CN104458915B - 一种风塔焊缝非线性超声检测方法 - Google Patents

一种风塔焊缝非线性超声检测方法 Download PDF

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本发明公开了一种风塔焊缝非线性超声检测方法,涉及无损检测技术领域,所解决的是现有容易实施的方法检测效果差的技术问题。本发明方法是先对目标焊缝作超声波多点扫描,并采集各扫描点处的探测回波,再对每个扫描点的探测回波进行短时傅立叶变换,得到每个扫描点的回波实时频谱曲线;然后计算物理位置相邻的扫描点的频谱相似系数,按各个扫描点的物理位置关系构建频谱相似度矩阵,进而得到目标焊缝的频谱相似度曲线;再根据目标焊缝的频谱相似度曲线,判定目标焊缝是否具有缺陷。本发明提供的方法,具有定位准确、灵敏度高、缺陷判定直观性好等优点。

Description

一种风塔焊缝非线性超声检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无损检测技术,特别是涉及一种风塔焊缝非线性超声检测方法的技 术。
背景技术
[0002] 并网型风力发电机组的风塔高度在40米以上,负载机舱重量达几十吨,风塔通过 不同直径的塔筒和法兰基座焊接而成,焊缝数量多达上百条。保证风塔支撑的可靠性和稳 定性的关键技术问题就是确保风塔焊缝焊接的可靠性和一致性。由于焊接是一个特殊的物 理冶金过程,受到该过程中工艺参数控制、材料性能变化和人为因素的影响都会造成焊接 构件中产生不同程度、不同类型的缺陷,从而对使用寿命产生非常不利的影响。因此,在风 塔投入使用前,需要对风塔的焊缝进行无损检测。
[0003] 对风塔的焊缝通常都采用超声波扫描方式进行无损检测,风塔焊缝的超声波检测 一般利用时程、声速和衰减等物理参数波的线性变化来评估和测量缺陷的位置和大小,但 这种线性检测方法对焊缝的微缺陷,如材料疲劳、微裂纹等很不敏感,其检测效果较差,容 易发生漏检、错检,从而引起焊接处裂纹萌生和扩展,最终导致塔筒的早期变形甚至断裂情 况的发生。
[0004] 近年来,也有些研究者根据声波频率对微裂纹和形变的敏感性,通过测量声波传 输过程中波形畸变的二次谐波分量或其他高次分量,计算非线性参数来确定固体中缺陷的 分布。然而由于高次谐波幅度很小,系统设备和耦合介质等非线性以及随机噪声对测量精 度影响非常大。从目前相关文献介绍,借助高能脉冲放大器和高精度滤波器,仅在实验室条 件下可准确测测量缺陷所激发的二次或高次谐波幅度,从而制约了采用非线性参数来检测 材料缺陷和畸变的实际应用,这种检测方式在常规条件下基本无法实施。
发明内容
[0005] 针对上述现有技术中存在的缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种检测效 果好,容易实施的风塔焊缝非线性超声检测方法。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明所提供的一种风塔焊缝非线性超声检测方法,其 特征在于,具体步骤如下:
[0007] 1)对目标焊缝,在宽度方向及长度方向上利用超声波发射装置作超声波多点扫 描,并利用超声波接收装置采集各扫描点处的探测回波,对各扫描点处采集的探测回波按 相同的采样方式进行采样,获得各扫描点的探测回波波形,所述探测回波是指超声波扫描 信号的一次回波;
[0008] 2)对每个扫描点的探测回波频谱进行短时傅立叶变换,得到每个扫描点的探测回 波实时频谱;
[0009] 3)对每个扫描点,选取其探测回波实时频谱中幅度谱最大值的频率曲线为该扫描 点的回波频谱曲线,
[0010] 4)对每两个物理位置相邻的扫描点,计算该两个扫描点的频谱曲线相似度,具体 计算公式为:
Figure CN104458915BD00051
[0012]式中,Χ、γ为两个物理位置相邻的扫描点,
Figure CN104458915BD00052
为X与Y的频谱相似度,fs为探 测回波的采样频率,X (τ,ω)为X的回波短时傅立叶变换曲线,γ (τ,ω)为Y的回波短时傅立 叶变换曲线;V代表频移量。
[0013]按各个扫描点的物理位置关系,形成一个如下频谱相似度矩阵:
Figure CN104458915BD00053
[0015] 其中,Ri,j (0)为两个物理位置相邻的扫描点在ν=〇时的频谱相似度,m为频率曲线 离散点数,η为扫描区域标号;
[0016] 5)根据步骤4的频谱相似度矩阵,得到目标焊缝的频谱相似度曲线;
[0017]如果目标焊缝的频谱相似度曲线出现跳变点,则判定目标焊缝具有缺陷:当跳变 范围在0.9〜0.6时,可判定为焊缝区域发生晶格畸变、材料力学退化等缺陷;在0.6〜0.4时 可判定为该区域存在微裂纹、微气孔等缺陷;当小于0.3时判定为该区域有较大缺陷,如裂 缝、夹渣和未焊透等。
[0018]进一步,步骤2中对探测回波信号进行短时傅立叶变换的具体变换公式为:
Figure CN104458915BD00054
[0020] 式中,Χ(τ,ω)为扫描点的探测回波短时傅立叶变换频谱,X⑴为扫描点的探测回 波波形,W (t-τ)为短时傅立叶变换的窗函数,τ为时移量,ω为瞬时频谱。
[0021] 进一步,所述超声波发射装置包括函数发生器、宽带功率放大器、发送换能器;所 述超声波接收装置包括数字示波器、接收换能器、计算机;
[0022] 所述发送换能器、接收换能器均为平面换能器,且两者的中心频率相同,发送换能 器、接收换能器分置于目标焊缝两侧;
[0023] 所述宽带功率放大器的源信号输入端接到函数发生器的信号输出端,宽带功率放 大器的放大信号输出端接到发送换能器的电信号输入端;
[0024] 所述数字示波器的源信号输入端接到接收换能器的电信号输出端,数字示波器的 数字信号输出端接到计算机。
[0025] 进一步,所述发送换能器、接收换能器的声波信号输出端各设有一用于激发横波 的斜楔,发送换能器、接收换能器的声波信号输出端分别朝向所设斜楔的楔面。
[0026] 进一步,所述斜楔为45度楔体,两个斜楔分别位于目标焊缝的两侧。
[0027] 与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
[0028] 本发明提供的风塔焊缝非线性超声检测方法,通过引入短时傅里叶时频分析,采 用频率相似曲线反映频谱波形在风塔焊缝周边不同位置的变化情况,使得对焊缝缺陷的检 测不受频率分辨率、信号幅度和耦合非线性的影响,对判断缺陷的位置和材料疲劳退化程 度显得更容易,而且短时傅里叶能更好的反映时间与频率的变化关系,且短时傅里叶分析 曲线平滑,能减少噪声影响,容易定位频率突变点,具有定位准确、灵敏度高、缺陷判定直观 性好等优点,其检测效果较好,并且只需采用常规的检测设备即可实施,实用性强。
附图说明
[0029] 图1是本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法的检测流程图;
[0030] 图2是本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法的实施装置示意图;
[0031] 图3是利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法检测存在轻微畸变缺陷的目标 焊缝得到的频谱相似度曲线图;
[0032] 图4是利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法检测存在微裂纹缺陷的目标焊 缝得到的频谱相似度曲线图;
[0033] 图5是利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法检测无缺陷目标焊缝得到的探 测回波短时傅立叶变换频谱;
[0034] 图6是利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法检测有缺陷目标焊缝得到的探 测回波短时傅立叶变换频谱;
[0035] 图7是横向微裂纹测试块射线无损检测法法得到的X射线图;
[0036] 图8是利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法检测图7所示测试块得到的探 测回波短时傅立叶变换频谱相似度曲线族。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述,但所述实施例并 不用于限制本发明,凡是采用本发明的相似结构及其相似变化,均应列入本发明的保护范 围。
[0038] 如图1所示,本发明所提供的一种风塔焊缝非线性超声检测方法,具体步骤如下:
[0039] 1)对目标焊缝(风塔上待检测的焊缝),在宽度方向及长度方向上利用超声波发射 装置作超声波多点扫描,并利用超声波接收装置采集各扫描点处的探测回波,对各扫描点 处采集的探测回波按相同的采样方式进行采样,获得各扫描点的探测回波波形,所述探测 回波是指超声波扫描信号的一次回波;
[0040] 2)对每个扫描点的探测回波频谱进行短时傅立叶变换(STFT),得到每个扫描点的 探测回波实时频谱,具体变换公式为:
Figure CN104458915BD00061
[0042] 式中,Χ(τ,ω)为扫描点的探测回波短时傅立叶变换频谱,X⑴为扫描点的探测回 波波形,W (t-τ)为短时傅立叶变换的窗函数;τ为时移量,ω为瞬时频谱。
[0043] 3)分析各探测回波频谱的时频特性,根据时频变化规律区分一次回波与直达波的 频率结构(探测回波中通常会混杂有未经反射的直达波);
[0044] 对每个扫描点,选取其探测回波频谱中幅度谱最大值的频率曲线为该扫描点的回 波频率曲线,选取该回波频率曲线在探测回波波形信号的频谱曲线;
[0045] 4)对每两个物理位置相邻的扫描点,引入频谱互相关函数来计算该两个扫描点的 频谱相似度,具体计算公式为:
Figure CN104458915BD00071
[0047] 式中,X、Y为两个物理位置相邻的扫描点,Rx,γ (τ,ν)为X与Y的频谱相似度,fs为探 测回波的采样频率,X (τ,ω)为X的回波短时傅立叶变换曲线,Y (τ,ω)为Y的回波短时傅立 叶变换曲线;V代表频移量。
[0048] 按各个扫描点的物理位置关系,形成一个如下频谱相似度矩阵:
Figure CN104458915BD00072
[0050] 其中,Ri,j⑶为两个物理位置相邻的扫描点在ν=〇时的频谱相似度,频谱相似度矩 阵中的相邻元素具有一个相同的扫描点,频谱相似度矩阵中的相邻元素包括同一行的相邻 元素,及同一列的相邻元素,比如Ru (〇)与Ru+1 (〇)为同一行的相邻元素,(〇)与R1+1,J ⑶为同一列的相邻元素;
[0051] 当V=O时,Rx,γ (τ,ν)达到最大值,v=0且X与Y的回波频率曲线分布完全一致时,Rx,Y (τ,V) = 1;
[0052] 5)根据步骤4的频谱相似度矩阵,得到目标焊缝的频谱相似度曲线;
[0053] 如图3、图4所示,根据目标焊缝的频谱相似度曲线图,可看出目标焊缝的频谱相似 度曲线是否存在跳变点;
[0054] 如果目标焊缝的频谱相似度曲线出现跳变点,则判定目标焊缝具有缺陷:当跳变 范围在0.9〜0.6时,可判定为焊缝区域发生晶格畸变、材料力学退化等缺陷;在0.6〜0.4时 可判定为该区域存在微裂纹、微气孔等缺陷;当小于〇. 3时判定为该区域有较大缺陷,如裂 缝、夹渣和未焊透等。
[0055] 如图5、图6所示,利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法,分别检测无缺陷目 标焊缝及有缺陷目标焊缝所得到的探测回波短时傅立叶变换频谱存在着明显差异。
[0056] 如图7、图8所示,利用本发明的风塔焊缝非线性超声检测方法对Q235钢板试件进 行检测试验,该测试块有一条横向微裂纹(见图7),检测得到的探测回波频谱相似度曲线 (见图8)与测试块的X射线检测相吻合,实验结果表明:基于短时傅立叶变换的频谱相似度 变化能够反映微小缺陷情况,且材料内部的晶格畸变程度(与疲劳有关)也能反映出来。
[0057] 如图2所示,本发明中,所述超声波发射装置由函数发生器1、宽带功率放大器2、发 送换能器3构成;所述超声波接收装置由接收换能器5、数字示波器6、计算机7构成;
[0058] 所述发送换能器、接收换能器均为平面换能器,且两者的中心频率相同,发送换能 器、接收换能器分置于目标焊缝4两侧;
[0059] 所述宽带功率放大器的源信号输入端接到函数发生器的信号输出端,宽带功率放 大器的放大信号输出端接到发送换能器的电信号输入端;
[0060] 所述数字示波器的源信号输入端接到接收换能器的电信号输出端,数字示波器的 数字信号输出端接到计算机;
[0061] 所述发送换能器、接收换能器的声波信号输出端各设有一用于激发横波的斜楔8, 发送换能器、接收换能器的声波信号输出端分别朝向所设斜楔的楔面,所述斜楔为有机玻 璃材质的45度楔体,两个斜楔分别位于目标焊缝的两侧;
[0062] 所述发送换能器、接收换能器之间的中心距离可根据目标焊缝的厚度适当调整, 以保证接收换能器能接收到探测回波。
[0063] 对目标焊缝实施超声波扫描时,函数发生器输出持续4个周期的正弦脉冲信号,该 正弦脉冲信号经过宽带功率放大器放大后输送至发送换能器,再由发送换能器转换为超声 波后射向目标焊缝;
[0064] 发送换能器射出的超声波扫描信号经过目标焊缝周边底面反射后形成一次回波, 接收换能器采集超声波扫描信号的一次回波,所采集的一次回波即为探测回波,接收换能 器将采集的探测回波转换为电信号后输送至数字示波器,数字示波器高速采样探测回波的 平均电压信号(采样频率取lOMS/s,共计1000个点),并将探测回波采样数据上传至计算机, 计算机根据数字示波器上传的探测回波采样数据记录下探测回波的时域波形;
[0065] 对一个扫描点的超声波扫描实施完毕后,调整发送换能器、接收换能器的位置,实 施下一个扫描点的超声波扫描,直至完成在目标焊缝的宽度方向及长度方向上的平面扫 描。
[0066] 综上所述可见:本发明提供的风塔焊缝非线性超声检测方法,通过引入短时傅里 叶时频分析,采用频率相似曲线反映频谱波形在风塔焊缝周边不同位置的变化情况,使得 对焊缝缺陷的检测不受频率分辨率、信号幅度和耦合非线性的影响,对判断缺陷的位置和 材料疲劳退化程度显得更容易,而且短时傅里叶能更好的反映时间与频率的变化关系,且 短时傅里叶分析曲线平滑,能减少噪声影响,容易定位频率突变点,具有定位准确、灵敏度 高、缺陷判定直观性好等优点,其检测效果较好,并且只需采用常规的检测设备即可实施, 实用性强。
[0067] 最后有必要在此说明的是:以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细 地说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容 作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1. 一种非线性超声检测风塔焊缝缺陷的方法,其特征在于,包括如下具体步骤: 1) 对目标焊缝,在宽度方向及长度方向上利用超声波发射装置作超声波多点扫描,并 利用超声波接收装置采集各扫描点处的探测回波,对各扫描点处采集的探测回波按相同的 采样方式进行采样,获得各扫描点的探测回波波形,所述探测回波是指超声波扫描信号的 一次回波; 2) 对每个扫描点的探测回波频谱进行短时傅立叶变换,得到每个扫描点的探测回波实 时频谱; 3) 对每个扫描点,选取其探测回波实时频谱中幅度谱最大值的频率曲线为该扫描点的 回波频率曲线, 4) 对每两个物理位置相邻的扫描点,计算该两个扫描点的频率曲线相似度,具体计算 公式为: Rx γ(τ,ν) - fh Χ{τ,〇))Υν{τ,ω+ν)ύω 式中:X、Y为τ时刻两个物理位置相邻的扫描点,Rx,y(t,v)为X与Y的频谱相似度,匕为探 测回波的采样频率,X (τ,ω)为X的回波短时傅立叶变换曲线,Y (τ,ω)为Y的回波短时傅立 叶变换曲线;V代表频移量。 按各个扫描点的物理位置关系,形成一个如下频谱相似度矩阵: /?u(o)…人),,〆0)·.·巧/;(0) Ril(O)…RLj(0)…RiJO) • · ' · '〇 « '«· •畚 C. 人V丨⑼…、⑼…人W()) 其中:Ru⑼为两个物理位置相邻的扫描点在V = O时的频谱相似度,m为频率曲线离散 点数,η为扫描区域标号; 5) 根据步骤4的频谱相似度矩阵,得到目标焊缝的频谱相似度曲线; 如果目标焊缝的频谱相似度曲线出现跳变点,则判定目标焊缝具有缺陷:当跳变范围 在0.9〜0.6时,判定为焊缝区域发生晶格畸变、材料力学退化缺陷;在0.6〜0.4时,判定为 该区域存在微裂纹、微气孔缺陷;当小于〇. 3时,判定为该区域有较大缺陷。
2. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2中对探测回波信号进行短时傅立叶 变换的具体变换公式为: STFT X⑴—=/(τ,扮)二广Χx(〇 W(i — W dt 式中:Χ (τ,ω)为扫描点的探测回波短时傅立叶变换频谱,X (t)为扫描点的探测回波波 形,W (t-τ)为短时傅立叶变换的窗函数,τ为时移量,ω为瞬时频谱。
3. 根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述超声波发射装置包括函数发生器、 宽带功率放大器、发送换能器;所述超声波接收装置包括数字示波器、接收换能器、计算机; 所述发送换能器、接收换能器均为平面换能器,且两者的中心频率相同,发送换能器、 接收换能器分置于目标焊缝两侧; 所述宽带功率放大器的源信号输入端接到函数发生器的信号输出端,宽带功率放大器 的放大信号输出端接到发送换能器的电信号输入端; 所述数字示波器的源信号输入端接到接收换能器的电信号输出端,数字示波器的数字 信号输出端接到计算机。
4. 根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述发送换能器、接收换能器的声波信号 输出端各设有一用于激发横波的斜楔,发送换能器、接收换能器的声波信号输出端分别朝 向所设斜楔的楔面。
5. 根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述斜楔为45度楔体,两个斜楔分别位于 目标焊缝的两侧。
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