CN102608210A - 利用超声导波检测角钢件缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，包括以下步骤：1）根据角钢件的外形尺寸、力学性能及波速度建立角钢件的有限元模型；2）在有限元模型上模拟由检测传感器激励的超声导波的传播过程；3）数个检测传感器设置在角钢件上；4）任意函数发生器发生的脉冲波信号，经过功率放大器—转换开关—检测传感器以激励在角钢件中特定模态遇到缺陷产生回波的超声导波，回波信号经检测传感器—转换开关—示波器得到回波信号的波形图；5）计算出角钢件长度方向的缺陷位置x。本发明在角钢件一端激励超声导波并接收缺陷回波进行检测，方便快捷，检测成本低，能实现角钢件的全方位的检测。

Description

利用超声导波检测角钢件缺陷的方法
技术领域
本发明涉及一种型钢的无损检测方法，特别涉及一种用超声导波检测对接角钢本体及焊接缺陷的方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
钢结构广泛地用于建筑、路桥、化工设备、电站设备和船舶制造和海洋工程等领域，角钢焊接结构件在钢结构中极为常见，两根角钢的对接焊接是最常见的角钢焊接结构件，在对接焊缝处会出现裂纹、未溶合、气孔和咬边等焊接缺陷，此外，角钢在轧制成形的过程中出现的内部裂纹、分层和折叠等缺陷，这些缺陷的存在会大大缩短角钢件的使用寿命，甚至会引起角钢焊接结构件焊缝处突然断裂，直接危及人员安全。
    角钢本体或角钢焊接结构件（以下简称角钢件）焊缝处常用的无损探伤技术有超声检测与射线检测，传统的超声检测方法是用超声波探伤仪对焊缝进行逐点式检测，效率较低；射线检测虽然准确性高，但是检测时准备时间长，危险性大，设备使用时检测人员需要撤离现场一段距离，费时费力，检测成本高。不仅如此，角钢焊接结构件的焊接完成后，会对焊缝进行磨平处理并且涂上油漆，这样会使焊缝位置难以辨别，增加了传统超声检测与射线检测的难度。
超声导波技术越来越被检测领域所重视，在管道、锚杆、铁轨的无损检测中得到了一定的应用。由于超声导波检测型钢的高效性以及检测区域的全面性，使其得到广泛地关注与应用。超声导波（也称为制导波）是在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的，超声导波检测的优点是能传播20~30米长距离而衰减很小，可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役型钢焊接结构件焊缝的危险性缺陷。申请号为200910068160.9的中国发明专利提供了一种在役电力铁塔角钢的超声导波检测方法，该方法采用横向移动扫差检测缺陷并且使用试块进行波形对比，虽然解决了在役电力铁塔的无损检测问题，但是需要制作对比试块，效率相对较低。
发明内容
本发明的目的是通过建立角钢件的有限元模型模拟激励条件，按照模拟激励条件在角钢件中激励超声导波并接收缺陷回波的方法来检测角钢件或角钢焊接结构件的焊缝缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，包括以下步骤：
1）根据角钢件边板厚度、宽度、长度、材料密度、弹性模量、泊松比、纵波速度和横波速度参数建立角钢件的有限元模型；
2）在角钢件的有限元模型上模拟由检测传感器激励的超声导波的传播过程，得到特定频率下特定模态超声导波传播的群速度，建立激励频率与模态波速的数据库；
3）以角钢件的有限元模型模拟的激励条件作为参考，在角钢件“L”形的两边板一端内侧上分别设置检测传感器收放装置，所述检测传感器收放装置包括横向间隔均匀的数个检测传感器和专用夹具，每一边板至少设置三个检测传感器，通过专用夹具固定在角钢件“L”形的两边板一端内侧上；每个检测传感器与角钢件表面耦合，检测传感器的振动方向与角钢件的长度方向一致；
4）任意函数发生器发生特定频率的脉冲波信号，该信号经过功率放大器与转换开关并通过检测传感器收放装置的检测传感器以激励在角钢件中特定模态的超声导波，该超声导波沿角钢件的长度方向传播，当其遇到缺陷时产生回波，回波信号被又被检测传感器收发装置接收，再经过转换开关与示波器，即得到回波信号的波形图；
5）从回波信号的波形图中确认缺陷的回波信号峰值与激励信号峰值的时间差，根据x=1/2×回波信号峰值时间差×导波的群速度的公式计算出角钢件长度方向的缺陷位置x。
    本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
前述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其中所述激励频率取在60KHZ-200KHZ的范围内。
    前述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其中所述数个检测传感器传感器通过专用夹具分别均匀排列在角钢件“L”形两边板的端面上。
前述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其中检测传感器为压电传感器，所述压电传感器型式为直探头型或斜探头型或可变角探头型；所述检测传感器与角钢件表面的耦合方式为干耦合或耦合剂耦合。
    本发明主要有以下有益效果：
    1）只需要在角钢件一端激励超声导波并接收缺陷回波以实现检测，不需要寻找角钢件的焊缝位置，方便快捷，检测成本低。
    2）利用超声导波检测能够实现角钢件的全方位的检测，既可检测角钢本体的缺陷，又可检测角钢焊接结构件焊缝的缺陷，不会出现漏检现象，检测效率高。
    本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1是本发明用于检测角钢本体缺陷实施例一的立体结构示意图；
图2是本发明用于检测角钢本体缺陷实施例二的立体结构示意图；
图3是本发明检测角钢件的原理图；
图4是本发明检测角钢件的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1、图3和图4所示，本实施例采用5#角钢（50mm×50mm×3mm）作为检测对象，包括以下步骤：
1）根据5#角钢边板厚度（3mm)、宽度(50mm)、长度1m、材料密度7.85g/cm3、弹性模量2.06×1011N/m3、泊松比0.3、纵波速度5960m/s和横波速度3260m/s建立角钢件1的有限元模型。
 2）在角钢件1的有限元模型上模拟由传感器激励的超声导波的传播过程，得到特定频率下特定模态超声导波传播的群速度，建立激励频率与模态波速的数据库。在激励频率为70KHZ的时候，其波形的传播速度5120m/s。
    3）以角钢件1的有限元模型模拟的激励条件作为参考，在角钢件“L”形的两边板11一端内侧上设置检测传感器收放装置，所述检测传感器收放装置包括横向间隔均匀的6个检测传感器2和专用夹具3，如图1所示，每一边板端头设置3个横向间隔相等、纵向与角钢件长度方向平行的检测传感器2，通过专用夹具3固定在角钢件“L”形的两边板一端内侧上；每个检测传感器与角钢件表面耦合，检测传感器2的振动方向与角钢件1的长度方向一致。
 4）如图3所示，任意函数发生器4发生特定频率的脉冲波信号，该信号经过功率放大器5与转换开关6并通过检测传感器收放装置的检测传感器2以激励在角钢1件中特定模态的超声导波，该超声导波沿角钢件1的长度方向传播，当其遇到缺陷时产生回波，回波信号被又被检测传感器收发装置接收，再经过转换开关6与示波器7，即得到回波信号的波形图。
    5）从回波信号的波形图中确认缺陷的回波信号峰值与激励信号峰值的时间差，根据x=1/2×回波信号峰值时间差×导波的群速度的公式计算出角钢件长度方向的缺陷位置x，本实施例计算的缺陷位置x=0.512m。
检测传感器2为压电传感器，所述压电传感器型式为直探头型或斜探头型或可变角探头型；检测传感器2与角钢件1表面的耦合方式为干耦合或耦合剂耦合。
实施例二
如图2所示，本实施例的6个检测传感器2每3个一组通过专用夹具均匀排列在角钢件“L”形两边板的端面上，本实施例使用的压电传感器为直探头型，其余步骤与实施例一相同。
    除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1. 一种利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其特征是，包括以下步骤：
1）根据角钢件边板厚度、宽度、长度、材料密度、弹性模量、泊松比、纵波速度和横波速度参数建立角钢件的有限元模型；
2）在角钢件的有限元模型上模拟由检测传感器激励的超声导波的传播过程，得到特定频率下特定模态超声导波传播的群速度，建立激励频率与模态波速的数据库；
3）以角钢件的有限元模型模拟的激励条件作为参考，在角钢件“L”形的两边板一端内侧上分别设置检测传感器收放装置，所述检测传感器收放装置包括横向间隔均匀的数个检测传感器和专用夹具，每一边板至少设置三个检测传感器，通过专用夹具固定在角钢件“L”形的两边板一端内侧上；每个检测传感器与角钢件表面耦合，检测传感器的振动方向与角钢件的长度方向一致；
4）任意函数发生器发生特定频率的脉冲波信号，该信号经过功率放大器与转换开关并通过检测传感器收放装置的检测传感器以激励在角钢件中特定模态的超声导波，该超声导波沿角钢件的长度方向传播，当其遇到缺陷时产生回波，回波信号被又被检测传感器收发装置接收，再经过转换开关与示波器，即得到回波信号的波形图；
5）从回波信号的波形图中确认缺陷的回波信号峰值与激励信号峰值的时间差，根据x=1/2×回波信号峰值时间差×导波的群速度的公式计算出角钢件长度方向的缺陷位置x。
2.根据权利要求1所述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其特征是，激励频率取在60KHZ-200KHZ的范围内。
3.根据权利要求1所述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其特征是，数个检测传感器传感器通过专用夹具分别均匀排列在角钢件“L”形两边板的端面上。
4.根据权利要求1所述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其特征是，检测传感器为压电传感器，所述压电传感器型式为直探头型或斜探头型或可变角探头型。
5.根据权利要求1所述的利用超声导波检测角钢件缺陷的方法，其特征是，所述检测传感器与角钢件表面的耦合方式为干耦合或耦合剂耦合。
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