CN102608209A - 爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，其包含：1、确定检测对象，检测对象为复合材料，其包含复合在一起的覆板和基板；2、设定检测装置的工作参数；3、设定爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测的检测速度；4、判断设定的检测速度是否满足检测分辨率以及工作效率的要求；5、工艺设计完毕，本设备进行爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测。本发明使用高频相控阵超声检测技术将获得高分辨率的检测图像，而且仅要求一维方向的高精度机械扫描，系统可靠性高；相控阵探头的使用，可通过实施不同的聚焦法则，灵活调整检测波束的聚焦深度和焦柱直径，因此对不同参数的产品可制定灵活的检测工艺。

Description

爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于评价爆炸焊接工艺质量的检测技术，具体涉及一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备及其检测方法。

背景技术

目前，现有技术采用高频聚焦探头进行二维C扫描波纹成像来检测爆炸焊接工艺质量，该技术的主要问题困难是：扫描速度慢，对于扫查装置的位置精度要求非常高，因此设备成本较高，同时由于扫描速度慢，很多情况下仅能用于实验室测试而不能用于生产过程的质量检测。

发明内容

本发明提供了一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备及其检测方法，根据复合材料覆板的厚度以及波纹成像分辨率要求，使用不同的激发/接收孔径和聚焦法则，通过控制检测声束的聚焦深度和焦柱直径，满足不同覆板厚度及检测分辨率的要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，其特点是，该设备包含控制器，以及分别与控制器电路连接的扫查装置和现场检测耦合系统；

上述的扫查装置包含行走装置，机械连接在行走装置上的夹持装置，以及分别固定在夹持装置上的检测装置和喷头；

上述的检测装置和喷头朝向外接的检测对象设置。

上述的现场检测耦合系统包含供水管路，设置在供水管路中的水泵，以及与水泵的输入端电路连接的驱动和控制电路；

上述的供水管路两端分别连接外接的水源和所述的喷头。

上述的行走装置采用便携式的二维扫查器。

上述的检测装置采用高频超声相控阵线性阵列探头，该探头中包含若干个晶片，相邻两个晶片组合成为一个子探头。

一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、确定检测对象，检测对象为复合材料，其包含复合在一起的覆板和基板；

步骤2、设定检测装置的工作参数；

步骤2.1、根据覆板的厚度选定检测装置的声波发射频率；

步骤2.2、根据检测对象复合材料间的波纹宽度，设定检测装置的检测分辨率，该检测分辨率指检测装置可探测波纹的最小值；

步骤2.3、根据下式计算并选取检测装置的孔径D：

；

D=（

L）/（2Φ）；

其中，Φ为检测装置发出的声波信号的聚焦声束的焦柱直径；

为检测装置发出的声波信号的声波波长；D为检测装置的孔径；L为检测装置发出的声波传播的焦点至检测装置的距离；

λ由下式得出：

λ=声波在覆板中传播的速度 / 检测装置的声波发射频率；

步骤2.4、确定检测装置中探头晶片的数量，以及沿探头晶片排列方向的成像分辨率；

步骤3、设定爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测的检测速度；

步骤3.1、选取行走装置的机械扫描速度；

步骤3.2、根据行走装置的机械扫描速度，选定单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备中采用检测装置的数量，并确定单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测覆盖宽度；

步骤3.3、设定采用的单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备数量及其总的检测覆盖宽度；

步骤3.4、根据下式确定检测过程中的检测速度：

检测设备的总检测覆盖宽度×检测设备的机械扫描速度=检测设备的检测速度；

步骤4、判断设定的检测速度是否满足检测分辨率以及工作效率的要求，若是，检测速度满足要求，则跳转到步骤5；若否，检测速度不能够满足要求，则跳转到步骤2；

步骤5、工艺设计完毕，则本设备进行爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测。

上述的步骤2.1包含根据覆板厚度选择检测装置的声波发射频率；

若覆板厚度在3mm～6mm，则检测装置声波发射频率选择大于15MHz；

若覆板厚度在6mm～10mm，则检测装置声波发射频率选择12MHz±1.2Hz；

若覆板厚度大于10mm，则检测装置声波发射频率选择小于12MHz。

上述的步骤2.2中，检测装置的检测分辨率设为检测对象波纹宽度的1/5～1/10。

本发明爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备及其检测方法和现有技术相比，其优点在于，本发明使用高频相控阵超声检测技术将获得高分辨率的检测图像，而且仅要求一维方向的高精度机械扫描，系统可靠性高；

本发明由于横向扫描采取电子切换，检测速度快，可用于现场大面积产品检测；

本发明相控阵探头的使用，可通过实施不同的聚焦法则，灵活调整检测波束的聚焦深度和焦柱直径，因此对不同参数的产品可制定灵活的检测工艺。

附图说明

图1为本发明爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的结构示意图；

图2为本发明爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法的方法流程图；

图3为本发明爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法的一种实施例中检测对象的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的实施例。

本发明公开的一种爆炸焊接复合材料界面波纹的高频超声检测方法，该方法采用的检测技术为超声相控阵技术，同时其检测设备采用一种相控阵超声检测设备。根据复合材料覆板的厚度以及波纹成像分辨率要求，使用不同的激发/接收孔径和聚焦法则，通过控制检测声束的聚焦深度和焦柱直径，满足不同覆板厚度及检测分辨率的要求。

超声相控阵技术结合采用了超声相控阵技术和相控阵超声检测技术。

根据各种检测方法和技术的特点，超声波是评价不同材料界面结合状态的理想技术手段，同时，由于爆炸焊接形成的金属界面间的波纹尺度通常小于0.5mm，因此本发明中采用高频超声技术。

相控阵超声检测技术以其灵活的检测波束形成、高速的电子扫描技术和可靠的多通道探头及电气连接技术获得了广泛的应用。

如图1所示，本发明公开了一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，该设备为一种相控阵超声检测设备，该相控阵超声检测设备包含有控制器1，以及分别与该控制器1电路连接的现场检测耦合系统3和扫查装置2。

现场检测耦合系统3包含有水泵、驱动和控制电路、供水管路设计等。供水管路与扫查装置2连通，水泵设置在供水管路中，驱动和控制电路与水泵电路连接。

扫查装置2包含行走装置21，机械连接在行走装置21上的夹持装置22，以及固定在夹持装置22上的检测装置23和喷头24。检测装置23和喷头24朝向外接的检测对象设置，行走装置21通过夹持装置22带动检测装置23和喷头24对检测对象进行扫描。喷头24还与现场检测耦合系统3连接，现场检测耦合系统3中的供水管路两端分别连接外接的水源和喷头24。现场检测耦合系统3的驱动和控制电路通过控制设置在供水管路中的水泵，将供水管路中的水送往喷头24，通过喷头24向本系统的检测区域内的检测对象供水，实现声波与检测对象之间的耦合。

检测装置23采用一种高频超声相控阵线性阵列探头，该阵列探头可以实现声波的发送和接收，其仅要求沿扫查方向具有足够的机械扫查精度。阵列探头通过采用相控阵技术中的线性扫描方式，一次扫描完成检测对象上一个区域的波纹成像。上述区域的宽度与阵列探头的长度以及一次检测中所激发的探头孔径有关。本实施例中，当进行检测时，阵列探头的线性扫描方向与金属界面间的波纹平行设置。

现有技术中的探头，其包含有若干个子探头，其每一个晶片即成为一个子探头，同时其晶片宽度较大，导致分辨率不清晰。而本发明中的高频超声相控阵线性阵列探头中设有若干个晶片，相邻两个晶片组成为一个子探头，同时本阵列探头中采用较小的晶片，本实施例中可以采用宽度为0.24mm的晶片，各晶片之间的间距为0.01mm。使得本发明中阵列探头相比于现有技术，其分辨率有明显提高。

行走装置21采用便携式二维扫查器，其扫描分辨率至少达到0.2mm，能够单人便携。同时在本实施例中，系统采用直流伺服系统，在达到高精度运动控制的同时，减少对检测信号的影响。便携式二维扫查器可实现一维采用机械扫描另一维采用控阵技术中的0.5晶片步进的线性扫描技术。本实施例中，在爆炸波纹的垂直方向采用机械扫描。在平行于爆炸波纹的方向采用相控阵技术中的0.5晶片步进的线性扫描技术，以获得更好的分辨率。其中，相控阵的线性扫描分辨率要低于精密机械扫描分辨率。但由于阵列探头的线性扫描方向与金属界面间的波纹平行，因此不会对成像结果造成明显的影响。

本实施例中所采用的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备能够最多控制5个线性扫描的声束。

夹持装置22即采用夹具，其用于将检测装置23和喷头24机械连接在行走装置21上，使行走装置21带动检测装置23和喷头24进行扫描和检测。

控制器1对现场检测耦合系统3和扫查装置2进行控制。对现场检测耦合系统3进行喷水控制。对扫查装置2中扫查装置2的二维扫查进行控制。

控制器1中还包含有超声电子系统，该系统包含双极性可变频率激发信号，其输出阻抗低；该系统还包含有高频宽带(10~100MHz)的低噪声信号接收电路，其增益值至少达到80分贝以上。控制器1通过超声电子系统控制检测装置23探头的声波信号的发送和接收检测。

控制器1中还包含有便携式成像系统，其采用便携式工业控制计算机，可以采用Windows操作系统，作为控制界面的操作系统。

如图2所示，一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、根据生产任务书或客户需求，确定检测对象。如图3所示，本实施例中，检测对象采用的复合材料包含有基板5以及设置在该基板5上的覆板4，覆板4厚度为4mm，波纹宽度为0.3mm，覆板4的材料为不锈钢316L，基板5为普通低合金碳钢，厚度大于10mm。

步骤2、设定进行探测中使用的检测装置23阵列探头的工作参数。

步骤2.1、根据覆板4的厚度选定检测装置23阵列探头的声波发射频率，通常的原则是尽量选择高频，以获得良好的复合界面信号和检测分辨率，但由于高频超声的衰减较大，不能穿透厚板，因此阵列探头频率不能太高，需综合考虑。

若覆板4厚度在3mm～6mm，则阵列探头的声波发射频率选择15MHz或更高的频率。

若覆板4厚度在6mm～10mm，则阵列探头的声波发射频率选择12MHz±1.2Hz的频率。

若覆板4厚度大于10mm，该情形不常见，如果遇到，则阵列探头的声波发射频率可选择较低的频率，例如低于12MHz的频率。

阵列探头的频率越低，对应的检测分辨率的结果越差，能够检出的波纹周期越大。

对于本实施例中，覆板4厚度为4mm，所以阵列探头的声波发射频率采用15MHz。

步骤2.2、根据金属界面间的波纹宽度，设定检测装置23探头的检测分辨率，该探头的检测分辨率指探头可探测波纹的最小值。通常选择的探头的检测分辨率约为波纹宽度的1/5～1/10。因为步骤1中检测对象的波纹宽度为0.3mm，所以探头的检测分辨率可以选择在0.03~0.06mm之间，本实施例中，所选择的探头的检测分辨率为0.05mm。 

步骤2.3、按照公式（1）和（2）计算并选取阵列探头的孔径D：

      （1）

D=（

L）/（2Φ）   （2）

其中，Φ=0.05为本实施例中采用的相控阵超声检测设备的探头所发出的声波信号的聚焦声束的焦柱直径。

为相控阵超声检测设备的探头所发出的声波信号设定的声波波长，其中6mm/s为声波在覆板4中传播的速度，15MHz为阵列探头的声波发射频率，0.4毫米为最终计算所得的声波波长。D为阵列探头的孔径。L=4mm为焦点距离，该焦点指本发明中探头所发出的声波传播的焦点，L为检测装置23发出的声波传播的焦点至检测装置23的距离。公式（1）计算结果为单个阵列探头的孔径D=16mm。因此本实施例中，每一个阵列探头采用若干个排列设置的探头晶片组成，所采用的单个阵列探头内所有晶片的长度或者整个晶片阵列的宽度为16mm。

步骤2.4、按照目前的工艺水平和成本因素，15MHz的探头晶片，本实施例中设计阵列探头中单个晶片宽度为0.24mm，各个晶片之间的间距为0.01mm，所以设定单个晶片加上其与相邻晶片之间的间距的和为0.25mm。因此，如果要得到晶片阵列的宽度D=16mm，每一个阵列探头需要一次采用激活的孔径为16/0.25=64个探头晶片。

探头晶片排列方向的成像分辨率可以由单个晶片宽度除以2得出，所以此时沿探头晶片排列方向的成像分辨率可以达到0.24/2=0.12mm，阵列探头中晶片的排列方向，与检测对象的波纹方向平行。

步骤3、设定爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测的检测速度。

步骤3.1、在实际检测中，为获得最佳的检测分辨率，同时考虑到阵列探头制作工艺的局限性，因此行走装置21采用的二维扫查的方式，在爆炸波纹的垂直方向采用机械扫描，在平行于爆炸波纹的方向采用相控阵技术中的0.5晶片步进的线性扫描技术，以获得更好的分辨率。其中，相控阵的线性扫描分辨率要低于精密机械扫描分辨率，但由于阵列探头的线性扫描方向与波纹平行，因此不会对成像结果造成明显的影响。

上述的机械扫描的采样周期与步骤3中所确定的波纹检测的检测分辨率匹配，机械扫描的采样周期采用 0.05mm。又考虑到单台相控阵超声检测设备的脉冲重复频率可取到20KHz。此时单个阵列探头的机械扫描速度可以达到0.05mm×20KHz =1000mm/s。本实施例中，考虑到机械扫描机构运动的稳定性，机械扫描速度取200mm/s。

步骤3.2、根据上述单个阵列探头的机械扫描速度为1000mm/s，而本实施例中为了稳定性，机械扫描速度取200mm/s，则单台相控阵设备能够最多控制5个线性扫描的声束，所以为了充分利用本设备的扫描能力，则在本设备上设置5个检测装置23，即阵列探头。同时也使得单个本设备实现的检测覆盖宽度为5×0.12=0.6mm。

步骤3.3、在实施例中，为提高效率，设置应用16套爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备并行工作，所以当所有设备一起工作时一次可得到的检测覆盖宽度为0.6mm ×16=9.6mm。

同时，本实施例中一次检测采用的所有探头的总孔径为：16×5×(64-1)=5040个晶片。其中，在阵列探头中相邻的两个晶片组成为一个子探头进行探测（即，例如1号晶片与2号晶片组成第一个子探头，2号晶片与3号晶片再组成一个子探头，以此类推）所以当若干阵列探头中的晶片排列连接在一起使用时，上式中每个阵列探头内64个晶片中都减去1。

步骤3.4、因为所有设备一起工作时一次可得到的检测覆盖宽度为0.6mm ×16=9.6mm，设备选取的机械扫描速度为200mm/s，所以本实施例的检测速度约为：9.6×200×60≈0.1m²/min。而现有技术中，其检测速度为100 mm/s，相比于现有技术本发明的效率和经济效益上明显提高。

步骤4、判断设定的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测的检测速度是否满足检测分辨率以及工作效率的要求。 

若是，检测速度满足检测分辨率以及工作效率的要求，则跳转到步骤5。

若否，检测速度不能够满足检测分辨率以及工作效率的要求，则跳转到步骤2，重新设定本次检测工作中所有采用的检测装置23阵列探头的总晶片的数量，以及控制器1设定行走装置21的机械扫描速度。

步骤5、满足检测要求，工艺设计完毕，则本发明爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备按照上述的参数设定，进行爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测。检测所得的爆炸焊接复合材料界面波纹的工艺质量由控制器1中的便携式成像系统显示给操作人员进行评估。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，其特征在于，该设备包含控制器（1），以及分别与所述的控制器（1）电路连接的扫查装置（2）和现场检测耦合系统（3）；

所述的扫查装置（2）包含行走装置（21），机械连接在所述的行走装置（21）上的夹持装置（22），以及分别固定在所述夹持装置（22）上的检测装置（23）和喷头（24）；

所述的检测装置（23）和喷头（24）朝向外接的检测对象设置。

2.如权利要求1所述的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，其特征在于，所述的现场检测耦合系统（3）包含供水管路，设置在供水管路中的水泵，以及与水泵的输入端电路连接的驱动和控制电路；

所述的供水管路两端分别连接外接的水源和所述的喷头（24）。

3.如权利要求1所述的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，其特征在于，所述的行走装置（21）采用便携式的二维扫查器。

4.如权利要求1所述的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备，其特征在于，所述的检测装置（23）采用高频超声相控阵线性阵列探头，该探头中包含若干个晶片，相邻两个晶片组合成为一个子探头。

5.一种爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、确定检测对象，检测对象为复合材料，其包含复合在一起的覆板（4）和基板（3）；

步骤2、设定检测装置（23）的工作参数；

步骤2.1、根据覆板（4）的厚度选定检测装置（23）的声波发射频率；

步骤2.2、根据检测对象复合材料间的波纹宽度，设定检测装置（23）的检测分辨率，该检测分辨率指检测装置（23）可探测波纹的最小值；

步骤2.3、根据下式计算并选取检测装置（23）的孔径D：

  ；

D=（L）/（2Φ）；

其中，Φ为检测装置（23）发出的声波信号的聚焦声束的焦柱直径；为检测装置（23）发出的声波信号的声波波长；D为检测装置（23）的孔径；L为检测装置（23）发出的声波传播的焦点至检测装置（23）的距离；

λ由下式得出：

λ=声波在覆板（4）中传播的速度 / 检测装置（23）的声波发射频率；

步骤2.4、确定检测装置（23）中探头晶片的数量，以及沿探头晶片排列方向的成像分辨率；

步骤3、设定爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测的检测速度；

步骤3.1、选取行走装置（21）的机械扫描速度；

步骤3.2、根据行走装置（21）的机械扫描速度，选定单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备中采用检测装置（23）的数量，并确定单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测覆盖宽度；

步骤3.3、设定采用的单个爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备数量及其总的检测覆盖宽度；

步骤3.4、根据下式确定检测过程中的检测速度：

检测设备的总检测覆盖宽度×检测设备的机械扫描速度=检测设备的检测速度；

步骤4、判断设定的检测速度是否满足检测分辨率以及工作效率的要求，若是，检测速度满足要求，则跳转到步骤5；若否，检测速度不能够满足要求，则跳转到步骤2；

步骤5、工艺设计完毕，则本设备进行爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测。

6.如权利要求5所述的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，其特征在于，所述的步骤2.1包含根据覆板（4）厚度选择检测装置（23）的声波发射频率；

若覆板（4）厚度在3mm～6mm，则检测装置（23）声波发射频率选择大于15MHz；

若覆板（4）厚度在6mm～10mm，则检测装置（23）声波发射频率选择12MHz±1.2Hz；

若覆板（4）厚度大于10mm，则检测装置（23）声波发射频率选择小于12MHz。

7.如权利要求5所述的爆炸焊接复合材料界面波纹的超声检测设备的检测方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，检测装置（23）的检测分辨率设为检测对象波纹宽度的1/5～1/10。

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