CN103175898B - 一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用焊缝特征导波对焊缝中平均晶粒尺寸进行无损检测的方法，属于无损检测领域。该方法是沿着焊缝依次布置三个传感器探头，三个探头相距一定的距离；函数发生器生成单音频信号，经过功率放大模块与激励传感器，在焊缝中激励出焊缝特征导波，第二个和第三个探头为接收传感器，分别接收第一个探头激励出的导波信号并将其传至示波器；确定两个接收探头的幅值并计算导波信号的衰减系数；通过计算衰减系数的高低便可判断焊缝中平均晶粒尺寸的大小。本发明专利具有不破坏焊缝便能实现对焊缝平均晶粒尺寸的检测，具有效率高、成本低等优点。

Description

一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法

技术领域

本发明涉及一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，利用焊缝特征导波对拼焊板焊缝或大型压力容器等特种设备焊缝中平均晶粒的大小进行无损检测与表征的方法，属于无损检测领域。

背景技术

大多数多晶材料的力学性能，如强度和韧性都与晶粒大小有关，焊缝区域是许多大型构件的关键连接部位，对力学性能的要求高，所以检测焊缝处的平均晶粒大小对材料的安全性判定至关重要。

目前，对材料晶粒尺寸的测定，主要采用传统的金相法，即在显微镜下直接观察，而对于使用传统的金相法，无法对设备、大型结构件的焊缝直接观察检测，如果取样检测会对被检测焊缝造成损坏。由于材料中晶粒会引起应力波的散射，从而影响超声波在材料中的衰减系数，所以利用这一原理的超声检测技术同样具有测定材料平均晶粒度的能力，如通常应用背散射法来无损确定晶粒的尺寸。但是采用背散射法来无损确定晶粒的尺寸，只能检测焊缝局部的晶粒度，不能一次性检测长距离的焊缝。

超声波在横截面不变的窄长结构中传播会形成超声导波，而焊缝满足超声导波产生的条件，所以超声导波能够沿着焊缝长度方向传播而成为焊缝特征导波，并能够传播较长的距离，焊缝晶粒的大小同样影响焊缝特征导波的衰减度，利用这一特性可以对长距离焊缝的平均晶粒大小进行检测。

目前国内外尚未见利用焊缝特征导波检测焊缝中平均晶粒大小的相关报道。

发明内容

本发明的目的是利用焊缝特征导波无损检测拼焊板焊缝或压力容器焊缝中平均晶粒的大小，该方法不破坏焊缝便能实现对焊缝平均晶粒尺寸的检测，具有效率高，成本低，检测范围大等优点。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提出的一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，按以下步骤进行检测的：

步骤一、选择合适的检测位置，沿着焊缝(1)的方向依次布置超声波探头1、超声波探头2和超声波探头3，三个探头垂直耦合于焊缝一侧的表面，超声波探头1作为激励传感器(2)，超声波探头2作为接收传感器(3-1)，超声波探头3作为接收传感器(3-2)，激励传感器与接收传感器是相同的传感器，超声波探头2和超声波探头3之间的间距即确定为需要检测的焊缝平均晶粒大小的焊缝长度范围；

步骤二、根据检测焊缝的长度范围以及焊缝特征导波模态的频散性，选择在50～250KHz的范围内频散小的单一检测频率；

步骤三、将所选择检测频率输入任意函数发生器(4)，任意函数发生器生成的中心频率为所选择检测频率的单音频信号，经过功率放大器(5)放大其激励电压，并传输至激励传感器(2)，在焊缝中激励纵向或者切向模态的焊缝特征导波；焊缝特征导波沿着焊缝方向传播，由两个接收传感器(3-1、3-2)依次接收焊缝特征导波信号，并将接收到的信号显示在示波器(6)上，通过示波器显示的波形信号确定两个接收传感器接收到的最高波幅分别为A₁与A₂；

步骤四、根据接收到的导波信号的幅值A₁与A₂，由公式计算基于焊缝特征导波的由于晶粒引起声波散射衰减的衰减系数Att，不同的衰减系数值表示不同的平均晶粒度；

步骤五、针对每种材料，分别制取具有不同晶粒大小的试样，其中晶粒大小的控制根据不同热处理条件获得，试样尺寸相同，对每批试样做实验，拟合出特定材料衰减系数与晶粒大小的关系曲线，对比关系曲线，获得被检测焊缝区域的平均晶粒的大小。

所述的焊缝特征导波，可以使用剪切波探头激励焊缝及其周边波速较低的切向模态焊缝特征导波，也可以使用纵波直探头或斜探头激励焊缝及其周边波速较高的纵向焊缝特征导波；选择特定的激励频率使焊缝中的焊缝特征导波能量集中在被检测的焊缝区域，减少能量耗散，从而使焊缝中的焊缝特征导波能实现远距离传播。

本发明的技术效果

与传统方法相比，本发明所述一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，具有以下优点：

1)该方法对焊缝的晶粒度实现了无损检测，与传统金相法相比，不需要对检测焊缝材料进行取样观测其晶粒大小，不会损坏焊缝。

2)检测范围大，能够一次能够检测长距离焊缝的平均晶粒度，效率较高且检测范围灵活可调。

3)能够实时在线检测，可以对焊接结构件热处理前后或者运行前后的焊缝晶粒大小进行实时在线检测。

附图说明

图1检测装置原理图

图2检测方法流程示意图

图3特定材料的焊缝晶粒大小与衰减系数关系曲线图

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施例和附图1、图2和图3，对本发明提出的一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法作进一步详述，所举实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1、图2和图3所示，对接焊缝长500mm，其中，焊缝由两块500mm*700mm*6mm碳钢钢板对接而成，母材为Q235，针对该焊缝的平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法如下：

1)选择合适的检测位置，沿着焊缝(1)的方向依次布置三个超声剪切波探头，超声剪切波探头1、超声剪切波探头2和超声剪切波探头3，三个探头垂直耦合于焊缝一侧的表面(如图1)，超声剪切波探头1作为激励传感器(2)，超声剪切波探头2作为接收传感器(3-1)，超声剪切波探头3作为接收传感器(3-2)，激励传感器与接收传感器是相同的传感器，超声剪切波探头2和超声波探头3之间的间距为0.25m，即确定为需要检测的焊缝平均晶粒大小的焊缝长度范围；

2)根据检测焊缝的长度范围以及焊缝特征导波模态的频散性，在激励频率为100KHZ时，此时激励出来的焊缝特征导波模态只有一种，且其频散少，频散性较好；

3)将所选择检测频率输入任意函数发生器(4)，任意函数发生器生成中心频率为100KHZ检测频率的单音频信号，经过功率放大器(5)放大其激励电压，并传输至激励传感器(2)，在焊缝中激励100KHZ的切向模态的焊缝特征导波；焊缝特征导波沿着焊缝方向传播，依次由两个接收传感器(3)接收焊缝特征导波信号，并将接收到的信号显示在示波器(6)上，通过示波器显示的波形信号确定两个接收传感器接收到的最高波幅分别为A₁＝54.2mV、A₂＝32.1mV；

4)根据接收到的导波信号的幅值A₁与A₂，由公式计算由于晶粒引起焊缝特征导波散射衰减的衰减系数Att：

$\mathrm{Att}=\frac{{-20\lg }_{10}(32.1/54.2)}{2\×0.25}=9.10$

5)通过相同材料几何参数并已知晶粒大小的不同试块拟合出的衰减系数与晶粒大小的关系曲线(如图3所示)，确定该被检测焊缝区域的平均晶粒的大小为95μm。

Claims (3)

1.一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，其特征在于，该方法是按以下步骤进行检测的：

步骤一、选择合适的检测位置，沿着焊缝(1)的方向依次布置超声波探头1、超声波探头2和超声波探头3，三个探头垂直耦合于焊缝一侧的表面，超声波探头1作为激励传感器(2)，超声波探头2作为接收传感器(3-1)，超声波探头3作为接收传感器(3-2)，激励传感器与接收传感器是相同的传感器，超声波探头2和超声波探头3之间的间距即确定为需要检测的焊缝平均晶粒大小的焊缝长度范围；

步骤二、根据检测焊缝的长度范围以及焊缝特征导波模态的频散性，选择在50～250KHz的范围内频散小的单一检测频率；

步骤三、将所选择检测频率输入任意函数发生器(4)，任意函数发生器生成的中心频率为所选择检测频率的单音频信号，经过功率放大器(5)放大其激励电压，并传输至激励传感器(2)，在焊缝中激励纵向或者切向模态的焊缝特征导波；焊缝特征导波沿着焊缝方向传播，由两个接收传感器(3-1、3-2)依次接收焊缝特征导波信号，并将接收到的信号显示在示波器(6)上，通过示波器显示的波形信号确定两个接收传感器接收到的最高波幅分别为A₁与A₂；

步骤四、根据接收到的导波信号的幅值A₁与A₂，由公式计算由于晶粒引起焊缝特征导波散射衰减的衰减系数Att，不同的衰减系数值表示不同的平均晶粒度；

步骤五、针对每种材料，分别制取具有不同晶粒大小的试样，其中晶粒大小的控制根据不同热处理条件获得，试样尺寸相同，对每批试样做实验，拟合出特定材料衰减系数与晶粒大小的关系曲线，对比关系曲线，获得被检测焊缝区域的平均晶粒的大小。

2.根据权利要求1所述的一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：焊缝特征导波可以使用剪切波探头激励焊缝及其周边波速较低的切向模态焊缝特征导波，也可以使用纵波直探头或斜探头激励焊缝及其周边波速较高的纵向焊缝特征导波，选择特定的激励频率使焊缝中的焊缝特征导波能量集中在被检测的焊缝区域，减少能量耗散，从而使焊缝中的焊缝特征导波能实现远距离传播。

3.根据权利要求1所述的一种焊缝平均晶粒尺寸的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：该检测方法可以用于拼焊板焊缝平均晶粒大小的无损检测，也可以用于压力容器曲线焊缝的平均晶粒大小的无损检测。