基于相位突变的异种材料扩散焊缺陷超声检测和识别方法研究

Aiming at the difficulty of ultrasonic amplitude in the evaluation of diffusion bonding of dissimilar materials, a defects testing and recognition method is proposed based on phase mutation. Kissing bond, micropore and unbond in dissimilar diffusion bonding can be automatic recognized by phase mutation and amplitude-frequency-slight-creasing characteristics, which solve the problem of convention ultrasonic testing in the detection of micron kissing bond and micropore. Phase mutation and amplitude-frequency-slight-creasing characteristics of ultrasonic interface signals of dissimilar diffusion bonding are analyzed by continuous wavelet transformation. Correlative features are extracted to establish expression function. Defects recognition models based on support vector machine are estabilished to realize defects intelligent recognition. Correlation between bonding radio and shear strength is obtained to predict strength of diffusion bonding joints. Propagation of ultrasonic in the interface of dissimilar materials and mechanism of ultrasonic interacting with the defects are clarified by this study. Regularity of phase mutation and amplitude-frequency-slight-creasing characteristics is disclosed. It has scientific significance in the study of interaction between ultrasonic wave and diffusion bonding interface and provides a way in non-destructive testing and quality evaluation of bonding interface of dissimilar materials.

针对常规超声波检测由信号幅度高低无法辨别异种材料扩散焊缺陷的问题，提出一种基于相位突变的缺陷检测和识别方法，以相位突变和幅频缓升特征自动识别异种材料扩散焊界面弱接合、微孔和未焊合缺陷，解决了传统超声波检测不出微米弱接合和微孔缺陷的难题。以异种材料扩散焊界面超声波信号为研究对象，采用连续小波变换研究缺陷信号相位突变和幅频缓升特性，提取与缺陷类别相关的特征，建立表达函数，采用支持向量机构建缺陷识别模型，实现缺陷智能识别。根据缺陷识别结果获得焊合率与抗剪强度对应关系，实现接头强度的预测。通过本项目的研究，阐明声波在异质界面的传播行为、与缺陷的相互作用机制，揭示缺陷信号相位突变和幅频缓升的规律，在研究声波与连接界面的相互作用等方面具有较高的科学意义，同时可为异种材料连接界面缺陷的无损检测与质量评价提供思路。

针对常规超声波检测由信号幅度高低无法辨别异种材料扩散焊界面缺陷的问题，提出一种基于相位突变和幅频缓升的缺陷检测和识别方法。以异种材料扩散焊界面弱接合、微孔和未焊合缺陷为研究对象，采用光学金相显微分析、电子背散射衍射法和抗剪强度测试系统研究了三种缺陷微观形貌特征和接头强度特征。采用理论分析与实验研究相结合的方法确定了表征缺陷信号的最优小波，对缺陷信号进行了连续小波变换获取了时频图像。采用实验方法对时频图像的分辨率、尺度与步长进行了优化。系统研究了缺陷信号的幅频和相位信息提取方法与超声波频率的关系，揭示了缺陷信号相位突变和幅频缓升的规律：弱接合缺陷信号的相位在低频段与入射波相同，在高频段与入射波相反，在某一频段会发生相位突变；微孔缺陷信号的相位基本与入射波相同；未焊合缺陷信号的相位与入射波相反；弱接合和微孔缺陷信号的幅度随着超声波频率的增加而缓慢增加；未焊合缺陷信号的幅度不随着超声波频率的变化而变化。检测增益和超声波换能器中心频率的变化对上述规律无影响。结合超声波弹簧模型理论和缺陷微观形貌特征阐明了声波在异质界面的传播特点，声波与缺陷的相互作用机理。基于主成分分析研究了缺陷信号相位突变和幅频缓升特征的相关性和冗余性，给出了三种缺陷信号相位突变和幅频缓升特征的表达函数。通过对相位和幅频特征类内距离和类间距离的研究，提出了一种基于最远特征距离的支持向量机二叉决策树缺陷识别模型构造方法。采用实验方法对训练样本数、核函数和惩罚参数进行优化后，采用最小二乘支持向量机构建了缺陷识别模型，实现了三种缺陷的识别，正确识别率分别为90.5%、91.5%和93%。根据试样的识别结果和强度测试结果获得了焊合率和抗剪强度的对应关系，采用数学分析的方法，拟合得到了焊合率与抗剪强度之间的解析对应关系，实现了异种材料扩散焊界面强度的预测，基于MATLAB建立了异种材料扩散焊质量评价系统。本项目的研究，以相位突变和幅频缓升特征识别异种材料扩散焊界面缺陷，解决了传统超声波检测不出微米弱接合和微孔缺陷的难题。在研究声波与连接界面的相互作用等方面具有较高的科学意义，为异种材料连接界面缺陷的无损检测与质量评价提供了思路。