基于TOFD周向扫查图像特征的管道缺陷超声检测

利用超声衍射时差法(Time-of-flight diffraction,TOFD)对管道进行周向扫查检测时,直达纵波传播路径与管道表面不平行,需分别对直达纵波上下区域内缺陷进行识别和定位检测。特别地,管道结构导致TOFD近表面盲区增大,缺陷衍射波与直达纵波发生混叠。针对上述问题,理论分析极坐标系下的管道TOFD周向扫查图像中缺陷衍射波特征,借此确定缺陷与直达纵波的相对位置。在此基础上,对盲区外缺陷进行定位检测,并结合自回归谱外推方法计算盲区内缺陷深度。试验结果显示,对于外壁半径100.0 mm,壁厚30.0 mm碳钢管道,在5 MHz中心频率和不同探头中心距(Probe center separation,PCS)的检测条件下,埋深4.0 mm的上表面开口槽与埋深16.0 mm的下表面开口槽均可检出,且定位误差不超过0.36 mm。缺陷衍射波特征与PCS直接相关,对管道进行周向扫查检测时应合理调整参数。     

基于波型转换的TOFD近表面盲区抑制研究

针对超声衍射时差法(Time of flight diffraction,TOFD)存在的近表面盲区问题,基于波型转换理论,提出盲区抑制方法。根据TOFD平行扫查时变型波变化规律,明确裂纹深度d与变型波声程最短时缺陷偏心距(35)S之间的理论关系。考虑到(35)S读数误差较大的问题,引入直通波与变型波声程最短位置点间的垂直距离d′,从而实现近表面盲区抑制。选用中心频率10 MHz、折射角度70°以及探头中心间距(Probe center spacing,PCS)17.00 mm的TOFD探头对,通过模拟与试验的方法对厚度35.00 mm碳钢试块中深度1.00~6.00 mm的底面开口槽进行平行扫査和定位检测。结果表明,该方法可将近表面盲区抑制到1.00 mm,深度2.00 mm底面开口槽定位误差最大,误差绝对值为0.24 mm。     

自适应解卷积方法抑制管道 TOFD 周向扫查盲区

利用超声衍射时差法(TOFD)沿管道外表面实施周向扫查时,受管道曲率和直达纵波脉冲宽度共同影响,在近表面区域形成分层盲区。本文采用自适应解卷积方法,选取与混叠信号主频接近的子带直达纵波信号作为参考信号,进行解卷积与自回归谱外推处理,拓宽有效频带范围,实现时域信号脉冲压缩,并结合周向扫查图像中端点衍射波确定缺陷深度。实验结果表明,对于外壁半径100.0 mm、壁厚30.0 mm,以及外壁半径148.0 mm、壁厚27.0 mm的碳钢管道,在中心频率5 MHz、探头中心距87 mm的检测条件下,自适应解卷积方法能够将管道近表面分层盲区范围减少约60%,且到直达纵波声线距离不小于4.0 mm缺陷的深度定量误差不超过10.6%。同常规频谱分析方法和自回归谱外推方法相比,自适应解卷积方法具有更优的盲区抑制效果,且能够准确定量前者难以检测的缺陷,测量误差不超过5.8%。     

基于自回归谱外推的全聚焦成像分辨力提升

针对相邻缺陷全聚焦超声成像混叠问题，结合低阶、宽有效频带自回归谱外推方法，压缩超声波时域脉冲宽度，实现亚波长级全聚焦（Total focusing method，TFM）成像分辨力。建立碳钢试块模型，设置两个中心间距1.8 mm，直径1.3 mm圆孔，选用中心频率2.25 MHz，32阵元相控阵探头采集全矩阵数据。针对全矩阵数据，选择自回归阶数为2，信号频谱最大幅值下降14 dB为有效频带，建立自回归模型并外推有效频带外的高频与低频成分，随后对全矩阵数据进行延迟叠加处理和TFM成像。仿真结果表明，低阶、宽有效频带自回归谱外推处理方法具有较高的鲁棒性和准确性，TFM成像后可有效分离中心间距0.7λ（λ为超声波长）圆孔，保留缺陷横向位置信息的同时，定位误差不超过0.73%。对碳钢试块中相同位置及尺寸的圆孔进行试验验证，定位误差不超过1.06%，有效地提高TFM成像分辨力。     

超声波时差衍射法图像近表面缺陷检测新方法

针对超声波时差衍射法(TOFD)图像近表面盲区问题,提出了一种超声波TOFD图像近表面缺陷检测新方法.首先根据超声波传播时间和深度的关系,提出了通过超声波TOFD图像重构新方法将超声波TOFD图像中深度与时间的非线性关系转换为线性关系,以减小测量误差.然后,为了有效提取混叠直通波中的缺陷信号,提出了基于峰值捕捉和阈值处理相结合的直通波拉直方法.实验结果表明,该方法能有效解决近表面盲区问题,提取混叠在直通波中的缺陷信号.     

基于自适应滤波的超声TOFD的近表面缺陷检测

为了解决超声衍射时差法图像近表面盲区直通波与缺陷信号混叠的问题,提出了一种基于自适应滤波的近表面缺陷信号处理方法。采用Comsol软件建立了TOFD近表面缺陷的二维有限元模型,根据超声波传播过程及A扫描信号分析了近表面盲区产生的原因;通过RLS自适应滤波算法分别对距离上表面3 mm和10 mm的仿真信号进行了处理,有效分离出了一维混叠信号中的缺陷信号,经过数值计算得到了误差较小的缺陷长度信息;利用自适应滤波技术对TOFD图像进行了处理,完整地将隐藏在直通波下的缺陷信号提取了出来。研究结果表明:RLS自适应滤波能够有效解决近表面盲区问题,提取混叠在直通波下的近表面缺陷信号。     

基于变型波的超声TOFD近表面检测新方法

为了解决传统衍射时差法超声检测技术(TOFD)法对埋藏在近表面的缺陷波无法辨识及近表面区域的测量误差大、深度分辨力差等近表面盲区问题,提出了一种新的近表面检测方法。该方法利用变型波波速较慢的特点,通过计算变型波、直通波及底面反射波,得出了变型波在纵波检测窗口出现的条件,并利用变型波对缺陷进行检测,以减小测量误差并提高检测分辨力,有效地解决了TOFD近表面盲区问题。在10个不同深度的人工缺陷中,对采用基于变型波的检测方法和传统检测方法的实验结果进行了比较和分析,并分别计算了其测量误差及检测分辨力。实验结果表明,该方法能够识别传统方法无法辨识的近表面缺陷,可有效检测到埋藏深度2.0 mm的人工缺陷,同时,该方法具有较高的测量精度和分辨力。     

基于TOFD周向扫查的厚壁管道倾斜裂纹精准定量

利用超声衍射时差法(TOFD)对厚壁管道实施周向扫查时,曲率表面与直通波路径不重合,引起倾斜裂纹长度和角度定量误差。为实现深层裂纹检测,提高探头中心距(PCS)进一步增加检测误差。考虑管道外壁曲率半径、PCS与裂纹端点深度之间的几何关系,开展厚壁管道倾斜裂纹精准定量研究。推导厚壁管道TOFD检测周向扫查时,裂纹长度和倾斜角度定量公式,并对比优化前后检测误差。仿真研究表明,对壁厚30.0 mm,外壁曲率半径148.0 mm的碳钢管道内,长度4.0 mm,倾斜角度10°～50°的裂纹实施检测时,长度和倾斜角度定量误差分别下降可达0.10 mm和1.58°。实验针对碳钢管道试块中长度4.0 mm,倾斜角度30°的裂纹,长度和倾斜角度定量误差从0.30 mm和2.74°,降低至0.27 mm和0.28°。所述方法可适用于不同曲率管道内部倾斜裂纹定量检测,应用范围较广。     

合成孔径聚焦技术在超声衍射时差法缺陷长度定量中的应用研究

超声衍射时差法(Time of flight diffraction,TOFD)中由于探头具有一定声束宽度使得缺陷D扫描图像中存在甩弧现象,导致检测图像横向分辨率差,缺陷起始位置确定困难,长度定量误差大。为了提高缺陷长度定量精度,引入合成孔径聚焦技术(Synthetic aperture focusing technology,SAFT),并建立D扫描图像SAFT数学模型。借助CIVA仿真软件,对长度范围为5.0~45.0 mm的9个矩形槽进行TOFD检测D扫描模拟,并利用SAFT对D扫描图像进行处理与重建,结果显示缺陷的有效衍射信号得到增强,甩弧现象减弱甚至消失;对于长度为5.0 mm的矩形槽,经SAFT处理后,缺陷定量误差为-0.4 mm。将该方法应用到长度分别为5.0 mm和40.0 mm的表面开口槽试验D扫描图像处理中,缺陷长度定量误差分别为0.4 mm和0.8 mm。研究结果表明,通过D-SAFT技术能够有效提高缺陷D扫描图像横向分辨率,实现缺陷长度精确定量。     

核反应堆厚壁压力容器焊缝TOFD检测缺陷高度分辨率探究

对壁厚220 mm的核反应堆压力容器焊缝超声衍射时差法（ TOFD ）检测中缺陷高度分辨率进行理论分析,绘制了缺陷高度分辨率随缺陷埋深变化的函数曲线。当缺陷高度小于系统高度分辨率时,提出利用基于傅里叶变换的频谱分析法测算缺陷高度。3个侧通孔（埋深22.5 mm,Ф3.0 mm；埋深40.0 mm,Ф2.0 mm；埋深80.0 mm,Ф2.0 mm）的试验分析结果验证了该方法的有效性。进一步的数值计算结果表明,对埋深182.0 mm,Ф2.0 mm侧通孔的TOFD检测信号进行频谱分析,能够准确确定缺陷高度。     

Ultrasonic Nondestructive Testing Accurate Sizing and Locating Technique Based on Time-of-Flight-Diffraction Method

The ultrasonic time-of-flight-diffraction (TOFD) method is a widely used flaw sizing and locating method. A signal identification technique is used to improve the arrival time resolution of a TOFD signal and to size and locate flaws more accurately. The ultrasonic signal is decomposed into several intrinsic mode functions by empirical mode decomposition. Some modes are selected to reconstruct a new signal considering their frequencies and energy. The reconstructed signal has a better signal-to-noise ratio and enhanced flaw information. A Hilbert transform is conducted to get the envelope and exact arrival time of the signal. All vertical flaws can be detected correctly with average sizing and locating accuracy of 0.08 mm in the laboratory. The deeper the flaw is located, the higher the accuracy. The blind area of TOFD is reduced to 2.5 mm under the surface.     

An investigation of practical application of variable spindle speed machining to noncircular turning process

The present study investigates the effects of four controllable variables on the metallurgy and drilling velocity of laser percussion drilled acute (30° to surface) blind holes in 2 mm thick flat pieces of nickel superalloy—CMSX-4 material. Design of experiment and statistical modelling were used in the experimental study to understand parameter interactions. Pulse energy, pulse width, pulse frequency and gas pressure were chosen as the independent process variables. The response surface method was used to develop the models for each of the responses: physical characteristics of wall and bottom recast layer and drilling velocity (function of material removal rate). A central composite design was chosen as it offered the most economical number of experiments for the required information. The significant process factors in each model were identified based on the analysis of variance and the models were checked by complete residual analysis. It was found that high pulse energy and short pulse width gave the maximum drilling velocity and lowest recast layer thickness at the hole bottom, whereas low pulse energy and short pulse width minimised the wall recast layer thickness.     

基于编码压缩的钢板电磁超声 Lamb 波检测方法研究

针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6 mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69 dB,可检出10 mm长和0.5 mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47 dB。当Barker码码元中心频率为1 MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A₀模态的缺陷波SNR仍可达35.23 dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。     

毫秒激光金属打孔的解析和实验

研究了用毫秒脉宽的长脉冲激光单个脉冲打深孔的成形过程和打孔速率.首先,由切割法得到了1 ms脉宽的Nd:YAG高斯激光对厚铝板打孔时孔的形貌,激光能量为7.9和28.9 J时,对应的孔深分别为1.849和2.975 mm.根据实验建立了轴对称模型,通过热传导方程得到了固相温度的解析解.然后,假设物质一旦熔融就离开孔,由...     

Y环单元FSS结构参数对频率特性的影响

利用谱域分析法,从Y环单元的臂长、臂宽、缝宽、加载介质的厚度及介电常数等方面,研究了Y环单元频率选择表面(Frequency Selective Surface简称FSS)结构参数对其频率响应特性的影响;采用镀膜和光刻技术制备出了相应的实验件,并在微波暗室进行测试,测试值与计算值基本一致。结果表明:臂长主要影响中心频率,臂长从3.8 mm增大到4.7 mm时,中心频率从11.9 GHz下降到8.9 GHz;单元间距主要影响带宽,单元间距从0.3倍波长增大到0.5倍波长时,-3 dB带宽从3.2 GHz减小到1.0 GHz;臂宽和缝宽在影响中心频率的同时也影响带宽;介质加载主要使中心频率降低,但是中心频率并非随着介质层厚度的增加单调减小;加载介质的厚度和介电常数都影响中心频率,但中心频率对介电常数的变化更为敏感;介质加载也影响中心频率处的功率传输,如果对加载介质进行合理的匹配能改善FSS的传输特性。     

Effect of process parameters in nanosecond pulsed laser micromachining of PMMA-based microchannels at near-infrared and ultraviolet wavelengths

This paper presents investigations on the effects of nanosecond laser processing parameters on depth and width of microchannels fabricated from polymethylmethacrylate (PMMA) polymer. A neodymium-doped yttrium aluminium garnet pulsed laser with a fundamental wavelength of 1,064 nm and a third harmonic wavelength of 355 nm with pulse duration of 5 ns is utilized. Hence, experiments are conducted at near-infrared (NIR) and ultraviolet (UV) wavelengths. The laser processing parameters of pulse energy (402–415 mJ at NIR and 35–73 mJ at UV wavelengths), pulse frequency (8–11 Hz), focal spot size (140–190 μm at NIR and 75 μm at UV wavelengths) and scanning rate (400–800 pulse/mm at NIR and 101–263 pulse/mm at UV wavelengths) are varied to obtain a wide range of fluence and processing rate. Microchannel width and depth profile are measured, and main effects plots are obtained to identify the effects of process parameters on channel geometry (width and depth) and material removal rate. The relationship between process variables (width and depth of laser-ablated microchannels) and process parameters is investigated. It is observed that channel width (140–430 μm at NIR and 100–150 μm at UV wavelengths) and depth (30–120 μm at NIR and 35–75 μm at UV wavelengths) decreased linearly with increasing fluence and increased non-linearly with increasing scanning rate. It is also observed that laser processing at UV wavelength provided more consistent channel profiles at lower fluences due to higher laser absorption of PMMA at this wavelength. Mathematical modeling for predicting microchannel profile was developed and validated with experimental results obtained with pulsed laser micromachining at NIR and UV wavelengths.