杭州地铁2号线二期工程 - 中铁第四勘察设计院.doc

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1、大连理工大学材料科学与工程学院硕士研究生学位论文中期报告姓名：瞿宁学号：21005092专业：生物医学工程论文题目：CCASS焊缝相控阵超声检测聚焦特性的研究指导教师：陈军（副教授）林莉（教授）填表日期：2012年7月3日1、中期报告摘要8壁厚为66-99mm离心铸造奥氏体不锈钢（CentrifugallyCastAusteniticStainlessSteel，CCASS）由于晶粒粗大造成声束在传播过程中严重衰减，产生结构噪声，降低了超声检测的信噪比和灵敏度。界面散射波以及声束在界面处的波型转换会在检测时产生背景噪声和伪像。这些背景噪声和伪像对超声相控阵的成像造成强烈的干扰作用，引起缺陷的

2、误判和定位不准。相控阵超声检测技术的电子聚焦能力为解决这一难题提供了新的思路和方法。相控阵超声检测技术采用电子方法控制声束聚焦和扫描，可以在不移动或少移动探头的情况下进行快捷的扫查，提高检测速度，通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等得到极大提高。但是，对于常用的超声相控阵聚焦理论，一般采用均匀介质中的声传播规律，即假定待检介质的背景为均匀介质，声波沿直线传播，遇到缺陷后发生反射并被换能器阵列接收，在这种假定下采用单一的波包速度计算时间延迟来进行聚焦发射和聚焦接收处理。这些假定条件对于均质的各向同性材料而言，成像得到明显优化。但是对于声速各向异性的非均质材

3、料（离心铸造奥氏体不锈钢）而言，未必与真实情况相符，可能会使声束偏离，导致聚焦效果差，甚至不能聚焦。对于非均质的离心铸造奥氏体不锈钢焊缝，材料声速是变化的，如图1是三种不同均质程度材料（由声速变化的范围表示）对超声声束的的影响示意图。由图1可知，随着材料的非均质程度的增加，超声声束的焦点发生了明显了偏离。本论文对离心铸造奥氏体不锈钢材料不同位置声速进行了测量，测量发现CCASS焊缝材料的声速波动范围远远大于3%（5023m/s—5931m/s），声束在CCASS材料的传播过程中散射严重，对相控阵超声声束的聚焦特性有较大的影响，可能降低检测的信噪比和灵敏度。图1声束在弹性各向异性介质中传播时产

4、生的扭曲（5MHz）（a）声速无变化；（b）声速变化1%；（c）声速变化3%本论文通过实验与模拟相结合的研究方法，探究超声相控阵在离心铸造奥氏体不锈钢中的聚焦特性，对离心铸造奥氏体不锈钢的相控阵超声检测中聚焦参数的设定提供指导，从而提高检测信噪比和灵敏度。2、论文工作已经取得的主要研究成果论文前一阶段的工作重点主要是对相控阵聚焦参数进行了优化，重点研究了各个聚焦参数对奥氏体不锈钢焊缝检测的影响，并且结合仿真模拟对影响原因进行了简要分析。8相控阵超声检测聚焦能力对检测空间分辨率和对比度分辨率有重要影响，对奥氏体不锈钢焊缝超声检测研究具有重要意义。而相控阵聚焦参数的设定对相控阵的聚焦能力有较大的

5、影响。对于CCASS焊缝超声检测而言，由于材料（离心铸造奥氏体不锈钢）的不均匀性，可能会严重降低相控阵的聚焦效果，从而影响相控阵超声检测系统的检测结果。本文主要研究了相控阵超声聚焦参数对相控阵图谱和对重点指标参量（信噪比、幅度等）的影响，并且对相关影响结果进行了分析，寻找聚焦参数对检测结果的影响规律。研究不仅为相控阵超声聚焦参数的调整提供了基础，也为进一步探讨离心铸造奥氏体不锈钢的声束聚焦特性等提供参考。下面介绍了几种聚焦参数对检测的影响结果。2.1聚焦方式对相控阵成像的影响超声相控阵聚焦技术由于可控制声束灵活聚焦，能极大地提高检测信噪比，对厚壁离心铸造奥氏体不锈钢管道的检测具有明显优势。在

6、超声相控阵系统中，聚焦方式决定了声束能量最大值的分布方式，它将直接影响聚焦效果从而影响检测效果。因此，研究主管道奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测的聚焦方式的选用，为实际检测提供参考，具有重要意义。本实验根据超声相控阵系统中四种聚焦方式的定义，结合核电站主管道奥氏体不锈钢焊缝几何特征，分析讨论了检测此类焊缝的最佳聚焦方式，并采用实验方法对比了各种聚焦方式的检测效果。1)真实深度聚焦：所有声束聚焦在同一个深度，如图2（a）；2)半声程聚焦：所有声束聚焦在以单声程为半径的圆弧上，如图2（b）；3)投影聚焦：所有声束聚焦在给定的垂直平面，如图2（c）；4)任意平面聚焦：所有声束聚焦在自定义的任意平面，

7、如图2（d）。图2四种聚焦方式示意图8图3主管道焊缝试块照片和人工缺陷示意图我们对主管道奥氏体不锈钢焊缝上深度为16mm和48mm的人工缺陷孔（如图3所示），采用三种聚焦方式进行了检测，如图4所示。三种聚焦方式下深度为48mm的缺陷孔均成像清晰，效果一致；而对于16mm深的孔，使用投影聚焦时成像效果明显优于其余两种方式。结合两孔在焊缝中的位置，可以得出：真实深度聚焦和半声程聚焦只能将声束聚焦在焊缝某一个深度，