CN103336054A

CN103336054A - 基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法

Info

Publication number: CN103336054A
Application number: CN2013102178945A
Authority: CN
Inventors: 吴斌; 崔辰悦; 张也弛; 何存富; 李杨; 郑阳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: CN103336054B

Abstract

本发明具体涉及一种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法，属于超声导波无损检测领域。本发明的激励源加载在焊缝端部，将两个压电片对称贴在板的上下表面进行激励，产生沿焊缝传播的焊缝导波模态能量高、衰减慢，可以解决长距离检测问题。其检测系统如图所示，由函数发生器（1）、功率放大器（2）、压电片（3）、斜入射式压电超声传感器（4）、示波器（5）和计算机（6）组成。利用该系统进行检测，超声Lamb波遇到焊缝上的缺陷会产生缺陷回波，由激励波形与接收的缺陷回波波形的时间差以及焊缝超声导波模态的群速度，可以求得缺陷距离激励源的距离，从而实现对接焊缝缺陷的有效定位。

Description

基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法

技术领域

本发明属于超声导波无损检测领域，具体涉及一种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，作为机械制造重要手段之一的焊接技术，已被广泛应用于制造业的各个部门，例如机械工业、核工业及航天航空等领域。特别指出，焊接在承压类特种设备的制造和使用中占有非常重要的地位，例如，在压力容器的制造中，焊接的工作量占整个工作量的30%以上，其中，对接焊缝是压力容器底板中幅板的主要组成部分。作为重要联接部位，对接焊缝的质量好坏对承压类特种设备产品的使用安全可靠性有直接影响。对接焊缝机械性能的改变会降低设备的承载能力，有可能造成重大的人员伤亡事故和巨大的经济损失。

在无损检测领域，主要利用漏磁检测、涡流检测、射线检测、声发射检测和超声检测等方法检测焊缝。漏磁和涡流检测可直接观察，利于判断，但只容易检测焊缝表面或近表面缺陷，无法检测焊缝内部缺陷；射线检测设备体积庞大，投资大，且对人体有害；声发射检测的背景噪声大，信号难以区分；超声检测采用逐点扫描方式进行检测，费时费力。

超声Lamb波是在薄板中传播的超声导波，具有以下优点：超声Lamb波的接收信号中包含了整个检测范围的信息；沿传播方向衰减小，可进行长距离检测；无辐射，且对人体无害。国内外已有学者运用超声Lamb波检测对接焊缝中的缺陷，但目前大多数学者是利用超声Lamb波垂直焊缝入射后的反射特性、折射特性及衰减特性等对焊缝上的缺陷进行检测，这些方法由于Lamb 波穿越焊缝后致使衰减严重而难以接收到检测信号，检测距离较短，检测能量较低。

发明内容

本发明克服了检测距离短的难题，提出一种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法。本方法在焊缝端部激励产生的焊缝导波模态能量高，衰减慢，可以解决长距离检测问题。

本发明提出的基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法，其基本原理在于：

结合对接焊缝的结构特征和材料属性，利用有限元仿真软件ABAQUS创建仿真几何模型，如图2所示。力载荷加载在焊缝端部，载荷强度随时间的变化规律设定为经汉宁窗调制的正弦波信号。设定输出节点集为垂直于焊缝的直线，输出变量为位移。模型参数如下表：

提取有限元仿真结果，进入云图显示模块观察不同时刻位移场分布情况，如图3所示。超声导波在沿焊缝传播的过程中产生了S0模态，A0模态，泄漏的A0模态，SHO模态和焊缝导波模态，其中焊缝导波模态比S0模态传播的速度稍慢但能量高于S0模态，衰减慢，传播距离远，故该模态非常适于焊缝的检测；提取垂直于焊缝的直线上接收点的幅值，得到有焊缝和无焊缝时的幅值变化图，如图4所示，由于焊缝区域比两边母材厚，使得声波在焊缝中的传播速度比母材慢，因此能量主要集中在焊缝及焊缝附近区域。超声导波模态在沿焊缝传播的过程中能量高，衰减慢，非常适于对焊缝及其附近缺陷进行检测。

提取有限元仿真结果，改变对接焊缝的余高、焊缝宽度和杨氏模量，得出该方法的最佳适用范围。

i）焊缝余高不同时：

①绘制距激励源200mm且垂直于焊缝的B-B线上的接收点幅值分别随焊缝余高变化图，如图5所示；

②根据①中的幅值变化曲线，绘制焊缝余高不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化图，如图6所示。由图可知，对接焊缝余高越大，导波幅值越大，运用超声Lamb波进行检测时对信号的分析识别越有效，检测效果越好；

③绘制C-C线上的接收点幅值分别随焊缝余高变化图，如图7所示，箭头表示焊缝余高由0-3mm增加的方向，间隔为0.5mm。由图可知，随传播距离的增大，导波能量发生不同程度的衰减；

④根据③中的幅值变化曲线，绘制焊缝余高不同时，C-C线上接收点的衰减率，如图8所示。随对接焊缝余高的增加，衰减率不断增长。当焊缝余高超过2.3mm时，其衰减比无焊缝钢板快，不适合利用导波进行检测。因此，焊缝余高值在2.3mm以内时，易于利用Lamb波进行检测；

ii）焊缝宽度不同时：

①绘制B-B线上的接收点幅值分别随焊缝宽度变化图，如图9所示；

②根据①中的幅值变化曲线，绘制焊缝宽度不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化图，如图10所示。由图可知，对接焊缝宽度越大，导波幅值越大，运用超声Lamb波进行检测时对信号的分析识别越有效，检测效果越好；

③绘制C-C线上的接收点幅值分别随焊缝宽度变化图，如图11所示，箭头表示焊缝宽度由4-10mm增加的方向，间隔为1mm。由图可知，随传播距离的增大，导波能量发生不同程度的衰减；

④根据③中的幅值变化曲线，绘制焊缝宽度不同时，C-C线上接收点的衰减率，如图12。随对接焊缝宽度的增加，衰减率几乎保持同一个值不变，说明焊缝宽度变化对检测效果影响很小；

iii）钢板与焊缝的杨氏模量比值不同时：

①绘制B-B线上的接收点幅值分别随杨氏模量比值变化图，如图13所示；

②根据①中的幅值变化曲线，绘制杨氏模量比值不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化图，如图14所示。由图可知，随杨氏模量比值的增加，焊缝中点距激励源200mm处点的幅值在杨氏模量比值小于1时不断减小，大于1时先增大后减小，且比值为1.25时能量最高；

③绘制C-C线上的接收点幅值分别随杨氏模量比值变化图，如图15所示，箭头表示杨氏模量比值增加的方向，分别为0.7,0.8,0.9,1,1.05,1.1,1.15,1.2,1.25,1.3,1.35,1.5,1.7。由图可知，随传播距离的增大，导波能量发生不同程度的衰减；

④根据③中的幅值变化曲线，绘制杨氏模量比值不同时，C-C线上接收点的衰减率，如图16所示。随杨氏模量比值的增加，衰减率先减小后急速增大，且比值为1-1.3时能量衰减最小，适宜利用超声Lamb波进行长距离检测。因此，结合②所得结论，指出钢板与焊缝的杨氏模量比值在1-1.3时，运用超声Lamb波进行检测时对信号的分析识别越有效，检测效果越好。

本发明的技术方案，具体见图1，包括函数发生器、功率放大器、压电片、斜入射式压电超声传感器、示波器和计算机，其中两个压电片对称贴在板的上下表面，并放置在焊缝端部，斜入射式压电超声传感器安装在焊板上，函数发生器作为外部触发，函数发生器的输出端分别连接功率放大器和示波器，其输出端和功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与压电片连接，斜入射式压电超声传感器与示波器连接，计算机和示波器连接。

其中压电片和斜入射式压电超声传感器为发射和接收超声Lamb波的专用传感器。根据待检测板结构的几何及材料性能参数绘制Lamb波入射角与频率的关系曲线，从而选取斜入射式压电超声传感器的入射角度。

本发明所提供的方法为利用上述的检测系统进行对接焊缝缺陷的检测，具体包括如下步骤：

步骤1）：根据待检测板结构的几何及材料性能参数，计算板结构的频散曲线。根据频散曲线中Lamb波的传播特性，选定激励信号的频率；

步骤2）：利用上述所选定的频率作为激励信号的中心频率，由函数发生器产生汉宁窗调制的3-20周期的正弦波信号作为激励信号，分别输入示波器和功率放大器；

步骤3）：两个压电片对称贴在板的上下表面，激励信号经过功率放大器放大施加于压电片上，激励产生超声Lamb波；

步骤4）：超声Lamb波沿对接焊缝传播后，斜入射式压电超声传感器接收到声波信号，此信号接入示波器进行存储，并在计算机上进行后处理；

步骤5）：超声Lamb波遇到焊缝上的缺陷会产生缺陷回波，由激励波形与接收的缺陷回波波形的时间差Δt，以及焊缝超声导波模态的群速度v_g，可以求得缺陷距离激励源的距离，S=Δt×v_g，即对缺陷进行有效定位。

本发明具有以下优点：1）它是一种无损检测的方法，不需要对结构进行任何破坏，即可实现检测与评估；2）采用两个压电片对称贴在板的上下表面进行激励，可有效激励出单一S0模态Lamb波；3）采用焊缝端部加载的方式激励超声导波，产生了能量高、衰减慢的焊缝导波模态，解决了长距离检测问题。

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1检测装置示意图；

图2(a)对接焊缝模型的主视图；

图2(b)对接焊缝模型的俯视图；

图3ABAQUS有限元仿真在某一时刻的云图显示；

图4距激励源200mm且垂直于焊缝的直线上的接收点在有焊缝和无焊缝时的幅值变化；

图5B-B线上的接收点幅值随焊缝余高变化图；

图6余高不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化；

图7余高不同时，C-C线上接收点的幅值变化；

图8余高不同时，C-C线上接收点的衰减率；

图9B-B线上的接收点幅值随焊缝宽度变化图；

图10焊缝宽度不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化；

图11焊缝宽度不同时，C-C线上接收点的幅值变化；

图12焊缝宽度不同时，C-C线上接收点的衰减率；

图13B-B线上的接收点幅值随杨氏模量比值变化图；

图14杨氏模量比值不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化；

图15杨氏模量比值不同时，C-C线上接收点的幅值变化；

图16杨氏模量比值不同时，C-C线上接收点的衰减率；

图173mm厚钢板的S0模态群速度频散曲线；

图183mm厚钢板的S0模态入射角与频率的关系曲线；

图19无焊缝钢板B-B线上接收点幅值变化的实验结果与仿真结果对比图；

图20有焊缝钢板B-B线上接收点幅值变化的实验结果与仿真结果对比图；

图中，1—函数发生器，2—功率放大器，3—压电片，4—斜入射式压电超声传感器，5—示波器，6—计算机。

具体实施方式

该系统包括函数发生器1、功率放大器2、压电片3、斜入射式压电超声传感器4、示波器5和计算机6，两个压电片3对称贴在焊板的上下表面，并放置在焊缝端部，斜入射式压电超声传感器4安装在焊板上，函数发生器1的输出端和功率放大器2的输入端连接，功率放大器2的输出端与压电片3连接，斜入射式压电超声传感器4与示波器5连接，计算机6和示波器5连接。

本发明的具体实施步骤包括：

步骤1）：待检测焊板由两块500×1000×3mm钢板采用对接焊焊接在一起，以形成1000×1000×3mm钢板，对接焊缝采用氩弧焊进行焊接，焊缝余高为1mm，焊缝宽度为5mm，钢板的材料性能参数如下表：

绘制板结构的频散曲线，如图17所示，S0模态在200kHz时频散程度小于5%，故激励信号的中心频率设定为200kHz；

步骤2）：利用上述所选定的频率200kHz作为激励信号的中心频率，由函数发生器产生汉宁窗调制的10个周期的正弦波信号作为激励信号，分别输入示波器和功率放大器；

步骤4）：超声Lamb波沿对接焊缝传播后，斜入射式压电超声传感器接收到声波信号，此信号接入示波器进行存储，并在计算机上进行后处理。根据待检测板结构的几何及材料性能参数绘制Lamb波入射角与频率的关系曲线，如图18所示，入射角度为30度时，在频率为200kHz时可以激励出S0模态的Lamb波，故选取斜入射式压电超声传感器的入射角度为30度。提取距激励源200mm且垂直于焊缝的直线B-B线上接收点的幅值，分别得到无焊缝钢板B-B线上接收点幅值变化的实验结果与仿真结果对比图，如图19所示，以及有焊缝钢板B-B线上接收点幅值变化的实验结果与仿真结果对比图，如图20所示。由实验结果与仿真结果对比图可知，这种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法非常有效；

Claims

1.基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法，其特征在于，应用如下基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测系统，该系统包括函数发生器（1）、功率放大器（2）、压电片（3）、斜入射式压电超声传感器（4）、示波器（5）和计算机（6），两个压电片（3）对称贴在焊板的上下表面，并放置在焊缝端部，斜入射式压电超声传感器（4）安装在焊板上，函数发生器（1）的输出端分别连接功率放大器（2）和示波器（5），功率放大器（2）的输出端与压电片（3）连接，斜入射式压电超声传感器（4）与示波器（5）连接，计算机（6）和示波器（5）连接，该方法是按照如下步骤进行的：

步骤1）：根据待检测板结构的几何及材料性能参数，计算板结构的频散曲线；根据频散曲线中Lamb波的传播特性，选定激励信号的频率；

步骤5）：超声Lamb波遇到焊缝上的缺陷会产生缺陷回波，由激励波形与接收的缺陷回波波形的时间差Δt，以及焊缝超声导波模态的群速度v_g，求得缺陷距离激励源的距离，S=Δt×v_g，即实现对接焊缝缺陷的有效定位。