奥氏体不锈钢焊缝缺陷超声阵列检测方法研究及三维成像系统开发

Austenitic steel is widely used in essential components of the important equipment, and the weld is the weak part of the whole equipment. It is difficult for traditional ultrasonic technique for the nondestructive testing of austenitic steel weld due to its complexity of microstructure. A three dimensional ultrasound imaging method is developed for the nondestructive testing of defect in anisotropic weld. Main research contents of the project include: 1) a austenitic steel weld model is developed using the method of Bayesian analysis and Voronoi diagram; 2) Propagation of ultrasonic waves in anisotropic media and its interaction are investigated numerically; 3) Considering the effect of anisotropy on the propagation of ultrasonic waves, the direction and velocity of ultrasonic beam are compensated, and a imaging method for anisotropic media is developed; 4) An ultrasonic-array-based scanning system, suitable for the detection of austenitic steel welds is designed. A three-dimensional imaging technique is developed from series two-dimensional image obtained from different scanning positions. A three dimensional ultrasound imaging method is developed for the nondestructive evaluation of defect in anisotropic weld. Research work of the project not only enriches ultrasonic theory in anisotropic media, but also provides strong technical support for early defect evaluation in austenitic steel weld.

奥氏体不锈钢广泛应用于重大装备的关键部件中，而焊缝是整个部件的薄弱环节。奥氏体不锈钢焊缝内部粗大晶粒导致各向异性，使得传统超声检测方法难以实现其内部的缺陷检测。本项目发展一种用于各向异性焊缝缺陷检测的超声阵列三维成像方法，主要研究内容包括: 基于贝叶斯模型和Voronoi图，发展一种奥氏体不锈钢焊缝超声检测建模方法；2）研究各向异性介质中超声波传播特性及其与缺陷相互作用机理；3）考虑介质各向异性对声波传播的影响，研究声束传播方向和速度补偿方法，发展适用于各向异性介质的超声阵列成像方法；4）研制适用于奥氏体不锈钢焊缝检测用超声阵列扫描系统，基于不同扫描位置得到的缺陷二维图像，研究缺陷三维影像合成技术。本项目发展的超声阵列三维成像方法，有望解决各向异性介质中缺陷类型识别及定量评价问题。项目研究工作不仅可以丰富各向异性结构中超声阵列检测理论，也为奥氏体不锈钢焊缝缺陷定量评价提供了有效的技术手段。

针对奥氏体不锈钢焊缝和母材的组织结构特点，项目在对各向异性介质中超声波传播特性研究基础上，开展了奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷超声相控阵检测方法研究。取得了以下创新性成果：.1）.开展了各向异性焊缝中超声波传播的数值仿真和检测实验。提出了基于贝叶斯理论的各向异性焊缝参数估计方法。研究了激励频率、晶粒尺寸及晶粒取向对超声波传播的影响，揭示了超声波在各向异性焊缝中的传播机理。多晶金属介质的微观特性及激励频率对介质中超声波传播有很大的影响，需要特别关注的现象包括：波束偏折、波形转换及散射噪声等。针对现有焊缝模型参数确定中对实验测量结果的过分依赖性，提出一种基于贝叶斯理论的各向异性焊缝参数估计方法。.2）.发展了一种基于多阵元等幅同步激励的超声阵列全矩阵数据重构方法，集成开发了焊缝超声阵列三维成像系统，实现了焊缝中缺陷的三维成像。研究了稀疏变换基、激励阵元个数、激励次数等因素对全矩阵数据重构的影响，并优选出最佳的重构参数。提出的方法可以在50%压缩率下，重构全矩阵数据的误差约为15%，可用于缺陷的全聚焦成像。在此基础上，集成开发了基于压缩感知的焊缝三维超声成像系统，实验结果表明，当压缩率为25%时，利用多阵元等幅同步激励重构出的全矩阵数据进行三维成像，可以实现焊缝中3个人工缺陷检测。.3）.针对各向异性介质中超声波在界面或缺陷处易发生波形转换的特点，提出一种考虑波形转换的奥氏体不锈钢焊缝超声阵列成像方法。研究了不同路径和不同模式超声波对焊缝中典型位置缺陷的检测能力，基于优选出的检测模式，发展了一种适用于小径管焊缝检测用的多模式复合全聚焦成像方法。将该方法应用于奥氏体不锈钢小径管焊缝缺陷超声相控阵检测实验，结果表明，多模式复合全聚焦成像结果在信噪比和伪像数量上，明显优于单模式全聚焦成像结果。.项目研究工作不仅可以丰富各向异性结构中超声阵列检测理论，也为奥氏体不锈钢焊缝缺陷定量评价提供了有效的技术手段。