CN114778690B - 一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，包括以下步骤：在增材制件的待检测区域进行B扫，采集A扫信号；根据A扫信号提取缺陷的纵波回波时刻；根据扫查点位置、纵波波速、缺陷的纵波回波时刻以及收发距离，绘制n个椭圆；由n个椭圆，获得所有相邻椭圆的n‑1个交点；截取n‑1个交点分割出的n‑2段椭圆圆弧，并将每段椭圆圆弧分割成k‑1段，取k个圆弧分割点坐标，计算每段圆弧分割点对应的法线；通过判断法线的交点与法线的位置关系，计算缺陷圆心和半径。本发明的结果可以直接输出扫查线下横截面中缺陷的位置和尺寸，在坐标系中绘制出缺陷形貌，输出结果直观。在实际应用过程中，更适用于增材制造过程的在线检测。

Description

一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法

技术领域

本发明属于金属增材检测技术领域，具体涉及一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法。

背景技术

金属增材制造技术发展迅速，目前在医疗、航空航天等领域都开展了大量的示范应用，在定制化生产和复杂结构件制造中，发挥了巨大的作用。伴随着增材制造技术的大规模应用，增材制件的质量控制成为关注的焦点，为避免在复杂多物理场耦合的强非平衡冶金过程中，因为材料反复循环加热和冷却产生的内部缺陷，目前亟需开展针对金属增材制件内部缺陷检测技术的研究。

激光超声是一种非接触、耐高温、高精度的检测技术，相较于传统超声检测，激光超声在检测效率和检测精度上有明显的提高，并且其非接触、耐高温的特点，可满足增材制件在线检测需求和危险环境下的管道、容器缺陷检测。激光超声检测技术的核心是利用脉冲激光照射在金属表面，引起其温度剧烈变化产生应力，激励出超声波，使用干涉仪采集金属表面振动信号，得到超声波信号，根据超声波信号的幅值、传播时间等可以判断缺陷的大小，位置和大致性质。由于金属增材制件内部容易产生气孔缺陷，因此需要开展金属增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法研究。

论文《2D size,position and shape definition of defects by B-scan imageanalysis》(Scafidi M,Cerniglia D,Ingrassia T.2D size,position and shapedefinition of defects by B-scan image analysis[J].Frattura ed IntegritàStrutturale,2015,9(34):622-629.)中公开了一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，通过对超声波传播路径的分析，提出绘制椭圆，所有椭圆的包络线拟合缺陷形状的方法。该论文中图片11的结果表明，该方法得到椭圆包络线与缺陷边缘一致，但是该方法存在一个问题，即在检测未知缺陷时，由椭圆的包络线只能确定一个大致的形状，不能准确获得缺陷位置和尺寸。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，该方法通过超声波传播路径和几何关系，能够准确得到缺陷位置和尺寸，有效提升缺陷检测精度，提高检测效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在增材制件的待检测区域进行B扫，采集n个原始A扫信号；

步骤2：对原始A扫信号进行带通滤波处理，得到带通滤波信号；

步骤3：从带通滤波信号中提取缺陷的纵波回波时刻t_i，i＝1,2…,n；

步骤4：以第一个扫查点坐标为坐标原点(0,0)，扫查方向为x轴正向，增材制件的内部垂直于增材制件的表面方向为y轴正向，根据扫查点位置、纵波波速、缺陷的纵波回波时刻以及收发距离，绘制n个椭圆；

步骤5：由n个椭圆，获得所有相邻椭圆的n-1个交点；截取n-1个交点分割出的n-2段椭圆圆弧，并将每段椭圆圆弧分割成k-1段，取k个圆弧分割点坐标，计算每段圆弧分割点对应的法线；

步骤6：通过判断法线的交点与法线的位置关系，计算缺陷圆心和半径。

本发明进一步的改进在于，纵波波速V通过以下过程获得：在厚度为H的增材制件的无缺陷区域表面进行A扫实验，根据激励与接收之间的距离D_gr从信号中提取二次纵波、四次纵波的回波信号的到达时刻T₂、T₄，通过下式计算纵波波速V；

本发明进一步的改进在于，进行带通滤波处理时，设置通过频率为[f-2MHz,f+2MHz]，其中，f为纵波的中心频率。

本发明进一步的改进在于，纵波的中心频率f通过傅里叶变换得到。

本发明进一步的改进在于，根据下式绘制n个椭圆；

式中，x_i为第i个扫查点横坐标，y_i为第i个扫查点纵坐标，G为收发距离，V为纵波波速。

本发明进一步的改进在于，每个圆弧分割点对应的法线通过下式计算：

式中，q＝2,3,…,n-1；j＝1,2,…,k；(x_i,y_i)为第i个椭圆对应的扫查位置，(x_j,y_j)为第j段圆弧分割点坐标，Y_i,j表示第i段弧上的第j个点的角平分线，X为未知量。

本发明进一步的改进在于，步骤6的具体过程为：

1)当i＝2时，第二段椭圆弧上k个点对应的法线为Y_2,j，j＝1,2,…,k；当i＝3时，第三段椭圆弧上k个点对应的法线为Y_3,j，j＝1,2,…,k，获得第二段椭圆弧上的每条法线与第三段椭圆弧上每条法线的交点，共计k²个点，并标记为1；

2)取i＝4，将标记为1的点分别代入第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j，j＝1,2,…,k，若点在第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j上，则将该点标记为1，若不在第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j上，则标记为0；

3)取i＝5,6,…,n-2，对每段圆弧对应的法线重复步骤2)，直至遍历完第n-2段圆弧的第k个分割点的法线Y_n-2,k，将标记为1的交点提取出来，设为数组ip，设数组ip中包含m个点；

4)取数组ip中第p个点，计算第p个点到第i个椭圆的最短距离D_p,i，p＝1,2,…,m，i＝1,2,…,n，计算最短距离的平均值和方差；

5)按照步骤4)计算所有数组ip中的点，得到最短距离的方差和平均值，选方差最小的点的坐标为缺陷圆心，最短距离的平均值为半径。

本发明进一步的改进在于，最短距离的平均值通过下式计算得到：

式中，D_p,i为第p个点到第i个椭圆的最短距离。

本发明进一步的改进在于，方差通过下式计算得到：

式中，D_p,i为第p个点到第i个椭圆的最短距离，为最短距离的平均值。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明在直线B扫的数据基础之上，即可获取缺陷尺寸，相较通过C扫检测缺陷的方式，需要的数据量小，检测效率有明显的提升。本发明在B扫检测基础上，极端情况下可精简为选择不少于5个具有代表性的位置和缺陷回波时刻进行计算。本发明的结果可以直接输出扫查线下横截面中缺陷的位置和尺寸，在坐标系中绘制出缺陷形貌，输出结果直观。本发明只关注缺陷的纵波回波，不关注底面回波，因此在实际应用过程中，更适用于增材制造过程的在线检测。本发明中检测的时间复杂度低，速度快。

附图说明

图1是本实施例的流程图；

图2是本实施例中检测系统结构图；

图3是本实施例中经过带通滤波处理的激光超声信号，圈出的是缺陷的纵波回波；

图4是本实施例中步骤7的11条法线图；

图5是本实施例中步骤8的绘制的5个椭圆图；

图6是本发明方法处理后的结果；

图7是本发明中由缺陷回波绘制的椭圆、缺陷、反射点法线之间的几何关系图；

图8是本发明中相邻椭圆交点与缺陷反射点位置关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方法进行进一步说明。

参见图2，本发明采用的检测系统，包括工控机1和控制单元2，工控机1发出扫查指令到控制单元2，控制单元2输出不同的指令到激励激光器3、连续激光器4和机器人6。机器人6上固定探头组7，实现直线扫查；激励激光器3激发出脉冲激光，连续激光器4激发出连续激光，两束激光通过光纤传输到探头组7中，探头组7上的两个探头照射在待测试块8的表面，信号接收器5接收到探头组7传输的电压信号后，将信号传输给数据采集单元9，数据采集单元9将电压信号转换成超声信号，传输给工控机1进行数据处理和缺陷检测。

本发明的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在增材制件的待测试块的无缺陷区域(或相同工艺制备相同材料的标准试块)进行A扫，求增材制件的制备工艺下、增材制件的材料的纵波波速V，利用傅里叶变换求得纵波的中心频率f；

步骤1.1、在厚度为H的增材制件的无缺陷区域(标准试块)表面进行A扫实验，激励与接收之间的距离为D_gr从信号中提取二次纵波、四次纵波的回波信号的到达时刻T₂、T₄；

步骤1.2、确定纵波波速

步骤1.3、通过短时傅里叶变换求得纵波的中心频率f。

步骤2：在待检测区域进行B扫，采集n个原始A扫信号。扫查步长Δd，收发距离G，设置第一个扫查点坐标为(0,0)，扫查方向为x轴正向，x轴即待检测区域的上表面长度方向，待测试块内部垂直于待测试块表面方向为y轴正向。每个扫查点坐标为(x_i,y_i)，i＝1,2…,n；

步骤3：对原始A扫信号进行带通滤波处理，设置通过频率为[f-2MHz,f+2MHz]，增强纵波信号特征，抑制表面波、噪声等，得到带通滤波信号；

步骤4：从带通滤波信号中提取缺陷的纵波回波时刻t_i，i＝1,2…,n；

步骤5：以第一个扫查点坐标为坐标原点(0,0)，扫查方向为x轴正向，待测试块内部垂直于待测试块表面方向为y正向，由扫查点位置、波速、缺陷的纵波回波时刻、收发距离等参数，依照如下公式绘制n个椭圆，i＝1,2,…,n；

椭圆方程为：

步骤6：由n个椭圆方程求得所有相邻椭圆的n-1个交点；

步骤7：从第2个椭圆开始到第n-1个椭圆上，都有两个交点(第1个和第n个椭圆上只有1个交点，无法合理截取圆弧)，因此从第2个椭圆开始，到第n-1个椭圆结束，截取n-1个交点分割出的n-2段椭圆圆弧，并将每段椭圆圆弧按照长度分割成k-1段，取k个圆弧分割点坐标；

步骤8：按照如下公式求得每个分割点点对应的法线(也是该点与扫查点连线夹角的角平分线)；

式中，q＝2,3,…,n-1；j＝1,2,…,k；(x_i,y_i)为第i个椭圆对应的扫查位置，(x_j,y_j)为第j个椭圆分割点坐标，Y_i,j表示第i段弧上的第j个点的角平分线，X为未知量。

步骤9：当i＝2时，第二段弧上k个点对应的法线为Y_2,j，(j＝1,2,…,k)。

当i＝3时，第三段弧上k个点对应的法线为Y_3,j，(j＝1,2,…,k)，分别求第二段椭圆弧上的每条法线与第三段椭圆弧上每条法线的交点，共计k²个点，这些点标记为1；

步骤10：取i＝4，将标记为1的点分别代入第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j，(j＝1,2,…,k)，若点在第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j上，则将该点标记为1(标记不变，仍标记为1)，若不在Y_4,j上，则标记为0；

步骤11：取i＝5,6,…,n-2，按照顺序对每段圆弧对应的法线重复进行以上操作，直至遍历完第n-2段圆弧的第k个分割点的法线Y_n-2,k，将标记位为1的交点提取出来，设为数组ip，设数组ip中包含m个点；

步骤12：取数组ip中第p个点，分别求得该点到第i个椭圆的最短距离D_p,i(p＝1,2,…,m，i＝1,2,…,n)，求最短距离的平均值和方差；

步骤13：按照以上步骤操作所有数组ip中的点，得到最短距离的方差和平均值，选方差最小的点的坐标为缺陷圆心(理想状态方差为零)，最短距离的平均值为半径。

本发明的检测原理为：

理论推导如下：如图7所示，确定一个⊙D作为缺陷，在图中表示为虚线，设缺陷上的一个点F为以M、N为激励点、接收点时的缺陷反射点。由激光超声的传播路径可知，以M和N为焦点，MF+NF长度为长轴绘制一个椭圆，该椭圆一定过点F。在圆上，过F做法线一定过点D；在椭圆上，过F做法线，依据椭圆的性质，法线为∠MFN的平分线。当两条法线重合时，法线为DF且平分∠MFN，该点为圆和椭圆的切点。切点有且仅有一个，因此超声波传播的最短路径只有一条，符合超声波信号中缺陷回波只有一个的情况。

如图8所示，当已知缺陷的情况下，改变多个扫查位置时，求解得到圆圈标记的是缺陷反射点。图中*为相邻椭圆的交点，从图中可知，反射点在椭圆交点围成的椭圆圆弧上，由相邻椭圆的交点可以判断反射点的大概位置。

实际检测中的应用：当缺陷信息和反射点位置未知，但椭圆焦点(M和N，即激励点和接收点位置)与长轴(MF+NF，即缺陷回波的传播时间×波速)已知时，绘制一个椭圆，对椭圆上任意点A做法线，法线上的点与A的连线都可以看成是椭圆外切圆的半径，法线上的点为外切圆圆心，A为切点(反射点)。

当扫查位置改变时，对第二个椭圆上的任意点做法线，都可以找到以该点为反射点时，对应的缺陷圆心位置函数。则第一个椭圆和第二个椭圆上所有点对应法线的交点，都有可能是公切圆圆心(缺陷圆心)。当有多个扫查位置时，所有椭圆上的点对应法线的交点，都有可能是缺陷圆心。

缺陷圆是所有椭圆的公切圆，除了满足法线重合的条件外，还得满足圆心到每个椭圆的最近距离相等。所以用方差表示该点到每个椭圆最短距离的离散程度，方差最小的点即为缺陷圆心，该点到每个椭圆最短距离的平均数为缺陷半径。

但是椭圆上大部分的点不可能是反射点，为了缩小范围，参考图8，以相邻椭圆的交点划定反射点的大概范围，减小运算量。在椭圆弧上取的点越密集，得到缺陷圆心越准确，但同时计算量增加很多。

本发明满足B扫信号中包含的A扫信号数大于等于5(n≥5)时，但当A扫信号数足够多时，每增加一个A扫信号，算法时间复杂度增加k倍(对应技术路线1中步骤7的k个圆弧分割点)，因此以上技术路线适用于A扫信号不足够多的情况。为了降低时间复杂度，当进行B扫信号中包含n个(足够多)A扫信号时，可以只绘制相邻椭圆交点处的法线，共计2×(n-2)条。

实施例1

本实施例提供了一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，具体实现过程如图1所示。

1)标准试块制备

通过电弧焊增材制造技术制备两个ER2319铝合金试块，尺寸为100×100×10mm，一块无缺陷试块标注为标准试块，另一块试块中加工横通孔缺陷(半径1mm，缺陷中心距离上表面2mm)。

2)纵波波速测量

将激光超声设备启动，调整激励探头和接收探头分别垂直照射在试块表面，激励与接收点之间距离测量为6mm，试块厚度10mm，为减少噪声影响，在相同实验条件下进行32次A扫信号采集，对32次信号进行时域平均。采集到的A扫信号中纵波的二次纵波时间为3.56μs，四次纵波时间为6.89μs，求得纵波传播速度为5870m/s。

3)纵波频率计算

对步骤2中采集到的A扫信号进行傅里叶变换，求得纵波的频率为7MHz。

4)获取原始超声波信号

将缺陷试块置于扫查装置上，调整探头位置保证激光与试块表面垂直，测量激励点与接收点之间的距离为2mm。电脑中设置扫查参数：扫查点数5，扫查步长1mm，采样频率125MHz，采样点数250(2μs)，时域平均次数32次。对采集到的信号进行上截止频率9MHz，下截止频率5MHz的带通滤波处理，处理后的信号如图3所示，图中圈出的信号为缺陷的纵波回波信号。缺陷的纵波回波出现位置为113，84，66，60，65，对应的纵波回波时刻为0.90μs，0.67μs，0.53μs，0.48μs，0.52μs。

5)代入方程，绘制椭圆；

将扫查点位置、纵波波速，缺陷的纵波回波时刻、收发距离等参数代入方程，绘制5个椭圆

式中，i＝1,2,3,4,5。

绘制的5个椭圆如图5中所示。

6)求解相邻椭圆的交点，截取椭圆圆弧；

步骤5中绘制了5个椭圆，分别求解相邻椭圆的交点，即可获得4个交点位置坐标，如图5中圆形标记的位置。

交点1位于椭圆1和椭圆2上，交点2位于椭圆2和椭圆3上，因此，交点1和交点2都在椭圆2上，截取椭圆2上这一段圆弧，将其等分成10段(共计11个圆弧分割点)。对其余的交点重复进行以上操作，得到椭圆2、3、4上分割好的31个点。

7)绘制第2个椭圆上每个圆弧分割点的法线；

将椭圆2上的11个圆弧分割点坐标代入方程：

式中，i＝2；j＝1,2,…,11；(x₂,y₂)对应第2条弧对应的扫查位置，(x_j,y_j)对应圆弧上的点坐标，Y_2,j表示第2段弧上的第j个点的角平分线，X为未知量。

以上方程求解得椭圆2圆弧分割点对应的11条法线，如图4所示。

8)绘制第3个椭圆上每个圆弧分割点的法线；

重复上面步骤，绘制第3个椭圆上11个圆弧分割点的法线。求解椭圆2圆弧分割点法线和椭圆3圆弧分割点法线的所有交点，得到121个法线交点，如图5中*标识的点，将这些点标记为1。

9)绘制第4个椭圆上每个圆弧分割点的法线；

重复步骤7，绘制第4个椭圆上11个圆弧分割点的法线。将步骤8中得到的121个法线交点分别代入椭圆4的11个圆弧分割点法线中，如果该点在椭圆4的圆弧分割点法线上，则该点标记为1，若该点不在椭圆4的圆弧分割点法线上，则该点标记为0。

以上计算求得有19个点满足要求，如图6中*标识的点。

10)求解交点到每个椭圆的最短距离；

取步骤9中第1个点坐标，p＝1，分别求解其到每个椭圆的最短距离D_1,i(i＝1,2,3,4,5),并代入以下公式得到最短距离的平均值和方差。

11)获取缺陷圆心位置和半径。

对所有19个点均重复上述步骤，排列所有19个方差值，取方差最小的点对应的坐标为缺陷圆心，对应的最短距离平均值为缺陷半径。如图6所示，本实施例中缺陷圆心坐标(4.02,2.014)，缺陷半径1.0192mm，实际测量缺陷圆心坐标(4,2)，半径1mm。

Claims (8)

1.一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在增材制件的待检测区域进行B扫，采集n个原始A扫信号；

步骤2：对原始A扫信号进行带通滤波处理，得到带通滤波信号；

步骤3：从带通滤波信号中提取缺陷的纵波回波时刻；

步骤4：以第一个扫查点坐标为坐标原点(0,0)，扫查方向为x轴正向，增材制件的内部垂直于增材制件的表面方向为 y轴正向，根据扫查点位置、纵波波速、缺陷的纵波回波时刻以及收发距离，绘制n个椭圆；

步骤5：由n个椭圆，获得所有相邻椭圆的n-1个交点；截取n-1个交点分割出的n-2段椭圆圆弧，并将每段椭圆圆弧分割成k-1段，取k个圆弧分割点坐标，计算每段圆弧分割点对应的法线；

步骤6：通过判断法线的交点与法线的位置关系，计算缺陷圆心和半径；

步骤6的具体过程为：

1）当i=2时，第二段椭圆弧上k个点对应的法线为Y_2,j，j=1,2, …,k；当i=3时，第三段椭圆弧上k个点对应的法线为Y_3,j，j=1,2, …,k，获得第二段椭圆弧上的每条法线与第三段椭圆弧上每条法线的交点，共计k²个点，并标记为1；

2）取i=4，将标记为1的点分别代入第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j，j=1,2, …,k，若点在第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j上，则将该点标记为1，若不在第四段圆弧的第j个分割点的法线Y_4,j上，则标记为0；

3）取i=5,6,…,n-2，对每段圆弧对应的法线重复步骤2），直至遍历完第n-2段圆弧的第k个分割点的法线Y_n-2,k，将标记为1的交点提取出来，设为数组ip，设数组ip中包含m个点；

4）取数组ip中第p个点，计算第p个点到第i个椭圆的最短距离D_p,i，p =1,2, …,m，i=1,2, …,n，计算最短距离的平均值和方差；

5）按照步骤4）计算所有数组ip中的点，得到最短距离的方差和平均值，选方差最小的点的坐标为缺陷圆心，最短距离的平均值为半径。

2.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，纵波波速V通过以下过程获得：在厚度为H的增材制件的无缺陷区域表面进行A扫实验，根据激励与接收之间的距离D_gr从信号中提取二次纵波、四次纵波的回波信号的到达时刻T₂、T₄，通过下式计算纵波波速；

。

3.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，进行带通滤波处理时，设置通过频率为[f-2MHz,f+2MHz]，其中，f为纵波的中心频率。

4.根据权利要求3所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，纵波的中心频率f通过傅里叶变换得到。

5.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，根据下式绘制n个椭圆；

式中，x_i为第i个扫查点横坐标，y_i为第i个扫查点纵坐标，G为收发距离，V为纵波波速。

6.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，每个圆弧分割点对应的法线通过下式计算：

式中，q=2,3, …,n-1；j=1,2, …,k；(x_i,y_i)为第i个椭圆对应的扫查位置，(x_j,y_j)为第j段圆弧分割点坐标，Y_i,j表示第i段弧上的第j个点的角平分线，X为未知量。

7.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，最短距离的平均值通过下式计算得到：

式中，为第p个点到第i个椭圆的最短距离。

8.根据权利要求1所述的一种增材制件气孔缺陷的激光超声定量检测方法，其特征在于，方差通过下式计算得到：

式中，为第p个点到第i个椭圆的最短距离，为最短距离的平均值。