CN104266616A - 一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法，属于焊接技术领域。本发明为克服现有技术的不足。所述方法包括如下步骤：步骤一、采用超声相控阵斜入射法获得一幅缺陷的B扫描图像；步骤二、利用相控阵仪器提取缺陷处A信号：从B扫描图像中A信号位置处在A信号中可清晰获得缺陷信号R和衍射波S的时间差，即Δ_t，并进而通过公式计算得出孔洞的直径尺寸，公式如下：本发明测量焊缝缺陷横孔直径。

Description

一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法

技术领域

本发明涉及一种测量焊缝缺陷横孔直径的方法，尤其涉及一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法，属于焊接技术领域。

背景技术

隧道及孔洞等是焊缝中常见的缺陷，其尺寸大小包括孔径、长度等往往决定了焊缝强度等力学性能，并进一步影响到整个焊接结构的可靠性，因此对于这类焊接缺陷尺寸的确定不容忽视。

现有的测量焊缝缺陷横孔直径方法往往采用从B扫描图像直接读出的方式，精度往往不够高，误差较大，难以用于较小直径横孔的精确定量。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法，以克服现有技术的不足。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述方法包括如下步骤：步骤一、采用超声相控阵斜入射法获得一幅缺陷的B扫描图像，单次激发晶片数量为16，楔块采用相控阵通用斜楔块，耦合方式采用喷水耦合，板厚度为不小于3mm；

步骤二、利用相控阵仪器提取缺陷处A信号：从B扫描图像中A信号位置处在A信号中可清晰获得缺陷信号R和衍射波S的时间差，即Δ_t，并进而通过公式计算得出孔洞的直径尺寸，公式如下：

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

式中，Δt为通过B扫描图像测量出的时间延迟，c为横波声速，v是瑞丽波声速，d_t为计算出的孔洞直径。

本发明具有以下有益效果：衍射波测量横孔直径的优点在于分辨率高，且操作方便易行，而且可以精确定量化，对于测量直径小于1mm的孔洞类缺陷有很大的优势。

附图说明

图1是直接反射波R与散射波S传播路径原理图，图2是直接反射波R与散射波S时间延迟图，图3是具体实施方式三中的B扫描图像，图4是缺陷处A信号，图5是缺陷及其衍射波的B扫描图像，图6是在B扫描图像提取的A信号图，图7为一组不同直径焊缝横孔B-扫描图像，图8a是具体实施方式四中直径0.5mm的横孔检测A信号图，图8b是具体实施方式四中直径0.8mm的横孔检测A信号，图9为横孔直径的计算结果d_t与其设计尺寸d₀的关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的方法包括如下步骤：步骤一、采用超声相控阵斜入射法获得一幅缺陷的B扫描图像，单次激发晶片数量为16，楔块采用相控阵通用斜楔块，耦合方式采用喷水耦合，板厚度为不小于3mm；

步骤二、利用相控阵仪器提取缺陷处A信号：从B扫描图像中A信号位置处在A信号中可清晰获得缺陷信号R和衍射波S的时间差，即Δ_t，并进而通过公式计算得出孔洞的直径尺寸，公式如下：

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

式中，Δt为通过B扫描图像测量出的时间延迟，c为横波声速，v是瑞丽波声速，d_t为计算出的孔洞直径。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中声束入射角度选择在30～60度之间。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，该方法的具体操作过程如下，

步骤一、采用超声相控阵斜入射法获得一幅缺陷的B扫描图像，单次激发晶片数量为16，楔块采用相控阵通用斜楔块，声束入射角度选择在30～60度之间，耦合方式采用喷水耦合，板厚度为不小于3mm，获得的典型的B扫描图像如图3所示：

步骤二、利用相控阵仪器提取缺陷处A信号，，如图4所示，该A信号对应图3中的浅色线条。

一般该缺陷信号后会有波幅低于主信号的信号，该信号即为衍射波，从A信号图像中读出二者的时间差，即Δ_t。并进而获得孔洞的直径尺寸。具体公式如下：

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

式中，Δt为通过B扫描图像测量出的时间延迟，c为横波声速，v是瑞丽波声速，d_t为计算出的孔洞直径。

时间延迟的测量方法如图4所示：沿着图5中白线取A信号获得图6，在A信号中可清晰获得缺陷信号和背散射信号的时间延迟，如图6可测得R波和S波时间延迟为0.7us,代入公式即可计算出它所对应的横孔直径为0.8mm，经过实验验证，该方法具有很强的实用性及较高的精度。

具体实施方式四：实验验证

实验验证时采用的设备参数如所示。

表1

探头类型	频率、MHz	阵元数量/个	探头尺寸/mm	晶片间距/mm
					线性	5	64	38.4*7.0	0.1

为验证时间延迟Δ₀与横孔的直径(d₀)成线性关系，对直径不同的横孔进行检测。检测对象为9个位于铝合金搅拌摩擦焊焊缝中心的横孔缺陷。直径最小达0.3mm，最大的为2mm。目前，对直径小于1mm横孔直径识别很少有人进行研究，实验设计中在直径0.3mm-1mm范围内设计了6个横孔，以探究公式1对于直径很小的缺陷尺寸识别的准确性。

如图7为不同直径横孔在斜入射线性扫查检测模式下的B-扫描图像，由图7可见，随横孔直径增加，R波与S波在图像中的距离增大，也就意味着R波与S波的时间延迟加大，因此由B-扫描图像可以定性判定横孔直径大小。对于直径为2mm的横孔，其直接反射波R与衍射波S之间时间延迟较大；而0.8mm横孔的时间延迟则减小很多，当横孔直径为0.3mm时两波之间的间距最小。可见，利用散射波S与直接反射波R可以直接从B-扫描图像中定性的判断出横孔直径的大小：两回波之间距离越远则代表横孔的直径越大。精确得到横孔的直径方法如下：

由公式1可知，在铝合金基体中，通过时间延迟Δt可以计算得到横孔的直径，计算结果记为d_t，关系式应为

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

对于铝合金，横波声速c＝3.08mm/μs；

瑞利波声速v＝2.975mm/μs。

由此可知横孔直径应为

d_t＝1.182Δ_t

如图8a为直径为0.5mm的横孔的A信号，由图中可以观察到R与S两波的时间延迟为0.42μs，根据公式3计算得其直径d_t＝0.50mm。计算结果与实际尺寸相符。图8b所示为直径0.8mm的横孔的A信号，此时时间延迟达到了0.70μs，计算的直径d_t＝0.83mm。从这两个A信号中可以清晰的看到直接反射波R和衍射波S，波峰清晰可见，信噪比很高。故可以通过A信号识别出两个波的波峰之间的时间延迟，之后通过公式进行计算得到横孔直径。为了测定其对各种不同横孔直径的精确测量程度，对9种不同直径孔进行了测量计算，结果如表1所示。

表2 横孔的时间延迟Δ_t以及直径的计算结果d_t

表2所示为横孔直径识别的结果。d₀为加工横孔缺陷时设计的尺寸；d_t为利用时间延迟Δ_t计算得到的缺陷直径；Δd为识别的误差。根据图9可以看出计算结果与其设计尺寸吻合的较好，误差均不大于10％。

本发明提出了一种采用测量超声相控阵B扫描图像中缺陷回波及衍射波时间延迟，计算焊缝中横孔的直径的理论，并采用这种理论对实际焊缝中的人工加工横孔缺陷进行了实际检测，结果证明：该方法具有较高的检测精度，对直径1mm以内的横孔检测精度高达90％以上。这表明，该方法具有较好的对孔洞类缺陷精确测量的能力，具有较好的应用前景。

工作原理：结合图1和图2说明，当相控阵发射的平行声束到达缺陷的边界时，声波将会发生反射、折射、波形转换、散射、衍射等一系列物理过程，返回到探头的信号为一个复合信号。当在金属中存在一个球形或者圆柱型的缺陷时，超声波将会发生波形转换，产生瑞利波，这个波将会围绕着缺陷的边界传播。用一个模型来解释超声波复合信号中各个成分的传播路径，如图1所示，采用超声波斜入射法通过超声相控阵探头1检测一个带有横孔的试块2。声束P正对着横孔3中心入射，当声波遇到横孔3时，将会产生一个直接反射波R，这个主脉冲回波R高度很高，它来自于声束最先接触的点M。

同时，声束的另外一部分能量将会围绕着横孔3的界面Q₁N传播到缺陷的末端，即N点，再由N点沿着NQ₂传播到Q₂点并最终返回探头。同时还有一部分能量沿着Q₂NQ₁的方向围绕横孔传播，图1展示了逆时针方向声波Q₁NQ₂传播的情况，顺时针情况与此类似。这两个波都是在横孔3的背面“爬”了半圈，声程一致，同时到达传感器。声波在Q₁点发生了波形转换，在OM段传播时，波形为横波，Q₁NQ₂段声波以瑞利波形式传播。横孔3的轮廓实际上是金属与空气的自由界面，瑞利波是一种沿着自由表面传播的波，其波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955倍。瑞利波在围绕横孔轮廓传播的过程中能量会沿着轮廓的切线方向辐射，导致瑞利波能量逐渐衰减，直到衰减到与噪声的能量强度相当，便不会再被发现了。

声波经由横孔轮廓Q₁NQ₂传播到Q₂点时，其切线方向恰好指向传感器方向，此时声波沿该方向辐射的能量在Q₂V段以横波形式传播，如图2中S波，传感器接收到之后在A信号中显示为一个衍射波S(即衍射波)。这个衍射波总是与直接反射波R相伴出现。R波与第一个衍射波S之间的时间延迟Δ₀与横孔的直径d₀成线性关系，可用来进行横孔直径的识别。

采用超声相控阵B扫描对孔洞类缺陷进行检测时常常会发现除缺陷回波外，还能看到在缺陷回波周围的衍射波，即衍射波，基于此本专利采用测量超声相控阵B扫描图像中缺陷波及衍射波的时间延迟从而计算出其环绕孔洞旋转一圈的声程，并进而获得孔洞的直径尺寸。具体公式如下：

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

式中，Δt为通过B扫描图像测量出的时间延迟，c为横波声速，v是瑞丽波声速，d_t为计算出的孔洞直径。

Claims (2)

1.一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法：其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、采用超声相控阵斜入射法获得一幅缺陷的B扫描图像，单次激发晶片数量为16，楔块采用相控阵通用斜楔块，耦合方式采用喷水耦合，板厚度为不小于3mm；

步骤二、利用相控阵仪器提取缺陷处A信号：从B扫描图像中A信号位置处在A信号中可清晰获得缺陷信号R和衍射波S的时间差，即Δ_t，并进而通过公式计算得出孔洞的直径尺寸，公式如下：

$d_t={\mathrm{\Δ}}_t/(\frac{\mathrm{\π}}{2v}+\frac{1}{c})$

式中，Δt为通过B扫描图像测量出的时间延迟，c为横波声速，v是瑞丽波声速，d_t为计算出的孔洞直径。

2.根据权利要求1所述一种利用衍射波测量焊缝缺陷横孔直径的方法，其特征在于步骤一中声束入射角度选择在30～60度之间。