基于相控阵超声的异种金属焊接缺陷定量评价方法

引言：

随着现代装备制造向多材料复合结构发展，异种金属焊接技术在水利工程领域获得广泛应用，由于异种材料间显著的声学性能差异，传统超声检测面临声束偏转、界面回波干扰等系列问题，严重影响缺陷定量评价的准确性，相控阵超声技术虽然通过电子扫描和动态聚焦改善了检测灵活性，但在异种金属焊接检测中仍存在声场建模不精确、缺陷尺寸反演算法不完善等瓶颈问题，如何建立考虑材料声学各向异性的检测理论体系，开发适应复杂界面的信号处理方法，已成为该领域亟待突破的技术难点。

1.研究异种金属焊接缺陷定量评价的必要性

1.1 水工异种钢焊接接头在水利工程中的高失效风险

水工异种钢焊接接头在长期服役过程中承受着水流冲击、交变载荷与腐蚀环境的协同作用，由于不同钢材间存在的强度差异、热膨胀系数失配以及电化学腐蚀倾向等问题，极易在焊接界面萌生腐蚀疲劳裂纹并扩展为贯穿性缺陷。水闸门叶与支承座的 Q345-不锈钢异种钢焊接部位常出现沿熔合线分布的碳迁移现象，导致在干湿交替环境下发生应力腐蚀开裂的风险显著增加。泵站压力钢管的低碳钢-高强钢过渡接头则面临周期性水锤冲击下的疲劳裂纹扩展问题，裂纹往往沿热影响区呈不规则路径发展。水工异种钢焊接界面的缺陷具有隐蔽性强、扩展方向多变的特点，常规检测方法难以在早期发展阶段准确识别，而一旦发生失效可能导致闸门失控或管道爆裂等严重后果[1]。随着大型水利枢纽工程向更高水头、更大流量发展，异种钢焊接接头的服役条件日益严苛，其失效模式也呈现出机械-化学-电化学多因素耦合的复杂特征，这使得发展针对水工异种钢接头的精准检测与评价技术成为保障水利设施安全运行的迫切需求，特别是在汛期高负荷运行条件下，对关键焊接部位的缺陷监测与寿命评估显得尤为重要。

1.2 水工异种钢焊接接头超声检测的灵敏度局限问题

水工异种钢焊接接头超声检测面临显著的灵敏度局限，由于不同钢材间存在明显的声学性能差异，超声波在界面处会产生强烈的反射和散射效应，导致信噪比严重劣化。对于厚度小于3 毫米的未熔合缺陷或直径小于1 毫米的气孔群，常规超声检测的检出率往往不足 50% ，这种现象在低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接接头中尤为突出。水工结构特有的粗晶焊态组织会导致超声波产生严重的声束扩散和能量衰减，使得缺陷定量误差超过 25% ，而长期服役产生的组织劣化会进一步改变材料声学特性，造成时域信号畸变。在闸门主梁与支铰的异种钢接头检测中，由于两种材料的声阻抗差异可达 15% 以上，常规超声检测难以准确识别界面处微米级的未熔合缺陷[2]。特别是对水工结构安全评估至关重要的深宽比小于0.3的扁平状缺陷，多层多道焊产生的几何回波会与缺陷信号产生混叠，而水工结构常见的表面锈蚀和涂层会进一步降低检测灵敏度。

2.相控阵超声技术解决的核心问题

2.1 实现熔合区微观裂纹的三维形貌重构

相控阵超声技术通过多阵元协同激发与接收超声波，结合动态聚焦和合成孔径成像算法，有效解决了异种金属焊接熔合区微观裂纹三维形貌重构的关键难题，在检测过程中，采用中心频率为 10MHz 的 64 阵元线阵探头，配合全矩阵捕获模式获取完整的原始射频信号，运用时域有限差分法模拟声波在异种金属界面的传播特性，建立材料声学参数与缺陷响应的映射关系，针对熔合区微观裂纹的检测挑战，基于自适应波束形成技术优化声场能量分布，提升信噪比至40dB 以上，利用反向传播算法对缺陷散射信号进行空间定位，结合三维合成孔径聚焦技术重构裂纹的立体形貌[3]。在信号处理环节，采用小波变换抑制材料晶界噪声，通过希尔伯特变换提取包络信号增强缺陷特征，基于形态学图像处理算法实现裂纹长度、宽度和深度的亚毫米级定量测量，技术突破传统超声对微小缺陷检测的局限性，实现了熔合区微米级裂纹的三维可视化表征，为异种金属焊接结构的完整性评估提供了高精度的无损检测手段。

2.2 克服镍基合金与钢焊接的声束偏转效应

动态声束调控有效克服了镍基合金与钢异种焊接接头中的声束偏转效应，这一现象源于两种材料显著的声速差异导致的声折射现象，在传统超声检测中，声波穿过镍基合金-钢界面时会发生明显的传播方向偏移，造成缺陷定位误差和信号强度衰减，而相控阵系统通过实时计算材料声学参数并调整各阵元的激发时序，能够补偿这种物理偏转效应。技术基于 Snell定律建立声路修正模型，在检测过程中自动调整声束入射角度，确保超声波在异种材料界面处保持预期的传播路径，针对镍基合金与碳钢焊接特有的声阻抗梯度变化，相控阵系统采用自适应波束形成技术，动态优化聚焦法则以维持声场能量在界面区域的集中度，特别是对于熔合线附近的微小缺陷，系统通过多角度电子扫描获取完整的衍射信号，再经过逆时偏移算法重建真实的缺陷位置。

2.3 量化评估热影响区晶间腐蚀深度

高频阵列探头与声衰减分析实现了热影响区晶间腐蚀深度的精准量化评估，该技术利用中心频率15MHz 的线性阵列探头获取腐蚀区域的精细声学特征，在检测过程中，系统通过测量纵波声速下降幅度和背向散射强度两个关键参数建立与晶间腐蚀程度的对应关系，当材料晶界被腐蚀介质侵蚀后，其声速各向异性指数会显著升高而信号频散特征发生明显改变[4]。相控阵系统采用全矩阵数据采集模式记录晶界腐蚀导致的声波模态转换信号，通过时频分析算法提取与腐蚀深度相关的特征频段，针对奥氏体不锈钢焊接热影响区特有的沿晶腐蚀形貌，技术特别优化了声束在晶粒取向变化区域的传播模型，确保检测波束能够有效捕捉晶界处的腐蚀信号，系统内置的材料退化评估算法通过分析超声信号中与晶间腐蚀相关的特征模式，包括波形畸变程度和能量衰减斜率，实现了对腐蚀深度的分级评价。

3.相控阵超声技术的工程应用措施

3.1 水工异种钢焊接接头相控阵超声检测的定制化探头设计

针对水工结构中Q345 低合金钢与304 不锈钢等异种钢焊接接头的检测需求，需专门设计中心频率 5MHz 的 32 阵元弧形阵列探头，阵元间距设置为 1.0mm 以兼顾大型结构的检测效率和缺陷分辨率要求。探头楔块采用耐磨型横波斜楔设计，入射角度范围设定为 45^∘-70^∘ 可调，以适应闸门、压力钢管等不同厚度构件的检测需求。在声学匹配层设计上，采用三层阻抗渐变结构，将声阻抗从压电晶片的25MRayl 逐步过渡至被测钢材的声阻抗值，确保在锈蚀表面仍能实现有效的声能传输。针对长期服役导致材料声学性能变化的特点，探头需集成声速自适应补偿功能，可自动调整发射参数补偿声速差异。

探头设计过程中需通过声场仿真软件优化聚焦法则，确保在异种钢界面处声束聚焦直径控制在 3mm 以内，同时保证在 30mm 厚度范围内具有足够的检测灵敏度。检测系统需内置水工常用钢材的声学参数数据库，包括碳钢、低合金钢、不锈钢等材料的纵波速度（ ⋅5800-5900m/s ）、横波速度（ 3200-3300m/s ）和衰减系数等关键参数。针对水利工程特殊的潮湿环境，探头需采用防水防潮设计，防护等级达到 IP67 标准，并配备防锈外壳，对于大型闸门等现场检测场景，探头还需配备磁性固定装置，便于在垂直面和顶面进行检测作业。

3.2 时域-频域联合算法处理水下结构界面回波干扰

在水工结构检测中，针对大坝泄洪建筑物、闸门轨道等水下钢混结构的界面回波干扰问题，采用时频联合分析技术提升缺陷识别精度。通过短时傅里叶变换构建时频分布图谱，分析水流空蚀区与结构剥落信号的频散特性差异，结合小波包分解技术将采集的全矩阵数据按0.5-2MHz 特征频段进行多尺度分解，设置动态阈值滤除水流湍流噪声。针对钢衬与混凝土脱空界面产生的多重反射波，采用Wigner-Ville 分布追踪信号瞬时频率突变特征，通过主成分分析分离结构裂缝信号与界面粘结噪声。算法特别关注 1.2MHz 以下低频段的能量聚集特性，构建时频域联合特征向量区分真实结构损伤与水流气泡干扰，对于倾斜接缝产生的表面波干扰，采用偏振滤波技术分离瑞利波与体波分量，结合合成孔径聚焦技术校正缺陷三维坐标。

3.3 集成机器人路径规划实现大坝泄洪面全覆盖检测

针对水工建筑物中弧形闸门、溢流面等复杂曲面的损伤检测需求，采用多轴水下机器人协同相控阵超声技术实现高精度全覆盖扫查。基于三维激光扫描获取泄洪建筑物表面几何特征，通过自适应路径规划算法生成最优检测路径，确保探头沿曲面法向保持恒定水耦合并动态调整声束偏转角度，以适应不同曲率变化。机器人系统配备高精度伺服驱动与实时位姿反馈装置，结合压力传感器维持稳定的检测距离，有效克服水流扰动及表面附着物干扰。在声学参数优化方面，采用动态深度聚焦与可变孔径技术，针对混凝土空蚀、钢筋锈蚀等典型缺陷调整检测参数，并通过全矩阵捕获模式获取原始射频信号，利用合成孔径聚焦技术提升裂缝成像分辨率。对于闸门轨道、消力坎等关键部位，采用变密度扫描策略局部加密测线，增强细微损伤的检出能力，检测数据通过时空同步技术与三维模型精确匹配，结合卷积神经网络对空蚀坑、剥落区等缺陷特征进行智能分类。

结语：

本研究通过系统分析相控阵超声在异种金属焊接检测中的声传播特性，建立了基于全矩阵数据的缺陷定量评价新方法，研究成果不仅完善了异种材料接头的超声检测理论，也为发展智能化的焊接质量评价技术提供了新思路，随着逆时偏移等先进成像算法的应用，相控阵超声技术在异种金属焊接检测中的精度和可靠性将进一步提升，为重大工程结构的质量安全提供更有力的技术保障，该研究对推动无损检测技术进步具有重要的理论和工程价值。

参考文献：

[1]马凤杰,张晓祥. 金属材料焊接成型中的缺陷及防控策略研究 [J]. 现代制造技术与装备, 2024, 60 (10): 155-157.

[2]雷文,刘昌盛. 金属材料焊接主要缺陷及控制方法概述 [J]. 中国金属通报, 2024, (02):204-206.

[3]徐卫军. 锅炉异种金属焊接的缺陷思考 [J]. 化纤与纺织技术, 2022, 51 (08): 94-96.

[4]王伟. 锅炉异种金属焊接的缺陷问题探讨 [J]. 锅炉制造, 2020, (04): 44-45+48.