厚惯性摩擦焊中亚毫米级裂纹的相控阵飞行时间衍射成像技术

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Phased-array time-of-flight diffraction imaging of sub-millimeter cracks in thick inertia friction welds

　　• 相控阵飞行时间衍射方法确保了惯性摩擦焊接的质量。
• 散射矩阵揭示了对于亚毫米级缺陷的最佳衍射角度。
• 覆盖范围的优化实现了高效的全焊缝检测。
• 在焊接的风扇盘上的验证准确成像了0.8毫米的参考反射体。

**引言**
惯性摩擦焊接（IFW）是一种固态连接工艺，与传统的熔焊相比具有明显优势：周期时间短、能够连接不同的金属，并产生高强度的接头[1]、[2]、[3]、[4]。该工艺通过工件之间的高速相对运动产生摩擦热，局部软化材料并实现塑性变形、原子扩散和焊缝处的动态再结晶[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。由于没有熔化过程，因此形成的焊缝具有致密的锻造微观结构，而不是熔焊典型的铸造微观结构，从而避免了与熔化-凝固过程相关的缺陷，如气孔、热裂纹和偏析。尽管IFW接头通常质量较高，但仍可能产生某些类型的缺陷。制造异常，如接触压力不足或摩擦加热不足，可能导致接触不良[10]、[11]；而塑性变形不足则可能导致结合不充分或缺乏熔合[12]、[13]。在服役过程中，缺陷（如疲劳裂纹）可能在循环机械和热载荷下的应力集中处产生，并沿焊缝界面优先扩展[14]、[15]、[16]、[17]，逐渐降低承载能力[18]并缩短疲劳寿命[19]。因此，对这些缺陷的无损检测（NDE）对于质量控制、结构完整性和服役可靠性至关重要。然而，IFW接头中的缺陷对检测提出了严峻挑战。这些缺陷往往很小，特别是在制造阶段和早期疲劳裂纹生长期间[20]、[21]，此时检测对于质量保证和剩余寿命评估最为关键。工业标准通常要求能够检测到直径小至0.8毫米的缺陷。

虽然有多种NDE方法常用于工业焊缝检测，但在应用于IFW接头时每种方法都存在根本性的局限。磁粉检测[22]和涡流检测[23]通过电磁场中的扰动来检测缺陷；然而，信号衰减限制了它们只能在表面几毫米内的范围内进行检测。射线检测[24]可以通过差异X射线吸收来发现皮下缺陷，但其对垂直方向的裂纹的敏感度较低，因为这类缺陷在光束方向上的投影面积很小。红外热成像[25]通过热导率的变化来识别缺陷，但其深度穿透能力受热扩散限制。因此，这些方法都无法可靠地检测IFW接头中典型的小而深的近垂直裂纹。

超声波检测仍然是检测厚壁组件的最有前景的方法，它具有深度穿透能力、对平面缺陷的高敏感度以及通过散射波信号分析来表征缺陷的能力[26]、[27]。然而，传统的超声波技术面对IFW接头中的垂直裂纹时存在挑战。使用垂直入射换能器的标准脉冲回波方法无效，因为垂直裂纹没有垂直于入射光束的表面[28]。使用斜入射的角度波技术原则上可以通过角反射来检测焊根或槽区域的垂直裂纹[29]、[30]；但由于镜面反射的强烈方向性，这种检测方法对裂纹的方向非常敏感，因此偏离预期角度的裂纹可能无法被检测到。这些局限性促使人们开发基于衍射的方法，这些方法利用裂纹尖端的全向散射，对裂纹方向的容忍度更高。

飞行时间衍射（TOFD）方法通过利用裂纹尖端的衍射波而不是裂纹面的镜面反射，克服了传统超声波技术的许多局限[31]。在标准配置中[32]，发射换能器和接收换能器对称放置在焊缝两侧，发射器将超声波束导入材料，接收器捕捉通过检测体积传播的信号。当入射波遇到裂纹时，上下裂纹尖端作为 secondary 源，产生向各个方向传播的衍射波。通过测量这些尖端衍射波相对于沿表面传播的侧向波和后壁反射的到达时间，可以通过三角测量确定裂纹的深度和穿透壁厚。

自TOFD方法引入以来已经有了显著发展。剪切波TOFD被开发出来，以补充纵波检测，提高了对某些缺陷方向的敏感度[33]、[34]。浸入式TOFD[35]和多模态TOFD[36]、[37]以及其他变体[38]、[39]能够将侧向波与缺陷衍射波信号在时间上分离，减少了限制浅层缺陷检测的近表面死区。应用于TOFD数据的合成孔径聚焦技术，通过相干地叠加机械扫描期间获取的多个A扫描结果，在近表面可检测性和侧向分辨率方面取得了显著改进[40]、[41]、[42]、[43]。

这些TOFD方法通常使用小孔径的单元素换能器，这限制了超声波束的覆盖范围，需要机械扫描来检测大体积。相控阵（PA）换能器通过控制各个元件的时间延迟来电子引导和聚焦超声波束，消除了机械重新定位的需要[44]、[45]、[46]。使用PA换能器的扇形扫描可以生成多个不同方向的波束，无需物理探头的移动即可覆盖整个焊缝体积[47]、[48]、[49]、[50]、[51]。PA-TOFD结合了PA技术和TOFD原理，将扇形扫描的广泛体积覆盖范围与基于衍射的检测对裂纹尖端的敏感度结合起来[52]、[53]、[54]。这种方法已应用于厚壁组件的检测，通过选定的导向角度生成聚焦波束，以检测特定深度范围内的缺陷[55]、[56]。在相同试样上同时使用PA扇形扫描和传统TOFD已成为全面体积检测的标准做法[57]、[58]、[59]。

尽管有这些进步，当前的PA-TOFD实现方法在检测厚IFW接头中的亚毫米级缺陷时仍存在三个关键限制。首先，现有方法通常使用随机或均匀选择的扇形扫描角度，缺乏基于缺陷散射特性的系统优化。这要么产生过多数据，要么无法捕捉到最大化小而近垂直裂纹衍射信号幅度的具体角度。其次，现有方法仅提供基本的B扫描或D扫描显示，这些显示是通过连接时域信号形成的，没有实现精确重构和尺寸测量的成像能力。当安全标准要求精确测量亚毫米级裂纹的尺寸时，这种简单的可视化方法是不够的。第三，目前没有系统的方法来优化探头定位和波束导向，以实现最小的数据获取量下的完整焊缝覆盖，导致检测人员必须依赖试错或过于保守的协议。

本文提出了一种PA-TOFD框架，直接解决了这些限制，能够可靠地检测和成像厚IFW接头中的亚毫米级裂纹，适用于制造质量控制和服务中的结构完整性评估。我们的贡献有三个方面：首先，我们引入了全面的散射矩阵分析来表征超声波从缺陷处的散射特性，并确定最大化小而近垂直裂纹衍射信号幅度的入射-接收角组合，为探头配置提供了严格的物理基础，替代了经验角选择。其次，我们开发了一种系统的探头定位和波束导向方法，使用最小化的一系列优化角度实现完整焊缝覆盖，大大减少了数据采集量，同时确保了所有深度下的近乎最优的检测效果。第三，我们实现了一种适合相干波束传输的延迟叠加成像算法，能够进行空间重构，具有足够的分辨率来定位和测量亚毫米级裂纹。我们通过有限元模拟和对含有人工缺陷的IFW组件的实验检测验证了该框架，证明了其在代表性中间位置准确检测和测量0.8毫米参考反射体的能力。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了PA-TOFD方法，描述了检测几何形状、散射矩阵分析、阵列配置策略和成像算法，并通过有限元模拟展示了每个组成部分。第3节描述了在IFW试件上的实验验证，包括信号分析和成像性能的定量评估。第4节总结了主要贡献并讨论了该框架的更广泛适用性。

**PA-TOFD框架**
本节介绍了用于检测和成像厚IFW焊缝中小裂纹的PA-TOFD框架。我们在2.1节首先描述了检测几何形状和现有方法的局限性，然后在2.2节详细介绍了我们方法论的每个组成部分：2.2节中的散射分析用于选择最佳角度，2.3节中的阵列配置用于实现完整焊缝覆盖，2.4节中的延迟叠加成像用于缺陷重构。

**实验验证**
在2节建立了方法论之后，本节通过超声波检测和成像具有预加工缺陷的惯性摩擦焊接风扇盘来进行实验验证。3.1节描述了试件和缺陷准备。3.2节详细介绍了基于浸入式的双相控阵实验设置。3.3节分析了获取的信号，并将其与模拟结果进行比较，以验证波的传播行为。3.4节展示了D扫描成像结果。

**结论**
本文提出了一个全面且系统的相控阵飞行时间衍射（PA-TOFD）框架，用于检测、定位和测量厚截面惯性摩擦焊接（IFW）接头中的亚毫米级裂纹。该框架通过三个综合贡献，直接解决了现有NDE方法在安全关键制造组件检测方面的关键差距。首先，该框架建立了对超声波从……（原文此处部分内容缺失）

**作者贡献声明**
余旭东：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、形式分析、概念化、资源协调、验证、可视化。
李彦凯：撰写——原始草稿、验证、软件开发、方法论、研究、形式分析、数据管理、可视化、撰写——审阅与编辑。
罗廷宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、研究、形式分析、数据管理、可视化、撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的潜在财务利益或个人关系会影响本文所述的工作。

**致谢**
本项工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12374429、12134002、12004026）和中国科学技术协会青年精英科学家扶持计划（项目编号2020QNRC002）的支持。

作者：余旭东 | 李彦凯 | 罗廷宇 | 耿家义 | 谷波 | 史晓英 | 邓明喜 | 黄明