CN103207237A - 一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法 - Google Patents

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高书苑
严有琪
王匀
杨川
黄�俊
郭子青
李文斌
李小凤
罗春
郭镇宁
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Abstract

本发明公开了一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，该方法是利用焊缝的形状和材料属性使导波沿着焊缝传播，其能量集中于焊缝及其周围区域，形成特殊的波形模态——焊缝特征导波；在焊缝一端激励一定模态的焊缝特征导波，通过观测回波信号可以实现对焊缝缺陷的检测。本发明专利利用焊缝特征导波主要沿焊缝传播、能量耗散少、频散小的优点，可实现长距离对接焊缝的快速无损检测，具有检测效率高，成本低的优点。

Description

一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法
技术领域
本发明涉及一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，属于无损检测领域。
背景技术
焊接是许多大型构件的关键连接技术，焊缝处会出现裂纹、未溶合、气孔、咬边等缺陷，按我国现行法规标准和通用做法，在机械设备制造过程中，对于焊接后形成的对接焊缝一般需要进行超声或射线检测，以保障产品质量。
传统的超声检测技术为逐点扫查法，不仅费时费力，而且存在一定的盲区。射线技术广泛用于压力容器焊缝的检测，但是检测准备时间长，危险性大，检测成本高。此外，以上两种方法只能实现离线检测，检测过程包括停工、倒空、清洗、除锈(甚至拆保温)以及检测等工序，存在费用高、检测时间长等不足。
超声导波检测是近年来发展起来无损检测新方法，一次扫描内即可测量整个厚度范围内包括内部和表面的所有缺陷，并且可同时实现缺陷定位与尺度检测，在很多大型长输结构如管道、铁轨等得到了广泛的应用。
由于超声波在横截面不变的窄长结构中传播会形成超声导波，而当超声导波沿着焊缝长度方向传播时，能量主要集中在焊缝中，可以形成特定的导波模态——焊缝特征导波，利用这一特性其可以应用于焊缝的无损检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，该方法利用焊缝的材料和形状属性，在焊缝及其周围的热影响区形成能量集中于焊缝的焊缝特征导波；焊缝特征导波可以使用低频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可以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；其特征在于，该方法是按以下步骤进行检测的：
步骤一：确定检测的波形模态，根据母材和焊缝的几何尺寸和材料属性计算并绘制焊缝特征导波单一模态群速度-频率曲线图，选取50KHz～200KHz频率范围内的频率点f作为检测频率值；
步骤二：在焊缝一端安装焊缝特征导波激励接收传感器，将其垂直正对耦合于焊缝表面；
步骤三：采用汉宁窗或高斯窗调制的正弦波信号作为激励信号，正弦波信号的中心频率为f，由激励接收传感器正对焊缝发射激励信号，并且等待接收回波信号；
步骤四：对激励接收传感器接收到的回波信号进行预处理，滤除噪声干扰，获得与缺陷回波对应的有用信息；
步骤五：对预处理后的信号进行模态分解，提取缺陷回波信号，计算缺陷回波信号的到达时间、幅值、能量等特征参数值，进行焊缝缺陷的定位、定量检测及定性分析。
所述焊缝特征导波激励接收传感器激励切向模态焊缝特征导波时必须使传感器压紧在焊缝上，使传感器实现干耦合，也可以通过粘性耦合剂耦合；激励纵向模态焊缝特征导波时，可以采用耦合剂耦合或者干耦合于焊缝一端端面。
当被检测焊缝的长度远小于母材的横向两侧边界长度时，如果使用低频剪切波探头检测焊缝缺陷，由于边界回波接收到的时间迟于端面回波，根据第一次端面回波前接收到的波形来判断缺陷位置。
当被检测焊缝的长度大于母材的横向两侧边界长度时，可以使用接收方向指向性较好的斜探头实现焊缝特征导波的激励和接收，以减小母材横向边界回波的影响。
为增加激励信号能量，可以同时激励沿焊缝排布的多个传感器，此时传感器之间的距离须远小于该激励频率下的焊缝特征导波的波长。
本发明的技术效果
1)对于焊缝缺陷检测，导波检测能一次性检测较大范围和较长距离，方便快捷；
2)能一次性检测焊缝内外表面和焊缝内部的缺陷，检测效率高；
3)能实现在线检测，大大降低检测成本，提高生产效率。
附图说明
图1本发明的检测方法流程图
图2剪切模态焊缝特征导波群速度频散曲线图
图3利用低频横波直探头进行缺陷检测所得的回波信号(6mm厚板焊缝)
图4利用低频横波斜探头进行缺陷检测所得的回波信号(6mm厚板焊缝)
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，对本发明提出的一种对接焊缝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。
实施例1
根据图1、2和3，由两块材料为Q235、尺寸为500mm×700mm×6mm的钢板对接焊而成，对接焊缝长500mm，使用横波直探头作为回波信号接收器，步骤和结果如下：
1)根据焊缝和母材的尺寸和材料属性计算绘制焊缝中的零阶切向模态焊缝特征导波50KHz-200KHz群速度-频率曲线图如图2所示，由于零阶切向模态焊缝频散小，相同频率下能量最集中于焊缝中，而低频段导波能保证传播距离，所以选取低频段，零阶切向模态焊缝特征导波作为检测波；
2)从群速度频散曲线中取100KHz作为检测频率，知其波速v＝3550km/s，并在焊缝一端布置剪切波探头，并用压紧装置压紧，以实现刚性耦合；
3)激励100KHz、5周期汉宁窗调制的正弦波信号；
4)利用横波直探头接收回波信号，如图3所示，对回波信号进行预处理，滤除噪声干扰，获得与缺陷回波对应的有用信息；
5)对预处理后的信号进行模态分解，提取缺陷回波信号，计算缺陷回波信号的到达时间、幅值、能量等特征参数值，进行焊缝缺陷的定位、定量检测及定性分析。
实施例2
根据图1、2和3，由两块材料为Q235、尺寸为500mm×700mm×6mm的钢板对接焊而成，对接焊缝长500mm，使用横波直探头作为回波信号接收器，步骤和结果如下：
1)根据焊缝和母材的尺寸和材料属性计算绘制焊缝中的零阶切向模态焊缝特征导波50KHz-200KHz群速度-频率曲线图如图2所示，由于零阶切向模态焊缝频散小，相同频率下能量最集中于焊缝中，而低频段导波能保证传播距离，所以选取低频段，零阶切向模态焊缝特征导波作为检测波；
2)从群速度频散曲线中取100KHz作为检测频率，知其波速v＝3550km/s，并在焊缝一端布置单向斜探头，以避免钢板的横向边界反射波的影响；
3)激励100KHz、5周期汉宁窗调制的正弦波信号；
4)利用斜探头接收的回波信号，如图4所示，对回波信号进行预处理，滤除噪声干扰，获得与缺陷回波对应的有用信息；
5)对预处理后的信号进行模态分解，提取缺陷回波信号，计算缺陷回波信号的到达时间、幅值、能量等特征参数值，进行焊缝缺陷的定位、定量检测及定性分析。

Claims (5)

1.一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，该方法利用焊缝的材料和形状属性，在焊缝及其周围的热影响区形成能量集中于焊缝的焊缝特征导波；焊缝特征导波可以使用低频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可以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；其特征在于，该方法是按以下步骤进行检测的：
步骤一：确定检测的波形模态，根据母材和焊缝的几何尺寸和材料属性计算并绘制焊缝特征导波单一模态群速度-频率曲线图，选取50KHz～200KHz频率范围内的频率点f作为检测频率值；
步骤二：在焊缝一端安装焊缝特征导波激励接收传感器，将其垂直正对耦合于焊缝表面；
步骤三：采用汉宁窗或高斯窗调制的正弦波信号作为激励信号，正弦波信号的中心频率为f，由激励接收传感器正对焊缝发射激励信号，并且等待接收回波信号；
步骤四：对激励接收传感器接收到的回波信号进行预处理，滤除噪声干扰，获得与缺陷回波对应的有用信息；
步骤五：对预处理后的信号进行模态分解，提取缺陷回波信号，计算缺陷回波信号的到达时间、幅值、能量等特征参数值，进行焊缝缺陷的定位、定量检测及定性分析。
2.根据权利要求1所述的一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：焊缝特征导波激励接收传感器激励切向模态焊缝特征导波时必须使传感器压紧在焊缝上，使传感器实现干耦合，也可以通过粘性耦合剂耦合；激励纵向模态焊缝特征导波时，可以采用耦合剂耦合或者干耦合于焊缝一端端面。
3.根据权利要求1所述的一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：当被检测焊缝的长度远小于母材的横向两侧边界长度时，如果使用低频剪切波探头检测焊缝缺陷，由于边界回波接收到的时间迟于端面回波，根据第一次端面回波前接收到的波形来判断缺陷位置。
4.根据权利要求1所述的一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：当被检测焊缝的长度大于母材的横向两侧边界长度时，可以使用接收方向指向性较好的斜探头实现焊缝特征导波的激励和接收，以减小母材横向边界回波的影响。
5.根据权利要求1所述的一种对接焊缝的焊缝特征导波检测方法，其特征在于：为增加激励信号能量，可以同时激励沿焊缝排布的多个传感器，此时传感器之间的距离须远小于该激励频率下的焊缝特征导波的波长。
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