CN103323528B - 一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，通过焊缝结构参数、探头移动路径和扫查参数、以及检测标准要求的灵敏度水平，结合由超声检测回波幅值计算模型、仪器修正系数和动态范围系数构成的灵敏度余量计算公式，计算出基本覆盖区域和主声线附近区域等评判区域的灵敏度余量分布，进而以检测标准所规定的检测灵敏度余量为依据来判定焊缝的有效覆盖区域。本发明基于超声检测回波计算和图形化显示，直观地给出所设计检测工艺的有效声场覆盖范围，从而代替传统的以声线为基础的覆盖分析方法，为检测工艺设计提供定量化的技术指标，从而保证检测结果可靠性、适用于相控阵超声检测、复杂结构和材质工件检测等复杂情况。

Description

一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波检测焊缝有效覆盖区域的计算方法，尤其适合接头型式复杂、探伤面有台阶、坡度，以及探头移动范围受限制的一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法。

背景技术

利用超声波检测控制零部件或结构的焊接质量，已成为当今工业无损检测最为常用的手段。在优化焊缝超声波检测工艺时，设计超声波束对被检焊缝的覆盖面达最大化是重要的技术指标；兼顾检测效率的同时，该指标涉及接头型式、焊缝厚度、坡口形状，还涉及探伤面的数量及其有无台阶、坡度和探头可移动的范围等。然而，超声波束对焊缝区域的最大覆盖，仅仅是检测有效性的基本条件，覆盖区域能满足超声检测标准规定的灵敏度时，即对有效覆盖面进行检测时，超声检测的有效性才能保证。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种基于超声检测回波计算和图形化显示，能够直观地给出所设计检测工艺的有效声场覆盖范围，从而代替传统的以声线为基础的覆盖分析方法，为检测工艺设计提供定量化的技术指标，从而保证检测结果可靠性的一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，包括如下步骤：

步骤1、获取被检焊缝结构参数，并绘制出二维焊缝几何形状剖面图；

步骤2、根据工件几何形状及检测等级要求，选择检测扫查面，并确定探头的可移动范围起点S和终点E，确定原则是探头主声线达到目标区域边界，或者是由于台阶等结构限制导致的探头移动终止点；

步骤3、根据被检区域厚度，以及所遵循的检测标准，选择灵敏度水平；

步骤4、根据所选扫查面上探头在焊缝两侧的可移动路径线和对应的探头主声线，能够确定的基本覆盖区域，记录为C_base，

步骤5、计算最大声程处灵敏度余量并据此确定基本覆盖区域C_base；

步骤6、确定基本覆盖区域C_base以外且靠近主声线的区域。

在上述的一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，所述的步骤5计算最大声程处灵敏度余量包括以下子步骤：

步骤5.1、根据超声检测回波计算公式计算特定探头位置下，位于最大声程处的缺陷回波A，其计算原理是分别将探头和缺陷离散化，单独计算每个探头点源的发射声场与缺陷离散点的散射作用，最后将所有探头离散点和缺陷离散点的散射回波叠加，得到当前探头位置下缺陷回波，其计算公式为

$A(r,t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫\∫}_D{\∫\∫}_T\frac{\mathrm{DF}\·\mathrm{Sc}\·v_n(r_T,t-\mathrm{\Δt})}{2\mathrm{\π}}\mathrm{dS}\left(r_D\right)\mathrm{dS}\left(r_T\right)$

式中：A(r,t)表示探头接收到的回波波幅；v_n为探头表面振动速度；DF表示从探头离散点到缺陷缺陷离散点，再由缺陷离散点回到探头离散点所经历的传播衰减；Sc为用于描述声场与缺陷离散点相互作用的散射系数；Δt表示传播时间；T表示探头面积求积分，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；D不表示对缺陷面求积分，dS(r_D)表示缺陷离散单元面积；

步骤5.2、根据步骤5.1计算得到的最大声程处基准回波的最大幅值A_max计算仪器所记录的真实波幅高度Ar，计算公式为

A_r=A_max*10^B/20

式中B为与所选仪器相关的超声计算模型修正系数，用于修正所选仪器带来的计算差异，B值通过相同参数下的超声模型计算值与超声检测实验值对比计算得到；

步骤5.3、根据步骤5.2中得到的真实波高Ar计算并判断其灵敏度余量是否达到标准要求,当调整回波波幅到达50%时，在所选择的标准要求下，灵敏度余量Δ的计算公式为

Δ=C-[20lg(0.5/A_r)-D]

式中C表示所用仪器可以提供的最大动态范围，由仪器指标给出；D表示检测标准要求的灵敏度水平，所述灵敏度水平为步骤3所选择的灵敏度水平；

步骤5.4、依据步骤5.3计算得到灵敏度余量Δ与检测标准规定值的对比，即可判断最大声程处的声束是否为有效覆盖。

在上述的一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，所述步骤5.4中，还包括一下判断步骤：

当判断为有效覆盖时，则由S4所述基本覆盖区域全部属于有效覆盖，并定义该区域为C_zone1；

当灵敏度余量Δ达不到标准要求，即基本覆盖区域并不是完全有效覆盖时，则将步骤5所述最大声程点到探头发射点构成的主声线行以1mm为步进划分，获不同声程范围点，利用步骤5所述灵敏度余量计算方法，算出主声线上不同声程所对应的灵敏度余量Δ，利用步骤5.4所述灵敏度余量与检测标准规定值的对比，找到满足检测标准的最大声程点，即为最大有效覆盖声程，确定有效覆盖范围，并定义该区域为C_zone1。

在上述的一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，所述步骤6，对于基本覆盖区域以外的距离主声线较近的区域，由于声束具有一定的宽度，仍然有部分区域可以得到检测灵敏度要求，其确定方法为：

步骤6.1、通过焊缝中心线，找到其与探头主声线交点，在主声线附件区域，沿焊缝中心线设置基准孔，基准孔位置从焊缝表面至焊缝中心线与主声线交点位置以1mm为步进设置；

步骤6.2、利用根据步骤5所述灵敏度余量计算方法，计算步骤6.1所设置的不同位置基准孔波幅及相应的灵敏度余量，通过与标准规定值对比得到满足灵敏度要求的临界点L；

步骤6.3、连接探头移动终点E和临界点L，构成直线LE，与主声线共同确定第二块有效覆盖范围，定义该区域为C_zone2；

步骤6.4、通过步骤5.4和步骤6.3分别得到两个覆盖范围C_zone1和C_zone2，共同构成所设计检测布局的有效覆盖区域。

因此，本发明具有如下优点：基于超声检测回波计算和图形化显示，直观地给出所设计检测工艺的有效声场覆盖范围，从而代替传统的以声线为基础的覆盖分析方法，为检测工艺设计提供定量化的技术指标，从而保证检测结果可靠性。本发明的可应用于相控阵超声检测、复杂结构和材质工件检测等复杂情况。

附图说明

附图1是本发明实施例所涉及的焊缝结构示意图。

附图2是本发明实施例所涉及的基本覆盖区域示意图。

附图3是本发明实施例所涉及的孔深与灵敏度余量关系曲线。

附图4是本发明实施例所涉及的有效覆盖区域示意图。

附图5是本发明实施例所涉及的计算流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一、首先，介绍一下本发明所涉及的具体方法，包括如下步骤：

步骤1、获取被检焊缝结构参数，利用绘图软件绘制出二维焊缝几何形状剖面图；

步骤2、根据工件几何形状及检测等级要求，选择检测扫查面，并确定探头的可移动范围起点S和终点E，确定原则是探头主声线达到目标区域边界，或者是由于台阶等结构限制导致的探头移动终止点；

步骤3、根据被检区域厚度，以及所遵循的检测标准，选择灵敏度水平；

步骤4、根据所选扫查面上探头在焊缝两侧的可移动路径线和对应的探头主声线，能够确定的基本覆盖区域，记录为C_base，

步骤5、计算最大声程处灵敏度余量并据此确定基本覆盖区域C_base；包括以下子步骤：

步骤5.1、根据超声检测回波计算公式计算特定探头位置下，位于最大声程处的缺陷回波A，其计算原理是分别将探头和缺陷离散化，单独计算每个探头点源的发射声场与缺陷离散点的散射作用，最后将所有探头离散点和缺陷离散点的散射回波叠加，得到当前探头位置下缺陷回波，其计算公式为

$A(r,t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫\∫}_D{\∫\∫}_T\frac{\mathrm{DF}\·\mathrm{Sc}\·v_n(r_T,t-\mathrm{\Δt})}{2\mathrm{\π}}\mathrm{dS}\left(r_D\right)\mathrm{dS}\left(r_T\right)$

式中：A(r,t)表示探头接收到的回波波幅；v_n为探头表面振动速度；DF表示从探头离散点到缺陷缺陷离散点，再由缺陷离散点回到探头离散点所经历的传播衰减；Sc为用于描述声场与缺陷离散点相互作用的散射系数；Δt表示传播时间；T表示探头面积求积分，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；D不表示对缺陷面求积分，dS(r_D)表示缺陷离散单元面积；

步骤5.2、根据步骤5.1计算得到的最大声程处基准回波的最大幅值A_max计算仪器所记录的真实波幅高度Ar，计算公式为

A_r=A_max*10^B/20

式中B为与所选仪器相关的超声计算模型修正系数，用于修正所选仪器带来的计算差异，B值通过相同参数下的超声模型计算值与超声检测实验值对比计算得到；

步骤5.3、根据步骤5.2中得到的真实波高Ar计算并判断其灵敏度余量是否达到标准要求,当调整回波波幅到达50%时，在所选择的标准要求下，灵敏度余量Δ的计算公式为

Δ=C-[20lg(0.5/A_r)-D]

式中C表示所用仪器可以提供的最大动态范围，由仪器指标给出；D表示检测标准要求的灵敏度水平，所述灵敏度水平为步骤3所选择的灵敏度水平；

步骤5.4、依据步骤5.3计算得到灵敏度余量Δ与检测标准规定值的对比，即可判断最大声程处的声束是否为有效覆盖，本步骤还包括一下判断步骤：

当判断为有效覆盖时，则由S4所述基本覆盖区域全部属于有效覆盖，并定义该区域为C_zone1；

当灵敏度余量Δ达不到标准要求，即基本覆盖区域并不是完全有效覆盖时，则将步骤5所述最大声程点到探头发射点构成的主声线行以1mm为步进划分，获不同声程范围点，利用步骤5所述灵敏度余量计算方法，算出主声线上不同声程所对应的灵敏度余量Δ，利用步骤5.4所述灵敏度余量与检测标准规定值的对比，找到满足检测标准的最大声程点，即为最大有效覆盖声程，确定有效覆盖范围，并定义该区域为C_zone1。

步骤6、确定基本覆盖区域C_base以外且靠近主声线的区域，本步骤中，对于基本覆盖区域以外的距离主声线较近的区域，由于声束具有一定的宽度，仍然有部分区域可以得到检测灵敏度要求，其确定方法为：

步骤6.1、通过焊缝中心线，找到其与探头主声线交点，在主声线附件区域，沿焊缝中心线设置基准孔，基准孔位置从焊缝表面至焊缝中心线与主声线交点位置以1mm为步进设置；

步骤6.2、利用根据步骤5所述灵敏度余量计算方法，计算步骤6.1所设置的不同位置基准孔波幅及相应的灵敏度余量，通过与标准规定值对比得到满足灵敏度要求的临界点L；

步骤6.3、连接探头移动终点E和临界点L，构成直线LE，与主声线共同确定第二块有效覆盖范围，定义该区域为C_zone2；

步骤6.4、通过步骤5.4和步骤6.3分别得到两个覆盖范围C_zone1和C_zone2，共同构成所设计检测布局的有效覆盖区域。

二、下面介绍一下采用上述方法所进行的具体实施例：

厚度45mm的碳钢板对接焊缝，焊缝结构如附图1所示，在焊缝附件有8mm左右的台阶，会导致探头移动范围受限。要求按照JB/T4730.3-2009承压设备无损检测第3部分：超声检测标准，进行B级检测。根据标准要求，可选择K1.5横波探头在焊接接头单面双侧进行检测，检测灵敏度评定线水平为Ф1*6-9dB。下面根据本方法对其声束覆盖的有效性进行计算和评价。

首先，根据焊缝结构确定探头移动范围。选择选用的探头晶片尺寸为13*13mm，探头前沿为12.05mm，中心频率为2.5MHz，纵波声速为5900m/s，横波声速为3280m/s。如图2所示，在焊缝左侧，探头入射点距离焊缝边缘52.64mm，主声线可以覆盖焊缝根部，记录该点为探头起始点S，由于台阶的限制，探头移动在接触台阶后终止，此时探头入射点距离焊缝边缘21.69mm，记录该点为探头终止点E；在焊缝右侧采用同样分析方法，可以由扫查线、主声线构成基本覆盖区域C_base,如图2中阴影部分所示。

其次，计算最大声程处灵敏度余量并据此评价基本覆盖区域。通过超声实验测定值和理论计算值对比确定所选仪器修正系数B=12.5dB，动态范围C=80dB，灵敏度评定线D=-9dB，根据超声计算模型及相关转换，计算得到最大声程处灵敏度余量40dB，远大于JB/T4730.3-2009标准所规定的最大声程处灵敏度余量不小于10dB的要求。因此整个基本覆盖区域C_base均为有效区域，记录为C_zone1。

然后，评价基本覆盖区域C_base以外且靠近主声线的区域。当探头位于终止点E点时，通过在焊缝中心线设置不同深度的Ф1*6基准孔，引用灵敏度余量计算方法得到孔深与灵敏度余量关系曲线如图3所示，可以看到灵敏度余量随着孔深增加而增加，当基准孔距离焊缝表面深度为11.92`mm时，灵敏度余量约为10dB，记录该位置点为L，连接直线EL，与主声线构成有效覆盖区域C_zone2，如图4所示，则该检测布局下，所得到的有效覆盖区域为C_zone1+C_zone2区域。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种复杂结构焊缝超声检测有效覆盖区域检测方法，包括如下步骤：

步骤1、获取被检焊缝结构参数，并绘制出二维焊缝几何形状剖面图；

步骤2、根据工件几何形状及检测等级要求，选择检测扫查面，并确定探头的可移动范围起点S和终点E，确定原则是探头主声线达到目标区域边界，或者是由于台阶等结构限制导致的探头移动终止点；

步骤3、根据被检区域厚度，以及所遵循的检测标准，选择灵敏度水平；

步骤4、根据所选扫查面上探头在焊缝两侧的可移动路径线和对应的探头主声线，能够确定的基本覆盖区域，记录为C_base；

步骤5、计算最大声程处灵敏度余量并据此确定基本覆盖区域C_base；

步骤6、确定基本覆盖区域C_base以外且靠近主声线的区域；

所述的步骤5计算最大声程处灵敏度余量包括以下子步骤：

步骤5.1、根据超声检测回波计算公式计算特定探头位置下，位于最大声程处的缺陷回波A，其计算原理是分别将探头和缺陷离散化，单独计算每个探头点源的发射声场与缺陷离散点的散射作用，最后将所有探头离散点和缺陷离散点的散射回波叠加，得到当前探头位置下缺陷回波，其计算公式为

式中：A(r,t)表示探头接收到的回波波幅；v_n为探头表面振动速度；DF表示从探头离散点到缺陷离散点，再由缺陷离散点回到探头离散点所经历的传播衰减；Sc为用于描述声场与缺陷离散点相互作用的散射系数；Δt表示传播时间；T表示探头面积求积分，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；D表示对缺陷面求积分，dS(r_D)表示缺陷离散单元面积；

步骤5.2、根据步骤5.1计算得到的最大声程处基准回波的最大幅值A_max计算仪器所记录的真实波幅高度Ar，计算公式为

A_r＝A_max*10^B/20

式中B为与所选仪器相关的超声计算模型修正系数，用于修正所选仪器带来的计算差异，B值通过相同参数下的超声模型计算值与超声检测实验值对比计算得到；

步骤5.3、根据步骤5.2中得到的真实波幅高度Ar计算并判断其灵敏度余量是否达到标准要求,当调整回波波幅到达50％时，在所选择的标准要求下，灵敏度余量Δ的计算公式为

Δ＝C-[20lg(0.5/A_r)-D₀] 

式中C表示所用仪器可以提供的最大动态范围，由仪器指标给出；D₀表示检测标准要求的灵敏度水平，所述灵敏度水平为步骤3所选择的灵敏度水平；

步骤5.4、依据步骤5.3计算得到灵敏度余量Δ与检测标准规定值的 对比，即可判断最大声程处的声束是否为有效覆盖；

所述步骤5.4中，还包括以下判断步骤：

当判断为有效覆盖时，则由步骤4所述基本覆盖区域全部属于有效覆盖，并定义该区域为C_zone1；

当灵敏度余量Δ达不到标准要求，即基本覆盖区域并不是完全有效覆盖时，则将步骤5所述最大声程处到探头发射点构成的主声线行以1mm为步进划分，获不同声程范围点，利用步骤5所述灵敏度余量计算方法，算出主声线上不同声程所对应的灵敏度余量Δ，利用步骤5.4所述灵敏度余量与检测标准规定值的对比，找到满足检测标准的最大声程处，即为最大有效覆盖声程，确定有效覆盖范围，并定义该区域为C_zone1；

所述步骤6，对于基本覆盖区域以外的距离主声线较近的区域，由于声束具有一定的宽度，仍然有部分区域可以得到检测灵敏度要求，其确定方法为：

步骤6.1、通过焊缝中心线，找到其与探头主声线交点，在主声线附近区域，沿焊缝中心线设置基准孔，基准孔位置从焊缝表面至焊缝中心线与主声线交点位置以1mm为步进设置；

步骤6.2、利用根据步骤5所述灵敏度余量计算方法，计算步骤6.1所设置的不同位置基准孔波幅及相应的灵敏度余量，通过与标准规定值对比得到满足灵敏度要求的临界点L；

步骤6.3、连接探头移动终点E和临界点L，构成直线LE，与主声 线共同确定第二块有效覆盖范围，定义该区域为C_zone2；

步骤6.4、通过步骤5.4和步骤6.3分别得到两个覆盖范围C_zone1和C_zone2，共同构成所设计检测布局的有效覆盖区域。