CN104020220A - 一种扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法。本发明的目的是为了解决传统超声波检测方法无法判断弱接合缺陷的难题。本发明在频域分析弱接合缺陷信号傅立叶变换频谱相位中所隐藏的信息，采用未焊接的上层试样下表面反射波傅立叶变换频谱相位正负作参考，通过判断扩散焊试样连接界面反射波傅立叶变换频谱相位正负与未焊接的上层试样下表面反射波傅立叶变换频谱相位正负的异同，提取弱接合缺陷相位突变信息，建立相位突变函数，依据判定准则判断弱接合缺陷。本发明可以正确地判断弱接合缺陷，解决了超声波检测方法仅依据时域信号难于判断缺陷的问题。

Description

一种扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接界面检测方法，具体地说是一种扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法。

背景技术

扩散焊是一种先进的固相焊接方法，焊接时母材不需要熔化，待焊接的材料表面相互接触，在一定的温度和压力作用下，通过微观塑性变形或通过待焊接的材料表面产生微量液相而扩大待焊接表面的物理接触，经较长时间的原子相互扩散来实现结合的焊接方法。扩散焊具有可焊接难于互溶的材料、表面塑性变形小、接头成分和组织均匀一致等优点。扩散焊连接界面的典型缺陷有未熔合、弱接合和微观孔洞等。弱接合缺陷看似结合良好，实际待焊接的材料表面只有紧密的物理接触，界面无原子扩散，无冶金结合，接头强度为零，危害尤其大。由于弱接合缺陷的尺寸非常小，超声波检测的难度很大。对于同种材料扩散焊接头，超声波在微小的弱接合缺陷上产生的反射波十分微弱；对于不同种材料扩散焊接头，超声波不仅在微小的弱接合缺陷上产生反射波，而且在结合良好的连接界面也产生反射波，缺陷反射波与界面反射波混杂在一起，难于辨别，检测难度进一步加大，目前尚无可靠的弱接合缺陷检测方法。因此深入开展扩散焊的无损检测研究对保障扩散焊结构质量具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确度高，易于实现的扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用超声波换能器将超声波从扩散焊试样的顶部垂直入射至扩散焊试样，同时所述超声波换能器接收扩散焊试样的超声反射波；

(2)采用窗函数d(n)对接收的超声反射波进行截短处理，截取扩散焊试样连接界面的反射波；

(3)对扩散焊试样连接界面的反射波进行傅立叶变换得到连接界面反射波频谱；

(4)采用窗函数对扩散焊试样连接界面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器中心频率周围的反射波频谱；

(5)计算扩散焊试样连接界面反射波频谱的相位；

(6)计算扩散焊试样连接界面反射波频谱相位的正负；

(7)用超声波换能器将超声波从未焊接上层试样的顶部垂直入射至未焊接上层试样，同时所述超声波换能器接收未焊接上层试样的超声反射波；

(8)采用窗函数对接收的超声反射波进行截短处理，截取未焊接上层试样下表面反射波；

(9)对未焊接上层试样下表面反射波进行傅立叶变换得到未焊接上层试样下表面反射波的频谱；

(10)采用窗函数对未焊接上层试样下表面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器中心频率f_c周围的反射波频谱；

(11)计算未焊接上层试样下表面反射波频谱的相位；

(12)计算未焊接上层试样下表面反射波频谱相位的正负；

(13)采用逻辑运算判断扩散焊试样连接界面反射波频谱相位正负与未焊接上层试样下表面反射波频谱相位正负的异同，将结果存储在相位突变函数中；

(14)依据判定准则判断连接界面是否存在弱接合缺陷。

本发明针对常规超声波检测根据时域信号幅度无法判断弱接合缺陷的难题，提出了一种根据相位突变特性检测弱接合缺陷的方法。通过判断扩散焊试样连接界面反射波傅立叶变换频谱相位正负与未焊接的上层试样下表面反射波傅立叶变换频谱相位正负的异同，提取弱接合缺陷相位突变信息，由相位突变特性判断缺陷。本发明的特点在于：

1、改变传统超声波检测方法仅依据时域信号幅度分析判断弱接合缺陷的方法，在频域分析弱接合缺陷信号傅立叶变换频谱相位中所隐藏的信息。

2、采用未焊接的上层试样下表面反射波傅立叶变换频谱相位正负作参考，提取出超声波信号与弱接合缺陷相互作用后相位突变特征，建立相位突变函数，依据判定准则判断弱接合缺陷。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是采用超声波换能器将超声波从扩散焊试样的顶部垂直入射至扩散焊试样，同时采用超声波换能器接收超声反射波的示意图。

图3是采用超声波换能器将超声波从未焊接上层试样的顶部垂直入射至未焊接上层试样，同时采用超声波换能器接收超声反射波的示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的具体实施步骤如下：

(1)结合图2，采用超声波换能器1将超声波从扩散焊试样2的顶部垂直入射至扩散焊试样2，同时采用超声波换能器1接收超声反射波，表示为N为采样点数。接收的超声反射波既包含扩散焊试样2上表面反射波又包含扩散焊试样2连接界面反射波。

(2)采用窗函数d(n)对接收的超声反射波进行截短处理，截取扩散焊试样2连接界面的反射波，表示为

x_t(n)＝x(n)·d(n)

$t_1=\frac{l_1}{c_1}$

式中l₁——超声波换能器1底端到扩散焊试样2上表面的距离；

c₁——水的纵波声速。

$t_2=\frac{l_1}{c_1}+\frac{l_2}{c_2}$

式中l₂——扩散焊试样2上表面到扩散焊试样2连接界面的距离；

c₂——扩散焊上层试样材料的纵波声速。

(3)对扩散焊试样2连接界面的反射波进行傅立叶变换得到其频谱，表示为f_s为超声波采样频率。

$X\left(k\right)=\underset{n=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t\left(n\right)e^{-i2\mathrm{\πkn}/(t_2-t_1+1)}$

(4)采用窗函数D(k)对扩散焊试样2连接界面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器1中心频率f_c周围的反射波频谱，表示为

X_F(k)＝X(k)*D(k)

(5)计算扩散焊试样2连接界面反射波频谱的相位，表示为

${\mathrm{\Φ}}_F^X\left(k\right)=\∠X_F\left(k\right)=\arctan \frac{X_F^I\left(k\right)}{X_F^R\left(k\right)}$

式中——扩散焊试样2连接界面反射波频谱XF(k)的虚部；

——扩散焊试样2连接界面反射波频谱XF(k)的实部。

(6)计算扩散焊试样2连接界面反射波频谱相位的正负，表示为

$S_F^Y\left(k\right)=\mathrm{sign}\left[{\mathrm{\Φ}}_F^Y\left(k\right)\right]$

式中sig——符号运算。

(7)结合图3，采用超声波换能器1将超声波从未焊接上层试样3的顶部垂直入射至未焊接上层试样3，同时采用超声波换能器1接收超声反射波，表示为N为采样点数。接收的超声反射波既包含未焊接上层试样3上表面反射波又包含未焊接上层试样3下表面反射波。

(8)采用窗函数d(n)对接收的超声反射波进行截短处理，截取未焊接上层试样3下表面反射波，表示为

y_t(n)＝y(n)·d(n)

$t_1=\frac{l_1}{c_1}$

式中l₁——超声波换能器1底端到未焊接上层试样3上表面的距离；

c₁——水的纵波声速。

$t_2=\frac{l_1}{c_1}+\frac{l_2}{c_2}$

式中l₂——未焊接上层试样3上表面到下表面的距离；

c₂——未焊接上层试样3材料的纵波声速。

(9)对未焊接上层试样3下表面反射波进行傅立叶变换得到其频谱，表示为f_s为超声波采样频率。

$Y\left(k\right)=\underset{n=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_t\left(n\right)e^{-i2\mathrm{\πkn}/(t_2-t_1+1)}$

(10)采用窗函数D(k)对未焊接上层试样3下表面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器1中心频率f_c周围的反射波频谱，表示为

Y_F(k)＝Y(k)*D(k)

(11)计算未焊接上层试样3下表面反射波频谱的相位，表示为

${\mathrm{\Φ}}_F^X\left(k\right)=\∠Y_F\left(k\right)=\arctan \frac{Y_F^I\left(k\right)}{Y_F^R\left(k\right)}$

式中——未焊接上层试样3下表面反射波频谱Y_F(k)的虚部；

——未焊接上层试样3下表面反射波频谱Y_F(k)的实部。

(12)计算未焊接上层试样3下表面反射波频谱相位的正负，表示为

$S_F^Y\left(k\right)=\mathrm{sign}\left[{\mathrm{\Φ}}_F^Y\left(k\right)\right]$

式中sig——符号运算。

(13)采用逻辑运算判断扩散焊试样2连接界面反射波频谱相位正负与未焊接上层试样3下表面反射波频谱相位正负的异同，将结果存储在相位突变函数中。

$L\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& S_F^X\left(k\right)!=S_F^Y\left(k\right)\\ 0& S_F^X\left(k\right)=S_F^Y\left(k\right)\end{array}\right.$

(14)依据判定准则判断连接界面是否存在弱接合缺陷，判定准则表示为：且L(k_i)＞L(k_i-1)，k_i为发生相位突变的点。

Claims (2)

1.一种扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法，其特征是：

(1)采用超声波换能器将超声波从扩散焊试样的顶部垂直入射至扩散焊试样，同时所述超声波换能器接收扩散焊试样的超声反射波；

(2)采用窗函数d(n)对接收的超声反射波进行截短处理，截取扩散焊试样连接界面的反射波；

(3)对扩散焊试样连接界面的反射波进行傅立叶变换得到连接界面反射波频谱；

(4)采用窗函数对扩散焊试样连接界面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器中心频率周围的反射波频谱；

(5)计算扩散焊试样连接界面反射波频谱的相位；

(6)计算扩散焊试样连接界面反射波频谱相位的正负；

(7)用超声波换能器将超声波从未焊接上层试样的顶部垂直入射至未焊接上层试样，同时所述超声波换能器接收未焊接上层试样的超声反射波；

(8)采用窗函数对接收的超声反射波进行截短处理，截取未焊接上层试样下表面反射波；

(9)对未焊接上层试样下表面反射波进行傅立叶变换得到未焊接上层试样下表面反射波的频谱；

(10)采用窗函数对未焊接上层试样下表面反射波频谱进行截短处理，截取超声波换能器中心频率f_c周围的反射波频谱；

(11)计算未焊接上层试样下表面反射波频谱的相位；

(12)计算未焊接上层试样下表面反射波频谱相位的正负；

(13)采用逻辑运算判断扩散焊试样连接界面反射波频谱相位正负与未焊接上层试样下表面反射波频谱相位正负的异同，将结果存储在相位突变函数中；

(14)依据判定准则判断连接界面是否存在弱接合缺陷。

2.根据权利要求1所述的扩散焊连接界面弱接合缺陷检测方法，其特征是：

(1)所述扩散焊试样的超声反射波表示为N为采样点数；

(2)截取扩散焊试样连接界面的反射波表示为

x_t(n)＝x(n)·d(n)

$t_1=\frac{l_1}{c_1}$

式中l₁——超声波换能器1底端到扩散焊试样上表面的距离；

c₁——水的纵波声速，

$t_2=\frac{l_1}{c_1}+\frac{l_2}{c_2}$

式中l₂——扩散焊试样上表面到扩散焊试样连接界面的距离；

c₂——扩散焊上层试样材料的纵波声速；

(3)所述连接界面反射波频谱表示为f_s为超声波采样频率，

$X\left(k\right)=\underset{n=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t\left(n\right)e^{-i2\mathrm{\πkn}/(t_2-t_1+1)};$

(4)截取的超声波换能器中心频率f_c周围的反射波频谱表示为

X_F(k)＝X(k)*D(k)

(5)扩散焊试样连接界面反射波频谱的相位表示为

${\mathrm{\Φ}}_F^X\left(k\right)=\∠X_F\left(k\right)=\arctan \frac{X_F^I\left(k\right)}{X_F^R\left(k\right)}$

式中——扩散焊试样连接界面反射波频谱X_F(k)的虚部；

——扩散焊试样连接界面反射波频谱X_F(k)的实部；

(6)扩散焊试样连接界面反射波频谱相位的正负表示为

$S_F^Y\left(k\right)=\mathrm{sign}\left[{\mathrm{\Φ}}_F^Y\left(k\right)\right]$

式中sig——符号运算；

(7)所述未焊接上层试样的超声反射波表示为N为采样点数；

(8)截取未焊接上层试样下表面的反射波表示为

y_t(n)＝y(n)·d(n)

$t_1=\frac{l_1}{c_1}$

式中l₁——超声波换能器底端到未焊接上层试样上表面的距离；

c₁——水的纵波声速，

$t_2=\frac{l_1}{c_1}+\frac{l_2}{c_2}$

式中l₂——未焊接上层试样上表面到下表面的距离；

c₂——未焊接上层试样材料的纵波声速；

(9)未焊接上层试样下表面反射波的频谱表示为f_s为超声波采样频率，

$Y\left(k\right)=\underset{n=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_t\left(n\right)e^{-i2\mathrm{\πkn}/(t_2-t_1+1)};$

(10)截取的超声波换能器中心频率f_c周围的反射波频谱表示为

Y_F(k)＝Y(k)*D(k)

(11)未焊接上层试样下表面反射波频谱的相位表示为

${\mathrm{\Φ}}_F^X\left(k\right)=\∠Y_F\left(k\right)=\arctan \frac{Y_F^I\left(k\right)}{Y_F^R\left(k\right)}$

式中——未焊接上层试样下表面反射波频谱Y_F(k)的虚部；

——未焊接上层试样下表面反射波频谱Y_F(k)的实部；

(12)未焊接上层试样下表面反射波频谱相位的正负表示为

$S_F^Y\left(k\right)=\mathrm{sign}\left[{\mathrm{\Φ}}_F^Y\left(k\right)\right]$

式中sig——符号运算；

(13)采用逻辑运算判断扩散焊试样连接界面反射波频谱相位正负与未焊接上层试样下表面反射波频谱相位正负的异同，将结果存储在相位突变函数中，

$L\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& S_F^X\left(k\right)!=S_F^Y\left(k\right)\\ 0& S_F^X\left(k\right)=S_F^Y\left(k\right)\end{array}\right.;$

(14)判定准则表示为：且L(ki)＞L(ki-1)，ki为发生相位突变的点。