本發(fā)明涉及超聲波無損檢測，尤其涉及一種大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸及分布超聲相控陣無損評價方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、大型環(huán)件是高端裝備常用的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件，如航空航天環(huán)件、風(fēng)電機(jī)組環(huán)件、核電主泵密封環(huán)、盾構(gòu)機(jī)環(huán)件等，大型環(huán)件服役工況惡劣，長期服役于高溫高壓、重載和高腐蝕等惡劣環(huán)境。因此，對大型環(huán)件材料性能要求極其嚴(yán)苛，其晶粒組織狀態(tài)直接影響大型環(huán)件的機(jī)械性能和服役安全。大型環(huán)件軋制過程材料再結(jié)晶與晶粒組織演化規(guī)律復(fù)雜，受原材料粗晶、預(yù)加熱溫度過高、再結(jié)晶不充分、軋制條件不合理等因素影響，大型環(huán)件材料極易出現(xiàn)粗晶、混晶、晶粒分布不均等問題。大型環(huán)件通常上下表面和內(nèi)表面晶粒較細(xì)，心部晶粒較粗，晶粒尺寸呈現(xiàn)非均勻分布的特征。為此，準(zhǔn)確地檢測大型環(huán)件晶粒尺寸及分布狀態(tài)，對保障大型環(huán)件及相關(guān)裝備的質(zhì)量安全具有重要意義。超聲相控陣換能器是由多晶片陣列組成，通過延遲法則可以控制聲束動態(tài)聚焦，在聚焦區(qū)域超聲能量疊加，可提高晶粒散射信號特征，有利于實(shí)現(xiàn)環(huán)件局部區(qū)域晶粒尺寸特征提取。

2、目前，大型環(huán)件晶粒尺寸檢測主要依賴人工破壞性抽檢，例如金相法、電子背散射衍射法等，此類方法存在檢測工序多、等待周期長、材料浪費(fèi)嚴(yán)重和無法全面檢測等問題。然而，金屬晶粒尺寸超聲無損評價方法只能對工件整體的平均晶粒尺寸進(jìn)行定性評價，無法評價大型環(huán)件局部區(qū)域晶粒尺寸和非均勻晶粒具體分布情況。大型環(huán)件材料晶粒度分布及晶粒度級差是評價環(huán)件微觀組織性能的重要參數(shù)，對保障環(huán)件產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全具有重要意義。超聲相控陣通過多個陣元并行激勵，可同時獲取多角度聲束散射信號，包含更多的晶粒組織聲信號特征，對晶粒組織表征更有優(yōu)勢。但是，超聲相控陣聚焦聲束在傳播距離上存在擴(kuò)散衰減，不同聚焦算法聲場分布不同，造成環(huán)件局部區(qū)域晶粒散射衰減有效特征提取困難。此外，大型環(huán)件局部晶粒散射信號受到傳播距離上各區(qū)域晶粒散射的影響，并且存在傳播距離上存在衰減。因此，如何剔除超聲相控陣擴(kuò)散衰減和其他區(qū)域晶粒散射信號干擾，獲得局部區(qū)域晶粒散射信號特征，分析非均勻晶粒尺寸與超聲相控陣信號特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸及分布的超聲相控陣評價方法，實(shí)現(xiàn)大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸高精度和高分辨率無損評價是急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸及分布超聲相控陣無損評價方法，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)大型環(huán)件外表面和心部晶粒尺寸非均勻分布的超聲相控陣高分辨率無損檢測與評價。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸及分布超聲相控陣無損評價方法，包括以下步驟：

4、根據(jù)大型環(huán)件的材料和幾何尺寸設(shè)置超聲相控陣換能器參數(shù)；

5、在待測大型環(huán)件的各個截面根據(jù)超聲相控陣單次掃查覆蓋面積劃分為多個網(wǎng)格；

6、采用超聲相控陣的探頭電子聚焦掃描依次完成所有網(wǎng)格檢測，采集發(fā)射孔徑在各網(wǎng)格聚焦的合成信號；

7、利用預(yù)設(shè)的底波衰減校準(zhǔn)系數(shù)對各孔徑合成信號進(jìn)行校準(zhǔn)，然后分別計算各合成信號的總衰減系數(shù)；

8、根據(jù)各總衰減系數(shù)計算各網(wǎng)格區(qū)域獨(dú)立的衰減系數(shù)；

9、根據(jù)各孔徑合成信號在相應(yīng)聚焦網(wǎng)格區(qū)域的背散射信號得到各網(wǎng)格區(qū)域的能量譜以及主頻率特征值；

10、將各網(wǎng)格區(qū)域的衰減系數(shù)、能量譜以及主頻率特征值帶入預(yù)先構(gòu)建的各網(wǎng)格區(qū)域晶粒尺寸超聲相控陣的數(shù)學(xué)計算模型中計算待測大型環(huán)件截面各網(wǎng)格區(qū)域的晶粒尺寸，得到該待測大型環(huán)件的晶粒尺寸分布；其中該數(shù)學(xué)計算模型為預(yù)先構(gòu)建的關(guān)于大型環(huán)件的各個截面各區(qū)域非均勻晶粒尺寸、衰減系數(shù)、能量譜以及主頻率特征值之間關(guān)系模型；

11、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的評級標(biāo)準(zhǔn)對該待測大型環(huán)件的晶粒尺寸分布進(jìn)行相應(yīng)評價。

12、接上述技術(shù)方案，根據(jù)超聲相控陣的發(fā)射子孔徑寬度將單次掃查覆蓋面積等距離劃分為多個網(wǎng)格。

13、接上述技術(shù)方案，通過建立大型環(huán)件液固耦合相控陣聲場解析模型，獲得相控陣探頭發(fā)射孔徑在不同聚焦深度的聲場解析結(jié)果，計算不同聚焦深度輻射聲場的底波衰減校準(zhǔn)系數(shù)。

14、接上述技術(shù)方案，具體根據(jù)發(fā)射孔徑并行激勵無聚焦解析聲場得到輻射聲場軸線聲壓變化曲線，并進(jìn)行反向計算得到聲壓衰減校準(zhǔn)曲線，通過該聲壓衰減校準(zhǔn)曲線對背散射信號進(jìn)行校準(zhǔn)得到各聚焦區(qū)域背散射信號能量譜。

15、接上述技術(shù)方案，具體通過提取發(fā)射孔徑信號在各網(wǎng)格區(qū)域背散射信號，分別對各網(wǎng)格區(qū)域背散射信號進(jìn)行傅里葉變換得到頻率序列，選取最大頻率作為背散射信號主頻率特征值。

16、接上述技術(shù)方案，構(gòu)建數(shù)學(xué)計算模型時，具體通過金相實(shí)驗(yàn)或ebsd測試大型環(huán)件截面各區(qū)域?qū)嶋H晶粒尺寸。

17、接上述技術(shù)方案，具體基于大型環(huán)件各網(wǎng)格區(qū)域晶粒尺寸、衰減系數(shù)、能量譜、主頻率進(jìn)行多元非線性回歸分析，得到各網(wǎng)格區(qū)域晶粒尺寸超聲相控陣數(shù)學(xué)計算模型。

18、接上述技術(shù)方案，還包括步驟：將計算的待測大型環(huán)件截面各網(wǎng)格區(qū)域的晶粒尺寸數(shù)值映射為顏色圖譜，繪制待測大型環(huán)件截面非均勻晶粒尺寸分布b掃圖譜。

19、接上述技術(shù)方案，采用超聲相控陣探頭沿待測大型環(huán)件輪廓掃查，同時待測大型環(huán)件繞圓心旋轉(zhuǎn)，在相控陣探頭與待測大型環(huán)件相對運(yùn)動過程中，實(shí)時采集超聲陣列信號。

20、本發(fā)明還提供一種大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸及分布超聲相控陣無損評價系統(tǒng)，包括：

21、參數(shù)設(shè)置模塊，用于根據(jù)大型環(huán)件的材料和幾何尺寸設(shè)置超聲相控陣換能器參數(shù)；

22、數(shù)據(jù)采集模塊，用于在待測大型環(huán)件的各個截面根據(jù)超聲相控陣單次掃查覆蓋面積劃分為多個網(wǎng)格；采用超聲相控陣的探頭電子聚焦掃描依次完成所有網(wǎng)格檢測，采集發(fā)射孔徑在各網(wǎng)格聚焦的合成信號；

23、衰減系數(shù)計算模塊，用于利用預(yù)設(shè)的底波衰減校準(zhǔn)系數(shù)對各孔徑合成信號的底面回波幅值信號進(jìn)行校準(zhǔn)，然后分別計算各合成信號的總衰減系數(shù)；根據(jù)各總衰減系數(shù)計算各網(wǎng)格區(qū)域獨(dú)立的衰減系數(shù)；

24、特征提取模塊，用于根據(jù)各孔徑合成信號在相應(yīng)聚焦網(wǎng)格區(qū)域的背散射信號得到各網(wǎng)格區(qū)域的能量譜以及主頻率特征值；

25、晶粒尺寸計算模塊，用于將各網(wǎng)格區(qū)域的衰減系數(shù)、能量譜以及主頻率特征值帶入預(yù)先構(gòu)建的各網(wǎng)格區(qū)域晶粒尺寸超聲相控陣的數(shù)學(xué)計算模型中計算待測大型環(huán)件截面各網(wǎng)格區(qū)域的晶粒尺寸，得到該待測大型環(huán)件的晶粒尺寸分布；其中該數(shù)學(xué)計算模型為預(yù)先構(gòu)建的關(guān)于大型環(huán)件的各個截面各區(qū)域非均勻晶粒尺寸、衰減系數(shù)、能量譜以及主頻率特征值之間關(guān)系模型；

26、評價模塊，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的評級標(biāo)準(zhǔn)對該待測大型環(huán)件的晶粒尺寸分布進(jìn)行相應(yīng)評價。

27、本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明提出了大型環(huán)件截面非均勻晶粒尺寸超聲相控陣無損評價方法，利用超聲相控陣在環(huán)件截面各網(wǎng)格區(qū)域分別聚焦掃描，增強(qiáng)了聚焦區(qū)域晶粒散射特征，融合各網(wǎng)格區(qū)域超聲衰減多特征參數(shù)與晶粒尺寸的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建了環(huán)件晶粒尺寸計算模型，提高了大型環(huán)件晶粒尺寸評價的分辨率和精度。

28、進(jìn)一步地，將大型環(huán)件截面按相控陣發(fā)射孔徑寬度劃分網(wǎng)格，超聲相控陣探頭在各網(wǎng)格區(qū)域聚焦掃描，通過計算超聲相控陣聚焦聲場校準(zhǔn)系數(shù)，剔除了各網(wǎng)格區(qū)域的不同聚焦算法對底波幅值的影響；

29、進(jìn)一步地，所提出的各網(wǎng)格區(qū)域獨(dú)立衰減系數(shù)計算方法，考慮了超聲波在傳播路徑上的衰減，剔除了其他區(qū)域晶粒衰減造成的影響。

30、進(jìn)一步地，所提出的基于無聚焦聲場的聲壓衰減校準(zhǔn)曲線，可補(bǔ)償晶粒背散射信號在傳播距離上的衰減；通過校準(zhǔn)后的超聲相控陣特征值，可精確表征大型環(huán)件局部區(qū)域晶粒尺寸信息。

31、進(jìn)一步地，所提出的多元非線性回歸分析綜合考慮了衰減系數(shù)為αij、背散射能量譜系數(shù)bij、背散射信號主頻率fij三個特征值與晶粒尺寸的作用規(guī)律，提高了大型環(huán)件晶粒尺寸評價精度。

32、進(jìn)一步地，所提出的超聲相控陣晶粒尺寸分布圖譜，將大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸分布情況映射為圖像，實(shí)現(xiàn)了大型環(huán)件非均勻晶粒尺寸分布可視化表征。

33、當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。