朱 明,張虎龍,陳昱宇,石 玗,侯國(guó)清,劉 濤

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050; 2. 廣西柳工機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545007; 3. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司 無(wú)損檢測(cè)中心,湖南 株洲 412002)

在挖掘機(jī)、裝載機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品中，大量使用液壓活塞桿作為動(dòng)力傳送部件，其加工質(zhì)量直接影響了機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和牢靠性.目前，活塞桿普遍采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊制造，在接頭區(qū)域會(huì)存在局部未熔合缺陷[1-5].因此，需要在焊接后采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)活塞桿未熔合缺陷進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià).

超聲檢測(cè)方法具有穿透性好、對(duì)面積型缺陷的檢出率高、易于實(shí)現(xiàn)缺陷重構(gòu)等特點(diǎn)適于活塞桿焊縫缺陷的檢測(cè)[6].國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)桿件的超聲檢測(cè)及缺陷的超聲信號(hào)重構(gòu)進(jìn)行了深入研究.例如，董世運(yùn)等[7]采用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)舊連桿的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，以sym4小波為母小波，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了降噪處理；張海兵[8]采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)某型號(hào)飛機(jī)撐桿的焊縫缺陷進(jìn)行了檢測(cè)；G. A. Guarneri等[9]提出了一種通過(guò)分析超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)缺陷圖像的算法，重構(gòu)圖像的分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)的圖像重構(gòu)算法，甚至優(yōu)于全矩陣捕捉(FMC)法重構(gòu)的圖像.Chen等[10]研究了軸對(duì)稱(chēng)物體超聲檢測(cè)中的缺陷重構(gòu)問(wèn)題，提出了一種基于邊界切線(xiàn)擬合的缺陷重構(gòu)方法，結(jié)果表明圓形缺陷和橢圓形缺陷的擬合重構(gòu)誤差分別小于0.1、0.5 mm.顧雯琪等[11]以超聲檢測(cè)為手段，通過(guò)三維顯示方法—輪廓線(xiàn)重構(gòu)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎂合金柱狀體內(nèi)部缺陷的三維反演.但針對(duì)大厚度活塞桿焊縫缺陷檢測(cè)方面的研究還很缺乏，同時(shí)采用超聲斜探頭對(duì)桿件橫截面上的缺陷進(jìn)行二維重構(gòu)的研究也相對(duì)較少.

為此，利用超聲檢測(cè)設(shè)備對(duì)活塞桿缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波與降噪處理，提高信號(hào)的信噪比，提升檢測(cè)的有效性與準(zhǔn)確性；同時(shí)采用多位置、多點(diǎn)檢測(cè)的方法，對(duì)缺陷輪廓進(jìn)行二維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量與定位檢測(cè).

1 活塞桿的特征參數(shù)及缺陷分析

圖1為實(shí)驗(yàn)所檢測(cè)的活塞桿實(shí)物圖，活塞桿直徑為80 mm，長(zhǎng)度1 250 mm，由廣西柳工機(jī)械股份有限公司提供.活塞桿由鑄鐵材質(zhì)的桿頭和調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼材質(zhì)的桿身通過(guò)摩擦焊焊接而成.

圖1 活塞桿實(shí)物圖Fig.1 The picture of piston rod

活塞桿件在加工過(guò)程中，易在摩擦焊接頭產(chǎn)生未熔合、裂紋、結(jié)合面氧化物等有害缺陷：

1) 未熔合缺陷通常是由于熱輸入不夠、線(xiàn)能量分布不均勻?qū)е挛窗l(fā)生充分熱結(jié)合；

2) 摩擦焊的裂紋主要是由于焊后熱處理不規(guī)范形成的，形成的概率相對(duì)很??；

3) 結(jié)合面氧化物缺陷，通常為焊前接合面上的氧化物和雜質(zhì)清除不徹底導(dǎo)致，出現(xiàn)的概率也很小.

2 缺陷信號(hào)的判別與處理

實(shí)驗(yàn)采用CTS-8008型數(shù)字式超聲波探傷儀對(duì)活塞桿的焊縫進(jìn)行檢測(cè).所采用的超聲斜探頭的規(guī)格為2.5P13×13，K值為1，中心頻率為2.5 MHz，耦合劑為水.

2.1 缺陷信號(hào)判別

圖2是活塞桿的超聲檢測(cè)回波信號(hào)圖，其中圖2a為無(wú)缺陷活塞桿的信號(hào)圖，圖2b是含缺陷活塞桿的信號(hào)圖.從圖中可以看出，底面回波聲程在大于120 mm，缺陷信號(hào)的聲程在30～100 mm.在良好活塞桿超聲回波信號(hào)中，30～100 mm聲程的小回波屬于噪聲回波，其幅值在10%高度左右.為了避免漏檢，規(guī)定聲程30～100mm區(qū)域內(nèi)、幅值超過(guò)50%高度的信號(hào)為缺陷信號(hào).

圖2 活塞桿超聲檢測(cè)回波信號(hào)

2.2 缺陷信號(hào)的降噪處理

圖3是實(shí)驗(yàn)采集的超聲回波信號(hào)，回波信號(hào)中含有焊縫缺陷信號(hào)和不同程度的噪聲.為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行缺陷輪廓的二維重構(gòu)之前首先要對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理.超聲回波信號(hào)是一種時(shí)變、非平穩(wěn)信號(hào)，一般采用多尺度優(yōu)化的降噪算法對(duì)其進(jìn)行降噪處理.

圖3 活塞桿缺陷信號(hào)Fig.3 Defect signal of piston rod

小波閾值降噪法是一種強(qiáng)大的局部信號(hào)處理方法，對(duì)于時(shí)變、非平穩(wěn)信號(hào)具有較好的處理效果.影響小波閾值降噪法降噪效果的因素有：小波基函數(shù)、小波分解層數(shù)、降噪函數(shù)及閾值選擇規(guī)則.下面對(duì)這些因素進(jìn)行分析：

1) 小波基函數(shù)的選擇： Daubechies(dbN)小波函數(shù)具有正交性和緊支撐性適合于對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，小波函數(shù)的消失矩N選擇為6.

2) 小波分解層數(shù)：采集的超聲回波信號(hào)的長(zhǎng)度為1 000，而信號(hào)的最大分解次數(shù)為log2N(N為信號(hào)的長(zhǎng)度)，即實(shí)驗(yàn)所采集的信號(hào)的最大分解次數(shù)不超過(guò)9次.根據(jù)小波降噪的原理，信號(hào)每分解一次，信號(hào)長(zhǎng)度就會(huì)變成原來(lái)的一半.雖然信號(hào)的信噪比會(huì)隨著分解層數(shù)的增加而增大，有利于信號(hào)的分析，但是分解層數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致重構(gòu)信號(hào)的失真,影響分析結(jié)果.如果分解層數(shù)太少，對(duì)于信號(hào)的降噪效果就會(huì)變得很差.所以，分解層數(shù)選擇為5.

3) 閾值函數(shù)：小波閾值降噪法中常用的閾值函數(shù)有兩種：軟閾值和硬閾值.其中軟閾值函數(shù)降噪后信號(hào)較平滑，硬閾值降噪比較徹底，會(huì)造成信號(hào)的失真.為了保證缺陷信號(hào)的完整性以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇軟閾值降噪函數(shù).

4) 閾值選取規(guī)則：閾值選擇有四種不同的規(guī)則，分別是固定閾值規(guī)則(sqtwolog規(guī)則)，無(wú)偏似然估計(jì)閾值規(guī)則(rigrsure規(guī)則)，啟發(fā)式閾值規(guī)則(heursure規(guī)則)，極大極小值閾值規(guī)則(minimax規(guī)則).極大極小值閾值規(guī)則和無(wú)偏似然估計(jì)閾值選取規(guī)則都比較保守，當(dāng)信號(hào)高頻段的噪聲分布較少時(shí)，主要用這兩種閾值選取規(guī)則.而固定閾值選取規(guī)則和啟發(fā)式閾值選取規(guī)則的降噪效果比較徹底，但是也容易把缺陷信號(hào)濾掉.下面是四種閾值選擇規(guī)則對(duì)應(yīng)的公式[12-14]：

① 固定閾值規(guī)則(sqtwolog規(guī)則)

(1)

式中:T1為固定閾值；N為信號(hào)長(zhǎng)度；σn為高斯白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差.

② 無(wú)偏似然估計(jì)閾值規(guī)則(rigrsure規(guī)則)

i=1,2,…,n

(2)

③ 啟發(fā)式閾值規(guī)則(heursure規(guī)則)

(3)

④ 極大極小值閾值規(guī)則(minimax規(guī)則)

(4)

式中:σ=middle(W1,k,0≤k≤2j-1-1)/0.674 5,W1,k代表尺度為1的小波系數(shù);n為小波分解系數(shù)的個(gè)數(shù);σ為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差即信號(hào)分解出的第一級(jí)小波系數(shù)取絕對(duì)值后，再取中值.

根據(jù)上述分析，對(duì)活塞桿缺陷超聲信號(hào)的小波降噪方法選擇為：1) 小波基函數(shù)：db6；2) 分解層數(shù)：5層；3) 閾值函數(shù)：軟閾值.下面采用四種閾值選取規(guī)則對(duì)圖3所示的含噪信號(hào)進(jìn)行處理，分別比較四種閾值選取規(guī)則的降噪效果.

圖4是四種閾值選取規(guī)則對(duì)缺陷信號(hào)降噪后的波形圖，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，降噪效果最好的是啟發(fā)式閾值選取降噪方法，降噪效果最差的是無(wú)偏似然估計(jì)閾值降噪法.而且，無(wú)偏似然估計(jì)閾值法和固定式閾值法降噪后信號(hào)的缺陷幅值相比于原始信號(hào)有所降低，造成了信號(hào)的失真.啟發(fā)式閾值小波降噪法不僅能夠很好地改進(jìn)信噪比，還保證了缺陷信號(hào)的完整性.因此，采用啟發(fā)式閾值小波降噪法對(duì)本實(shí)驗(yàn)采集的活塞桿接頭超聲檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理.

圖4 四種閾值選取規(guī)則降噪后波形圖Fig.4 Waveform after noise reduction with four threshold selection rules

3 缺陷定位及大小重構(gòu)

3.1 缺陷位置的計(jì)算

超聲檢測(cè)方法最直觀地反應(yīng)缺陷位置的參數(shù)為聲程(即超聲波在構(gòu)件中單向通過(guò)的路程)，聲程是根據(jù)超聲波在鋼材中傳播的傳播速度和超聲波在構(gòu)件中的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算的.缺陷點(diǎn)與探頭之間的直線(xiàn)距離可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

xf=vt/2

式中:xf為探頭發(fā)射的超聲波從探頭表面?zhèn)鞑サ饺毕菸恢玫木嚯x，即聲程;v為超聲波在活塞桿件中的傳播速度，即為橫波聲速;t為超聲波從探頭傳播到缺陷并經(jīng)缺陷反射回到探頭接收所用的時(shí)間.

缺陷距探頭的軸向距離和徑向距離的示意圖如圖5所示，計(jì)算公式為

lf=xfsinβ,df=xfcosβ

(5)

式中:lf為缺陷位置到探頭的軸向距離，df為缺陷位置到探頭的徑向距離，β為超聲波入射角度，和探頭的K值有關(guān).

圖5 缺陷位置計(jì)算示意圖Fig.5 Schematic diagram of defect location calculation

將上述計(jì)算所得的缺陷軸向和徑向距離轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)(ρ，θ)可以直觀顯示缺陷在焊縫橫截面上的位置，其中ρ是缺陷點(diǎn)所在位置到缺陷截面中心點(diǎn)的距離，θ是缺陷所在位置在極坐標(biāo)里的圓心角度.

3.2 缺陷大小二維重構(gòu)

在活塞桿上沿軸向移動(dòng)探頭的同時(shí)旋轉(zhuǎn)活塞桿對(duì)摩擦焊的焊縫進(jìn)行周向檢測(cè)，觀察、分析信號(hào)的聲程和幅值，確定缺陷的外邊緣點(diǎn).對(duì)缺陷外邊緣點(diǎn)的超聲回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理后，計(jì)算缺陷位置信息并進(jìn)行極坐標(biāo)變換表示在極坐標(biāo)圖上，將極坐標(biāo)圖上的投影點(diǎn)擬合，就可以得到缺陷的二維重構(gòu)輪廓.表1是已判為不合格活塞桿進(jìn)行超聲檢測(cè)后得到的12個(gè)缺陷邊緣點(diǎn)的位置信息.

表1 不合格活塞桿缺陷點(diǎn)位置

圖6 活塞桿焊縫未熔合缺陷重構(gòu)圖及實(shí)際缺陷圖Fig.6 Reconstruction diagram and actual defect diagram of the incomplete fusion defect of the piston rod weld

將表1中的位置信息轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)得到如圖6a所示極坐標(biāo)中缺陷外邊緣點(diǎn)的位置，從圖中可以看出12個(gè)缺陷外邊緣點(diǎn)在活塞桿截面中心偏左的位置.將圖6a中的12個(gè)缺陷外邊緣點(diǎn)擬合就得到了如圖6b所示的缺陷二維重構(gòu)圖，可以看出缺陷大致為一個(gè)四邊形.采用線(xiàn)切割技術(shù)將活塞桿沿確定的缺陷位置切開(kāi)，得到圖6c所示的活塞桿焊縫截面，可以看出在該不合格活塞桿中有一個(gè)近似四邊形的未熔合缺陷.通過(guò)對(duì)比圖6b和圖6c發(fā)現(xiàn)，超聲信號(hào)二維重構(gòu)的焊縫缺陷與實(shí)際破壞性檢驗(yàn)的結(jié)果基本吻合.

4 結(jié)論

1) 通過(guò)分析活塞桿摩擦焊接頭超聲檢測(cè)信號(hào)，將聲程30～100 mm、幅值超過(guò)50 %高度的信號(hào)判定為缺陷信號(hào).采用小波降噪法中的啟發(fā)式閾值降噪法對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了降噪處理，得到了具有較高信噪比的缺陷信號(hào)，同時(shí)也保證了信號(hào)的完整性.

2) 計(jì)算確定了缺陷邊緣點(diǎn)在焊縫截面的水平位置和豎直位置，通過(guò)將其轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)得到了缺陷在焊縫的二維輪廓.破壞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，缺陷的實(shí)際區(qū)域和通過(guò)計(jì)算重構(gòu)的二維輪廓具有較高的吻合度.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目的資助，在此表示感謝.