鋼結構特種焊接無損檢測技術綜述

——計算機視覺技術在焊縫缺陷檢測中的應用(1)

楊燕萍，楊清平

(浙江省建筑科學設計研究院，浙江杭州310012)

    鋼結構由于強度高，重量輕，外觀新穎而越來越多應用于超高層、大空間、大跨度的建筑；鋼結構建筑的焊接質量是至關重要的，而超聲波無損檢測技術是鋼結構焊縫檢測的重要方法。

    超聲波檢測由于其本身的特點，使得它在許多領域特別是焊接結構的檢測中得到了廣泛的應用，但其常規檢測方法僅采用了所獲得波形數據的小部分，在對焊縫中的實際缺陷進行定性評價方面存在較大的困難。筆者通過對焊縫缺陷特征的統計分類和提取，將計算機圖形視覺技術運用于對超聲回波特征的研究，為鋼結構焊縫無損檢測難點的解決提供了新的方法。

1.檢測方法、儀器、水平及缺陷分類

    1.1檢測方法分類

    鋼結構焊縫缺陷無損檢測是在不破壞構件材質和性能的條件下檢測焊縫的特征質量。也就是通過分析構件內部異常和缺陷所引起的熱、聲、光、電、磁和振動等反應的變化來確定缺陷的存在，評價缺陷的特征及其危害程度。無損檢測的發展經歷了三個階段，已由無損檢查(NDI)經無損檢測(NDT)、材料的無損表征(NDC)發展到無損評估(NDE-O)。

    超聲檢測是利用焊件中的缺陷對超聲波的反射進行的檢測，可用于檢測各種材料的缺陷，并能確定缺陷的深度。對構件的檢測厚度及缺陷位置不限，可以檢測射線無法達到的接頭部位，尤其適用于檢測亞表面層疊結構，結合計算機及信號處理技術，超聲檢測可探測到其它常規元損檢測方法不能檢測的缺陷。

    1.2超聲探傷儀分類

    超聲波探傷系統的發展過程可分為三個階段，即模擬探傷系統、數字化探傷系統、以計算機軟件為核心的虛擬探傷系統。

    傳統的超聲波探傷設備是由分立器件組成的模擬電路實現的。這類儀器只能完成接受回波、放大、顯示等基本功能，操作復雜，對回波的分析和缺陷的判定依賴于探傷人員的觀察和實際經驗，所以測量精度低，主觀誤差較大。

    數字化超聲波探傷設備是計算機技術和超聲技術相結合的產物。它承接了傳統超聲波探傷設備的基本模式，即脈沖反射法，并對回波信號進行A／D采樣，使用單片機實現數據的采集、顯示、存儲等功能。這不但解決了缺陷的記錄問題，而且減少了人為誤差，提高了探傷結果的可靠性。

    1.3計算機視覺以及模式識別技術的應用

    由于被檢材料的幾何形狀和聲學性能千差萬別，筆者認為焊縫缺陷特征的統計分類和提取可采用計算機智能化方法進行分析研究，將人工智能及模式識別技術應用到焊縫缺陷模式識別中，特別是采用計算機視覺處理的手段能使模擬／數字式探傷儀通過常用的計算機接口與計算機進行連接，然后通過系統智能化軟件，自動完成焊縫缺陷檢測。其主要功能有距離補償，自動校準，包絡，峰值搜索、 DAC曲線、和波形存儲，文件管理，數據分析，報表打印等。全中文對話方式，使用顯示功能窗可進行菜單式操作；在屏幕顯示的范圍內設置電子閘門，對缺陷進行當量的分級聲、光同時報警；能保留前閘門內掃查到的最高反射波波形；能保留反射波波峰隨探頭前后移動的運動軌跡；實時顯示前閘門內最高反射回波的波高、位置、大小及相關參數數值。這些實時、動態、定位、定性、定量的數字和波形顯示可更客觀準確地分析焊縫的缺陷。

2.超聲波探頭與標準試塊的選用原則

    為了將計算機視覺技術應用到焊縫缺陷模式識別中，規定超聲波探頭與標準試塊及選用原則，是建立檢測數據庫的重要基礎工作之一

    2.1‘超聲波探頭的種類

    超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質、探傷目的、探傷條件不同，因而需使用不同形式的探頭。超聲波探頭按不同的歸納方式可以進行不同的分類，一般有以下幾種：

    (1)按被探工件產生的波型分為縱波探頭、橫波探頭、板波探頭和表面波探頭；

    (2)按入射聲束方向可分為直探頭和斜探頭；    (3)按探頭與被探工件表面的藕合方式可分為直接接觸式探頭和液浸式探頭；

    (4)按探頭中壓電晶片的數目可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭；

    (5)按超聲波聲束的集與否可分為聚焦探頭和非聚焦探頭；

    (6)按超聲波頻譜可分為寬頻帶和窄頻帶探頭；

    (7)除一般探頭外，還有一些在特殊條件下和用于特殊目的的探頭。如機械掃描切換探頭、電子掃描陣列探頭、高溫探頭、瓷瓶探傷專用扁平探頭(縱波)及s型探頭(橫波)等。

    2.2探傷中探頭的選用原則

    超聲波探頭的選擇包括探頭型式、探頭頻率、探頭晶片尺寸等。超聲波探頭的類型很多，性能各異，因此根據超聲波探傷對象的形狀、對超聲波的衰減和技術要求合理選用探頭，是探傷結果正確的保證。

    2.2.1探頭型式的選擇

    一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。直探頭波束軸線垂直于探傷面，只能發射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折亞等缺陷。斜探頭是通過波型轉換來實現橫波探傷的。，主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫中的未焊透、夾渣、未熔合、氣孔等缺陷。表面波探頭用于探測工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷，聚焦探頭多用于水浸探測管材或板材。

    2.2.2探頭頻率的選擇超聲波探傷頻率在0.5～10 MHz之間選擇范圍較大，一般應考慮以下幾個因素。

    (1)由于超聲波的繞射，在同一材料內超聲波波速是一定的，因此提高頻率，超聲波波長就短，探傷靈敏度提高，有利于發現更小的缺陷。

    (2)頻率高，脈沖寬度小，分辨率高，有利于區分相鄰缺陷，并對缺陷定位。

    (3)頻率高，超聲波入短，近場區長度大，對探傷不利。

    (4)超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質晶粒度增加而急劇增加。

    在選擇探頭頻率時，應綜合考慮，全面分析，合理選取。一般來說，在滿足探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選頻率較低的探頭。對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選較高頻率的探頭，常用2．5～5．0 MHz。對于晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等工件，宜選較低頻率的探頭，常用0．5～2．5 MHz。2．3標準試塊。

    所謂標準試塊，就是指它的材質、形狀、幾何尺寸、性能等符合國際組織通過的，或者由某個國家的權威機構討論通過的。還有一些非標準的，可由用戶制定的參考試塊，它們都是用來調節、校驗儀器的。在實際使用時采用與試塊相比較的辦法來確定被測物體的狀況。

    2.3.1確定合適的探傷方法  在探傷之前就預先或者大概知道試塊缺陷可能發生的部位，有時僅需探測某一部位有無缺陷，可應用在某個部位帶有人工缺陷(孔、凹槽等)的試塊來摸索合適的探傷方法。在類似試塊上摸索到的規律，可適用于與試塊材質、尺寸相同的工件。

    2.3.2確定探傷靈敏度和評價缺陷的大小  大多數的探傷儀都有較大的靈敏度調整范圍，以便能探測不同種類、厚度的工件。為了能確定探傷時所采用的靈敏度，就需使用帶有人工缺陷的試塊。用人工缺陷波的波高表示探傷靈敏度，是最常用的一種定量表示靈敏度的方法。

    評價被探工件中某一深度處缺陷的大小，可以利用試塊，通過比較同一深度處的各種人工缺陷波波高的方法來實現。這就是超聲波探傷中常說的當量法。

3.焊縫無損檢測與缺陷信號識別系統的關鍵技術。

    3.1閘門報警與缺陷定位

    閘門報警是探傷系統的一個關鍵環節。傳統的探傷設備的閘門報警是由模擬電路實現的，需要進行閘門的動態補償。這部分電路不但復雜而且控制困難，可靠性差，容易受到干擾，進而使得誤報增加。近年來陸續發表的關于超聲波探傷技術的文章中，有很大一部分文章都是闡述如何改進閘門報警模擬電路，以減小誤報率，但效果不太明顯。

    然而，當探傷設備向全數字式發展時，給出了一個全新的軟閘門報警技術。采用軟件的方法進行波形閘門比較和報警。其優點是閘門的設定非常靈活，可根據探傷的對象、環境、用戶要求，靈活地設置閘門，控制簡單，操作可靠。其缺點是報警會產生滯后，因為數據的采樣和處理需要一定的時間，報警響應比模擬方式慢。仔細分析實際的探傷過程可看出，當發現缺陷時，需要進行復查確認；對自動探傷，可根據工件運動的坐標采樣進行缺陷定位和自動記錄，所以報警滯后并不是大問題。當然，軟件報警對 CPU的處理速度是有很高要求的，它必須在一個重復頻率周期內完成當前波形幀的數據處理，報警等比較和計算，其最大可允許處理時間等于重復頻率的倒數。

    筆者在研究中設計了軟閘門的報警技術和報警區域，這個區域考慮了直射波和一次反射波(即2倍板厚范圍內)，并且要去除始波和非記錄的缺陷波。這個區域通過評定線、定量線和判廢線分成4個小區，當波峰超過評定線時就發出聲音報警。

    在缺陷定位時，系統又設計了定位閘門。當探傷儀檢測到缺陷最大波峰時，計算機自動計算出缺陷的深度以及缺陷的水平距離。

    3.2根據視頻顯示回波的形狀判別缺陷性質

    在波形判斷法的基礎上，通過定量測定缺陷回波脈沖前沿的上升時間t，，脈沖時間t，脈沖后沿的下降時間t，，進而分析判斷缺陷性質的方法，見圖1。示波屏時基線首先應以時間(微秒)定標，這可以利用已知聲速的試塊來實現定標。測試時應使缺陷回波高度10為滿刻度，然后讀取90％以和20％滿刻度線與回波包絡線交點對應的t1、t2和t3.對于裂紋類缺陷，其回波的t1小，而t2則比非平面缺陷的t：要小；對于疏松、夾雜類缺陷，由于缺陷周圍不規則界面的彌散特征，使得回波的t1較大，其t1和t，也比裂紋類缺陷的要大。

    該法與波形判斷法判斷含氣體的裂紋類缺陷時回波前沿陡峭、回波占寬小、回波后沿斜率大的特點是對應的，但用這種方法可更定量地判斷和有助于建立數學模型。

    3.3回波特征的判斷法

    回波特征具體判斷時，根據實際情況自行選擇上述方法并編排順序，而不必全部采用即可判斷缺陷的性質。

    3.3.1分布狀態判斷法

    該法根據缺陷的分布狀態和幾何位置判斷其性質，如白點多出現在鍛件的大截面段的偏析帶上，群集分布。未焊透必在焊縫的根部位置。

    3.3.2回波個數判斷法  該法可把缺陷分為單個或多個，以便確定其危害程度。

    3.3.3回波高度判斷法

    尋找并判斷最大回波高度可作為判斷缺陷性質的依據，如超聲波對裂紋比較敏感，探測面合適時，其回波較高，反射強烈。而鑄件中的疏松、鍛件中的粗晶不可能有較高的回波。

    3.3.4回波根部判斷法判斷回波的寬度或其根部特征，如氣孔、點渣、白點和脆性斷口的冷裂紋根部比較干凈；鑄件上的縮孔和焊縫的條渣和塑性斷口的裂紋，則為多峰，根部也帶有小波。

    3.3.5動態波形判斷法判斷動態波形的特征，是缺陷定性中很重要的方法。如焊縫中的裂紋在轉角掃查時，有明顯的上下錯動現象、未焊透在轉角掃查時則元多峰錯動現象。在鍛件中，對軸類鍛件區分殘余縮孔或軸芯裂紋時，軸向平移探頭，殘余縮孔多峰連續變化，忽高忽低，而同截面360℃掃查變化不大，軸芯裂紋在同一截面3600C掃查則回波差別很大。

    3.3.6靜態波形判斷法

    不同缺陷有不同的代表性靜態波形特征，如：軸類鍛件中的粗晶是中心帶上有一段草狀波；偏析是在離中心等距離的兩個對稱位置上，有兩束叢狀波，根部不清晰，反射較弱。焊縫中的條渣則有多個波峰，根部不清晰，波底較寬。

    3.3.7底波影響判斷法危險性缺陷或較大缺陷，如鍛件上的裂紋或殘余縮孔，對底波有明顯的吸收看不到底波，但為限缺陷也會對周圍的固有波造成明顯的吸收或改變。

    3.3.8回波下降速率法

    不同幾何反射體在不同聲程、不同直徑或同直徑不同聲程時，均有不同的反射規律。面狀缺陷如平底孔，回波降低12 dB缺陷直徑差一倍。而體狀缺陷如球孔，回波高度降低一半(6 dB)，缺陷直徑則差一倍。因此，危險缺陷回波下降速率較坦，非危險缺陷回波下降速率較快。

    3.3.9不同位置掃查法

    在對稱位置掃查以判斷缺陷性質。如對未焊透在兩側掃查回波差別不大，未融合或裂紋則差別較大。

    3.3.10更換探頭實驗法采用不同探頭以盡可能找出缺陷的最強反射面，便于判斷。這里包括在精密掃查時，可使用聚焦探頭和雙晶探頭。用一發一收斜探頭可判斷被檢材料內部缺陷是面狀或體狀。用兩個輻射方向相同且間距固定的斜探頭作串列式掃查，較易發現垂直于底部的大而平的缺陷。

    3.4缺陷的判定和評價

    超聲波探傷技術中的三大關鍵問題是缺陷的定位、定量和定性評定。如在眾多有關超聲波探傷的技術規范中；對諸如確定缺陷埋藏深度及在探測面上的投影位置，評定缺陷的當量大小，延伸長度以及缺陷投影面積等都有明確的方法規定，對保證產品構件的質量和安全使用具有重大作用。然而，在對缺陷定性評定方面卻存在相當大的困難，還有待研究和深化。下面所說的缺陷的定位、定量和定性，都是用最常見、最基本的A型顯示脈沖反射法進行縱波探傷，而且，多數方法都是基于模擬式超聲波探傷儀的原理。

    人工智能、計算機視覺技術及模式識別技術的飛速發展必將推動焊接無損檢測的進步。目前這方面的研究已取得許多令人鼓舞的成果。現代數字信號處理和模式識別技術已引入焊接無損檢測的研究，不僅提高了檢測的準確性，并可得出檢測的量化結果，如焊接缺陷的大小、位置及性質。

4.結  語

    綜上所述，超聲探傷系統的發展過程經歷了模擬探傷系統、數字化探傷系統和以計算機軟件為核心的虛擬探傷系統。本文提出了一種新的數字化超聲波探傷檢測方法，主要綜述了適應于計算機視覺處理的鋼結構焊縫缺陷無損檢測技術，為后續采用計算機視覺技術以及模式識別來進行焊縫缺陷的定性、定位、定量分析奠定基礎，為實現以計算機軟件為核心的虛擬探傷系統提供了一種新的患路。至此，焊縫無損檢測與缺陷信號識別系統尚有下列核心技術需作進一步研究：

    (1)模擬／數字式超聲波探傷設備的探傷回波圖形的獲取技術。

    (2)實現探傷過程中缺陷的自動判別，包括軟閘門報警檢測。

    (3)自動記錄分析超聲波探傷的靜動態波形，提供探傷檢測過程的三維波形顯示。

    關于焊縫缺陷模式識別以及超聲波探傷視頻檢測及系統實現將在后續的論文中進行介紹。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)