何波束扩散和材料衰减的影响。另外该模型还使用瑞利-佐默费尔德（Rayleigh-Sommerfeld）积分对平底孔远场散射响应进行建模（平底孔散射响应用于模拟定向缺陷）。为证明该声学模型的实用性，笔者针对如何将理论声影响图用于选定的TFM检测模式给出了实用示例。某被检试件坡口形式为V型，内含已知未熔合缺陷，坡口角度为35°，检测所用的探头型号为5L32-A32，楔块型号为SA32-N55S-IHC。坡口未熔合缺陷检测布置如图3所示。图3坡口未熔合检测布置示意该模型用ф5mm的斜向平底孔模拟坡口面未熔合，孔底面与试块底面垂线夹角为35°。其自串列（TLT）模式和二次反射（TTTT）模式的理论声影响图如图4所示。图4坡口未熔合检测理论声影响图由图4可知，与二次反射TTTT模式相比，自串列TLT模式的声影响图颇不规则。显然，用TLT模式获取坡口未熔合尺寸的稳定测评值难度较大；且TLT模式预期波幅要比二次反射模式的波幅低3个数量级（因为TLT模式中，L是变型波）。因此，二次反射TTTT模式是首选的TFM成像模式。两种传播模式下坡口未熔合缺陷的TFM检测图像如图5所示。图5两种传播模式下坡口未熔合缺陷的TFM检测图像由图5可知，二次反射模式的TFM图像信噪比高，能对坡口未熔合尺寸给出清晰的测量值。相比之下，自串列TFM图像信噪比较低，图像中包含分离回波，难以解读。分离回波很可能是未熔合缺陷尖端的衍射回波。可见，自串列模式难以测评缺陷的类型和尺寸。总之，用声影响图可准确预测非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅图。对给定的检测声传播模式，AIM可用于调整扫查布置（声阑、扫查频率、探头位置等），以优化信噪比和缺陷检出率。该模型可提供不同声传播模式下的相对波幅比较，因此也可用于选择最佳TFM重建模式。3TFM包络图的应用01包络原理TFM包络由两个不同TFM图像的范数计算求得。第一个TFM图像采用标准采集的全矩阵捕获（FMC）计算，而第二个TFM图像采用希尔伯变换的FMC计算。所得TFM包络图像更利于基于波幅的定量方法。在相同网格分辨率下，TFM包络图像比标准振荡的TFM图像波幅调整更稳健。故相对于标准振荡TFM，可为TFM包络设置较低的网格分辨率，从而减少计算工作总量，并最终提高数据采集速率。图6为包络功能启用前后同一横孔的TFM图像，图6(a)波幅为全正值，网格分辨率为0.08mm（λ/8.1），最大波幅为108.7%；图6(b)的网格分辨率为0.16mm（λ/4），最大波幅为122.6%。图6包络功能启用前后同一横孔的TFM图像02包络优势TFM包络法可移除图像中的信号振荡，能使最大波幅测量更稳定（见图6），而采集效率的提高得益于TFM包络的使用，因为包络要求降低网格分辨率，即增大相邻两像素间距（与标准TFM相比，仍具有相同波幅稳定性）。如当网格分辨率为λ/4时，TFM包络就足以具有与标准振荡TFM（分辨率为λ/8）的相同波幅保真度（2dB）。IIW（国际焊接学会）、ISO（国际标准化组织）和ASME（美国机械工程师协会）三体系对TFM波幅保真度均有相同规定。图7为几个具有不同相位偏移量（ф）的高斯调制脉冲|z(t)|

ei(ωt+ф)及其产生的包络|z(t)|。由图7可见，信号包络显然与解析信号的瞬时相位无关，故使用信号包络时，测得的信号最大振幅比解析信号实分量绝对值更稳定。图7不同相位偏移量的高斯调制脉冲及其产生的包络TFM包络图像生成过程（三步法）如图8所示，TFM包络图像是两个TFM图像的组合结果，一个来自基本A扫描的实部，另一个来自基本A扫描计算的虚部。该过程增加了计算负担，降低了检测仪器的采集速度，但由验证得知，在不影响保真度的前提下，所需网格分辨率可明显降低。因此，TFM包络法的采集速度明显高于标准TFM的采集速度。图8TFM包络图像生成过程(三步法)03包络像质示例4种不同网格分辨率（λ/9.3，λ/8.1，λ/5.9，λ/4.0）生成的标准TFM与TFM包络图像质量对比如下：新近可用规范和标准包括ASMEBPVC.V-2021、IIWⅤ-1842-2018《无损检测超声检测双全法一般用途》及ISO23865:2021，这些标准均要求TFM波幅保真值AF≤2dB。故使用标准TFM时，表中只有前两行网格分辨率（λ/9.3，λ/8.1）达标。TFM包络可允许使用较低的网格分辨率（λ/4.0），而幅度保真度仍达标。同样，用较粗网格TFM包络，相比于标准TFM所得最高采集率（5.79Hz，此时网格分辨率为λ/8.1），采集速度可提高约37%。使用TFM包络最明显的好处是可消除因使用自然振荡声波A扫描信号作为基本数据集而产生的波幅振荡。该方法无振荡伪影，可使波幅变得更连续，定量更简易。此外，在保持相同波幅保真度情况下，TFM包络图像可获得比标准振荡TFM更高的采集速率。

氢蚀检测

下面举例说明包络功能对高温氢蚀（HTHA）缺陷图像显示的影响。TFM包络功能开启时，网格分辨率可选低些，但波幅保真度仍可保持在2dB以下（标准容差），而采集率有所提升。图9为高温氢蚀缺陷的TFM包络与标准TFM图像。标准TFM图像参数：网格分辨率为0.07mm；保真度为1.7dB；采集率为10.6Hz。TFM包络图像参数：网格分辨率为0.15mm；保真度为1.9dB；采集率为19.5Hz。由图9可见，缺陷回波在包络时更易被识别，且TFM包络图像对振荡更稳健，有助于简化缺陷解读和基于波幅的定量表征。图9高温氢蚀TFM包络与标准TFM图像

排孔检测

图10为TFM包络功能对分辨率试块中ф1mm弧形排孔检测图像质量的影响。可见，未使用包络时，重建图像有伪影显示；使用包络时，排孔显示清晰。图10TFM包络功能对检测图像质量的影响4典型缺陷适用的成像路径特定类型缺陷对应的适用成像路径如图11所示。图11特定缺陷类型相对应的适用成像路径5焊接缺陷TFM图谱承压设备焊接接头典型焊接缺陷的TFM检测图像与宏观金相图像对比如下图所示（共14例，由IIW第Ⅴ委员会提供)。每一图像均给出了相控阵超声探头的布置情况，指明了所用成像路径（声传播模式）；所有TFM检测图像水平轴和垂直轴比例相同，可直接与宏观金相图像进行比较；图中也给出了试件厚度，可借此框定关注区（ROI）尺寸。小角度坡口未熔合左侧大角度坡口未熔合右侧大角度坡口未熔合根部未熔合根部未焊透水平层间未熔合

垂直层间未熔合A

垂直层间未熔合B竖向埋藏裂纹表面开口裂纹近表面裂纹和咬边上部密集气孔下部密集气孔夹渣6伪显示来源与滤除无论是常规无损检测还是数字无损检测方法，皆有真假显示或真假信号的识别技术和评判方法，双全法也不例外。回波双全法的伪显示可能出现在TFM图像中，需强调的是，该伪显示是指图像中的各种相干显示，而非实际缺陷的相应显示。这些伪显示是因相同接收信号中多种声传播模式共存，缺陷或固有结构几何回波衍生而产生。多模式TFM成像是其中一种伪显示滤除方法。模式融合可用来过滤或至少减少缺陷造成的伪显示。多模式求和方法较为简易，利用了模式互补性，过滤时不会丢失任何信息。最终波幅Isum可表示为：式中：M为要考虑的模式数；P为关注区像点（像素）；m为模式代号；Im为模式代号的波幅。图像绝对值累加，表示各模式无同相位，通过求和可抵消检测图像的自身缺陷。但绝对值累加，所有模式的噪声会相长相加，使信噪比降低。值得注意的是，求和也会带来所有模式融合干涉的伪显示。故在求和前对模式进行预选，就可减少这些伪显示。累加融合时，还应先滤除由材料缺陷引起的伪显示。结语(1)相控阵超声双全法（FMC采集过程与TFM重建算法相结合）可实现缺陷图像的实时重建，有助于更好地表征焊接缺陷，且双全法可使图像显示易于解读、分析