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摘要：鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)是在不破壞構(gòu)件材質(zhì)和性能的條件下，檢測(cè)焊縫的特征質(zhì)量。超聲檢測(cè)是利用焊件中的缺陷對(duì)超聲波的反射進(jìn)行缺陷的檢測(cè)。...

鋼結(jié)構(gòu)特種焊接無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜述

——計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用(1)

楊燕萍，楊清平

(浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310012)

    鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高，重量輕，外觀新穎而越來(lái)越多應(yīng)用于超高層、大空間、大跨度的建筑；鋼結(jié)構(gòu)建筑的焊接質(zhì)量是至關(guān)重要的，而超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)的重要方法。

    超聲波檢測(cè)由于其本身的特點(diǎn)，使得它在許多領(lǐng)域特別是焊接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其常規(guī)檢測(cè)方法僅采用了所獲得波形數(shù)據(jù)的小部分，在對(duì)焊縫中的實(shí)際缺陷進(jìn)行定性評(píng)價(jià)方面存在較大的困難。筆者通過(guò)對(duì)焊縫缺陷特征的統(tǒng)計(jì)分類(lèi)和提取，將計(jì)算機(jī)圖形視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用于對(duì)超聲回波特征的研究，為鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)難點(diǎn)的解決提供了新的方法。

1.檢測(cè)方法、儀器、水平及缺陷分類(lèi)

    1.1檢測(cè)方法分類(lèi)

    鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷無(wú)損檢測(cè)是在不破壞構(gòu)件材質(zhì)和性能的條件下檢測(cè)焊縫的特征質(zhì)量。也就是通過(guò)分析構(gòu)件內(nèi)部異常和缺陷所引起的熱、聲、光、電、磁和振動(dòng)等反應(yīng)的變化來(lái)確定缺陷的存在，評(píng)價(jià)缺陷的特征及其危害程度。無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，已由無(wú)損檢查(NDI)經(jīng)無(wú)損檢測(cè)(NDT)、材料的無(wú)損表征(NDC)發(fā)展到無(wú)損評(píng)估(NDE-O)。

    超聲檢測(cè)是利用焊件中的缺陷對(duì)超聲波的反射進(jìn)行的檢測(cè)，可用于檢測(cè)各種材料的缺陷，并能確定缺陷的深度。對(duì)構(gòu)件的檢測(cè)厚度及缺陷位置不限，可以檢測(cè)射線無(wú)法達(dá)到的接頭部位，尤其適用于檢測(cè)亞表面層疊結(jié)構(gòu)，結(jié)合計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理技術(shù)，超聲檢測(cè)可探測(cè)到其它常規(guī)元損檢測(cè)方法不能檢測(cè)的缺陷。

    1.2超聲探傷儀分類(lèi)

    超聲波探傷系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段，即模擬探傷系統(tǒng)、數(shù)字化探傷系統(tǒng)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心的虛擬探傷系統(tǒng)。

    傳統(tǒng)的超聲波探傷設(shè)備是由分立器件組成的模擬電路實(shí)現(xiàn)的。這類(lèi)儀器只能完成接受回波、放大、顯示等基本功能，操作復(fù)雜，對(duì)回波的分析和缺陷的判定依賴于探傷人員的觀察和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，所以測(cè)量精度低，主觀誤差較大。

    數(shù)字化超聲波探傷設(shè)備是計(jì)算機(jī)技術(shù)和超聲技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它承接了傳統(tǒng)超聲波探傷設(shè)備的基本模式，即脈沖反射法，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行A／D采樣，使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)等功能。這不但解決了缺陷的記錄問(wèn)題，而且減少了人為誤差，提高了探傷結(jié)果的可靠性。

    1.3計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及模式識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

    由于被檢材料的幾何形狀和聲學(xué)性能千差萬(wàn)別，筆者認(rèn)為焊縫缺陷特征的統(tǒng)計(jì)分類(lèi)和提取可采用計(jì)算機(jī)智能化方法進(jìn)行分析研究，將人工智能及模式識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到焊縫缺陷模式識(shí)別中，特別是采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理的手段能使模擬／數(shù)字式探傷儀通過(guò)常用的計(jì)算機(jī)接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，然后通過(guò)系統(tǒng)智能化軟件，自動(dòng)完成焊縫缺陷檢測(cè)。其主要功能有距離補(bǔ)償，自動(dòng)校準(zhǔn)，包絡(luò)，峰值搜索、 DAC曲線、和波形存儲(chǔ)，文件管理，數(shù)據(jù)分析，報(bào)表打印等。全中文對(duì)話方式，使用顯示功能窗可進(jìn)行菜單式操作；在屏幕顯示的范圍內(nèi)設(shè)置電子閘門(mén)，對(duì)缺陷進(jìn)行當(dāng)量的分級(jí)聲、光同時(shí)報(bào)警；能保留前閘門(mén)內(nèi)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡；實(shí)時(shí)顯示前閘門(mén)內(nèi)最高反射回波的波高、位置、大小及相關(guān)參數(shù)數(shù)值。這些實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、定位、定性、定量的數(shù)字和波形顯示可更客觀準(zhǔn)確地分析焊縫的缺陷。

2.超聲波探頭與標(biāo)準(zhǔn)試塊的選用原則

    為了將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到焊縫缺陷模式識(shí)別中，規(guī)定超聲波探頭與標(biāo)準(zhǔn)試塊及選用原則，是建立檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要基礎(chǔ)工作之一

    2.1‘超聲波探頭的種類(lèi)

    超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質(zhì)、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(jìn)行不同的分類(lèi)，一般有以下幾種：

    (1)按被探工件產(chǎn)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(shù)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(jī)械掃描切換探頭、電子掃描陣列探頭、高溫探頭、瓷瓶探傷專(zhuān)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(lèi)型很多，性能各異，因此根據(jù)超聲波探傷對(duì)象的形狀、對(duì)超聲波的衰減和技術(shù)要求合理選用探頭，是探傷結(jié)果正確的保證。

    2.2.1探頭型式的選擇

    一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來(lái)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(fā)射和接收縱波，主要用于探測(cè)與探測(cè)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(guò)波型轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)橫波探傷的。，主要用于探測(cè)與探測(cè)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(cè)工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測(cè)工件近表面缺陷，聚焦探頭多用于水浸探測(cè)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(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

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

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

    (3)頻率高，超聲波入短，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度大，對(duì)探傷不利。

    (4)超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質(zhì)晶粒度增加而急劇增加。

    在選擇探頭頻率時(shí)，應(yīng)綜合考慮，全面分析，合理選取。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)于晶粒較細(xì)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)試塊。

    所謂標(biāo)準(zhǔn)試塊，就是指它的材質(zhì)、形狀、幾何尺寸、性能等符合國(guó)際組織通過(guò)的，或者由某個(gè)國(guó)家的權(quán)威機(jī)構(gòu)討論通過(guò)的。還有一些非標(biāo)準(zhǔn)的，可由用戶制定的參考試塊，它們都是用來(lái)調(diào)節(jié)、校驗(yàn)儀器的。在實(shí)際使用時(shí)采用與試塊相比較的辦法來(lái)確定被測(cè)物體的狀況。

    2.3.1確定合適的探傷方法  在探傷之前就預(yù)先或者大概知道試塊缺陷可能發(fā)生的部位，有時(shí)僅需探測(cè)某一部位有無(wú)缺陷，可應(yīng)用在某個(gè)部位帶有人工缺陷(孔、凹槽等)的試塊來(lái)摸索合適的探傷方法。在類(lèi)似試塊上摸索到的規(guī)律，可適用于與試塊材質(zhì)、尺寸相同的工件。

    2.3.2確定探傷靈敏度和評(píng)價(jià)缺陷的大小  大多數(shù)的探傷儀都有較大的靈敏度調(diào)整范圍，以便能探測(cè)不同種類(lèi)、厚度的工件。為了能確定探傷時(shí)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(píng)價(jià)被探工件中某一深度處缺陷的大小，可以利用試塊，通過(guò)比較同一深度處的各種人工缺陷波波高的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是超聲波探傷中常說(shuō)的當(dāng)量法。

3.焊縫無(wú)損檢測(cè)與缺陷信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

    3.1閘門(mén)報(bào)警與缺陷定位

    閘門(mén)報(bào)警是探傷系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的探傷設(shè)備的閘門(mén)報(bào)警是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，需要進(jìn)行閘門(mén)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這部分電路不但復(fù)雜而且控制困難，可靠性差，容易受到干擾，進(jìn)而使得誤報(bào)增加。近年來(lái)陸續(xù)發(fā)表的關(guān)于超聲波探傷技術(shù)的文章中，有很大一部分文章都是闡述如何改進(jìn)閘門(mén)報(bào)警模擬電路，以減小誤報(bào)率，但效果不太明顯。

    然而，當(dāng)探傷設(shè)備向全數(shù)字式發(fā)展時(shí)，給出了一個(gè)全新的軟閘門(mén)報(bào)警技術(shù)。采用軟件的方法進(jìn)行波形閘門(mén)比較和報(bào)警。其優(yōu)點(diǎn)是閘門(mén)的設(shè)定非常靈活，可根據(jù)探傷的對(duì)象、環(huán)境、用戶要求，靈活地設(shè)置閘門(mén)，控制簡(jiǎn)單，操作可靠。其缺點(diǎn)是報(bào)警會(huì)產(chǎn)生滯后，因?yàn)閿?shù)據(jù)的采樣和處理需要一定的時(shí)間，報(bào)警響應(yīng)比模擬方式慢。仔細(xì)分析實(shí)際的探傷過(guò)程可看出，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，需要進(jìn)行復(fù)查確認(rèn)；對(duì)自動(dòng)探傷，可根據(jù)工件運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)采樣進(jìn)行缺陷定位和自動(dòng)記錄，所以報(bào)警滯后并不是大問(wèn)題。當(dāng)然，軟件報(bào)警對(duì) CPU的處理速度是有很高要求的，它必須在一個(gè)重復(fù)頻率周期內(nèi)完成當(dāng)前波形幀的數(shù)據(jù)處理，報(bào)警等比較和計(jì)算，其最大可允許處理時(shí)間等于重復(fù)頻率的倒數(shù)。

    筆者在研究中設(shè)計(jì)了軟閘門(mén)的報(bào)警技術(shù)和報(bào)警區(qū)域，這個(gè)區(qū)域考慮了直射波和一次反射波(即2倍板厚范圍內(nèi))，并且要去除始波和非記錄的缺陷波。這個(gè)區(qū)域通過(guò)評(píng)定線、定量線和判廢線分成4個(gè)小區(qū)，當(dāng)波峰超過(guò)評(píng)定線時(shí)就發(fā)出聲音報(bào)警。

    在缺陷定位時(shí)，系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了定位閘門(mén)。當(dāng)探傷儀檢測(cè)到缺陷最大波峰時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出缺陷的深度以及缺陷的水平距離。

    3.2根據(jù)視頻顯示回波的形狀判別缺陷性質(zhì)

    在波形判斷法的基礎(chǔ)上，通過(guò)定量測(cè)定缺陷回波脈沖前沿的上升時(shí)間t，，脈沖時(shí)間t，脈沖后沿的下降時(shí)間t，，進(jìn)而分析判斷缺陷性質(zhì)的方法，見(jiàn)圖1。示波屏?xí)r基線首先應(yīng)以時(shí)間(微秒)定標(biāo)，這可以利用已知聲速的試塊來(lái)實(shí)現(xiàn)定標(biāo)。測(cè)試時(shí)應(yīng)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(luò)線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的t1、t2和t3.對(duì)于裂紋類(lèi)缺陷，其回波的t1小，而t2則比非平面缺陷的t：要小；對(duì)于疏松、夾雜類(lèi)缺陷，由于缺陷周?chē)�不�?guī)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(lèi)缺陷的要大。

    該法與波形判斷法判斷含氣體的裂紋類(lèi)缺陷時(shí)回波前沿陡峭、回波占寬小、回波后沿斜率大的特點(diǎn)是對(duì)應(yīng)的，但用這種方法可更定量地判斷和有助于建立數(shù)學(xué)模型。

    3.3回波特征的判斷法

    回波特征具體判斷時(shí)，根據(jù)實(shí)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(zhì)。

    3.3.1分布狀態(tài)判斷法

    該法根據(jù)缺陷的分布狀態(tài)和幾何位置判斷其性質(zhì)，如白點(diǎn)多出現(xiàn)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(gè)數(shù)判斷法  該法可把缺陷分為單個(gè)或多個(gè)，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(zhì)的依據(jù)，如超聲波對(duì)裂紋比較敏感，探測(cè)面合適時(shí)，其回波較高，反射強(qiáng)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(diǎn)渣、白點(diǎn)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(dòng)態(tài)波形判斷法判斷動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)角掃查時(shí)，有明顯的上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象、未焊透在轉(zhuǎn)角掃查時(shí)則元多峰錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。在鍛件中，對(duì)軸類(lèi)鍛件區(qū)分殘余縮孔或軸芯裂紋時(shí)，軸向平移探頭，殘余縮孔多峰連續(xù)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(tài)波形判斷法

    不同缺陷有不同的代表性靜態(tài)波形特征，如：軸類(lèi)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(gè)對(duì)稱(chēng)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(gè)波峰，根部不清晰，波底較寬。

    3.3.7底波影響判斷法危險(xiǎn)性缺陷或較大缺陷，如鍛件上的裂紋或殘余縮孔，對(duì)底波有明顯的吸收看不到底波，但為限缺陷也會(huì)對(duì)周?chē)�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(shí)，均有不同的反射規(guī)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(xiǎn)缺陷回波下降速率較坦，非危險(xiǎn)缺陷回波下降速率較快。

    3.3.9不同位置掃查法

    在對(duì)稱(chēng)位置掃查以判斷缺陷性質(zhì)。如對(duì)未焊透在兩側(cè)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(shí)驗(yàn)法采用不同探頭以盡可能找出缺陷的最強(qiáng)反射面，便于判斷。這里包括在精密掃查時(shí)，可使用聚焦探頭和雙晶探頭。用一發(fā)一收斜探頭可判斷被檢材料內(nèi)部缺陷是面狀或體狀。用兩個(gè)輻射方向相同且間距固定的斜探頭作串列式掃查，較易發(fā)現(xiàn)垂直于底部的大而平的缺陷。

    3.4缺陷的判定和評(píng)價(jià)

    超聲波探傷技術(shù)中的三大關(guān)鍵問(wèn)題是缺陷的定位、定量和定性評(píng)定。如在眾多有關(guān)超聲波探傷的技術(shù)規(guī)范中；對(duì)諸如確定缺陷埋藏深度及在探測(cè)面上的投影位置，評(píng)定缺陷的當(dāng)量大小，延伸長(zhǎng)度以及缺陷投影面積等都有明確的方法規(guī)定，對(duì)保證產(chǎn)品構(gòu)件的質(zhì)量和安全使用具有重大作用。然而，在對(duì)缺陷定性評(píng)定方面卻存在相當(dāng)大的困難，還有待研究和深化。下面所說(shuō)的缺陷的定位、定量和定性，都是用最常見(jiàn)、最基本的A型顯示脈沖反射法進(jìn)行縱波探傷，而且，多數(shù)方法都是基于模擬式超聲波探傷儀的原理。

    人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)及模式識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展必將推動(dòng)焊接無(wú)損檢測(cè)的進(jìn)步。目前這方面的研究已取得許多令人鼓舞的成果�，F(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理和模式識(shí)別技術(shù)已引入焊接無(wú)損檢測(cè)的研究，不僅提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并可得出檢測(cè)的量化結(jié)果，如焊接缺陷的大小、位置及性質(zhì)。

4.結(jié)  語(yǔ)

    綜上所述，超聲探傷系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了模擬探傷系統(tǒng)、數(shù)字化探傷系統(tǒng)和以計(jì)算機(jī)軟件為核心的虛擬探傷系統(tǒng)。本文提出了一種新的數(shù)字化超聲波探傷檢測(cè)方法，主要綜述了適應(yīng)于計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理的鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為后續(xù)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)以及模式識(shí)別來(lái)進(jìn)行焊縫缺陷的定性、定位、定量分析奠定基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)軟件為核心的虛擬探傷系統(tǒng)提供了一種新的患路。至此，焊縫無(wú)損檢測(cè)與缺陷信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)尚有下列核心技術(shù)需作進(jìn)一步研究：

    (1)模擬／數(shù)字式超聲波探傷設(shè)備的探傷回波圖形的獲取技術(shù)。

    (2)實(shí)現(xiàn)探傷過(guò)程中缺陷的自動(dòng)判別，包括軟閘門(mén)報(bào)警檢測(cè)。

    (3)自動(dòng)記錄分析超聲波探傷的靜動(dòng)態(tài)波形，提供探傷檢測(cè)過(guò)程的三維波形顯示。

    關(guān)于焊縫缺陷模式識(shí)別以及超聲波探傷視頻檢測(cè)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將在后續(xù)的論文中進(jìn)行介紹。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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