CN104807882A - 一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法及系统，首先，建立电压值与灰度值的对应关系，并以灰度值设定焊接阈值；然后将声波由待测金属管内壁一侧垂直于内壁方向入射，声波到达焊接界面后被反射，形成界面反射回波；最后对界面反射回波信号的直流电压进行峰值采样，并根据所述电压值与灰度值的对应关系标出所检测区域相应的灰度值，高于阈值的区域为缺陷区域，小于等于阈值的区域为焊合区域。本发明还包括超声检测系统，包括超声波探伤仪，计算机，信号采集单元，探头，波导管和声反射镜；探头通过波导管和反射镜照射待测金属管，原路返回后，其信号被信号采集单元采集，传递给计算机，计算机将电压与灰度值关联，判断焊接质量。

Description

一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法及系统，特别是一种用于陶瓷基复合材料与小直径金属热管钎焊质量的超声检测方法及系统，属于超声无损检测领域。

背景技术

陶瓷基复合材料与小直径金属热管钎焊结构作为一种新型防热结构，其金属合金热管内径最小可为Φ5mm，壁厚为0.37mm。该结构中钎焊结合质量直接影响界面的传热效果和产品的防热性能，因此，必须采用合理有效的无损检测技术对其钎焊质量进行检测。

目前，国内外金属与金属钎焊的材料较为常见，金属与金属钎焊中出现的未焊合缺陷为面状缺陷，该类缺陷的无损检测通常采用超声或射线方法，而对于近年来刚出现非金属与金属钎焊结构，国内外鲜有该类结构材料的无损检测案例，尤其是本项目研究的复合材料内部钎焊小直径金属管的钎焊结构。由于该结构中复合材料内部钎焊的热管数量较多，且位置不定，结构复杂，射线的方法难以实现其无损检测。

发明内容

本发明的解决的技术问题是：本发明解决了超声检测时金属管管壁薄，曲率大等带来的声束指向性差，分辨力差，耦合差等一系列难题，实现了陶瓷基复合材料与小直径高温合金热管钎焊质量超声无损检测

本发明的技术方案是：

一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)：建立电压值与灰度值的对应关系，并以灰度值设定焊接阈值；

步骤(2)：将超声波由待测金属管内壁一侧垂直于内壁方向入射，超声波到达金属管外壁与复合材料形成的界面后被反射，并经反射形成界面反射回波；

步骤(3)：对界面反射回波信号的直流电压进行峰值采样，并根据所述电压值与灰度值的对应关系标出所检测区域相应的灰度值，高于设定阈值的区域为缺陷区域，小于等于所述设定阈值的区域为焊合区域。

所述超声波发生信号的输出闸门的起始位置放在一次界面反射回波开始的位置，闸门的结束位置放在二次界面反射回波结束的位置。

所述电压值与灰度值的对应关系为：从0到最高电压v_max与0到255的灰度值线性对应，即满足其中，y为检测电压，x为与检测电压对应的灰度值；所述最高电压值v_max大于界面反射回波信号的直流电压的最高峰值。

检测时，对待测金属管(3)的内壁进行逐行扫描，每扫描一行使待测样品转动3°～10°角度后继续扫描，按照扫描位置与对应电压值进行C扫描灰度成像。

检测时，对待测金属管内壁进行逐行扫描，每扫描一行使待测样品转动一定角度后继续扫描，按照扫描位置与对应电压值进行C扫描灰度成像。

所述超声探伤仪上设置有探头，检测时，探头位于金属管内壁外，经波导管入射至金属管内壁，金属管内壁处设置有与波导管呈45°的超声波反射镜，超声波经所述超声波反射镜反射后，垂直照射金属管内壁，并经金属管外壁与复合材料形成的界面后再次经所述声波反射镜沿原路返回。

超声探伤仪所用探头的频率满足f≥nc/2d，式中：f——探头频率，n——脉冲信号周期数,c——待测金属管的声速，d——待测金属管壁厚；

所述超声波反射镜为凹面结构，用于对轴线附近的超声波进行聚焦，其凹面半径与焦距的关系满足如下要求：

$F=\frac{\sqrt{2}}{2}r$

式中：F-焦距,r-柱形凹面半径；

所述探头的波导管和超声波反射镜材料均为304#不锈钢。

一种复合材料与金属热管钎焊质量超声检测系统，包括超声探伤仪，探头机构，计算机，信号采集单元，所述探头机构包括探头，波导管和超声波反射镜；超声波反射镜位于波导管的一端，其反射镜面为柱形凹面，并与波导管轴线成45°夹角，用于深入待测金属管内壁，波导管的另一端与探头连接组成探头机构；

首先，在计算机中建立电压与灰度值的对应关系，并以灰度值设定焊接阈值，检测时，超声探伤仪对探头激发产生超声波，超声波沿所述波导管进入金属管内壁，并经超声波反射镜反射后垂直照射待测金属管的内壁，在超声波到达金属管外壁与复合材料形成的界面时被反射，反射的超声波经所述超声波反射镜后沿波导管返回超声探伤仪，计算机对信号采集单元发出数据采集指令，信号采集单元从超声探伤仪采集返回超声波的峰值电压信号后传输至计算机，计算机将接收到的直流电压信号转换为灰度值，标出所检测区域的灰度值，根据设定的灰度阈值判断焊接质量，高于设定阈值的区域为缺陷区域，小于等于所述设定阈值的区域为焊合区域。

所述超声检测系统还包括机械扫描装置和运动控制单元；检测时，将探头机构固定于机械扫描机构后，计算机对运动控制单元发出运动控制指令，运动控制单元控制机械扫描机构的运动轨迹，计算机同时接收控制单元的运动轨迹信息和信号采集单元发送的界面反射回波峰值电压，并通过其预设的电压与灰度值对应关系，标出检测区域的灰度值。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明提出的一种用于陶瓷基复合材料与小直径金属热管钎焊质量的超声检测方法，采用了具有高频窄脉冲带聚焦效果超声波反射镜的探头，实现了较高的纵向分辨力和较高的横向分辨力，克服了金属管曲率大，管壁薄等带来的声束指向性差，分辨力差等难题，同时通过设计大小与金属管内径匹配的波导管可以实现声波与金属管壁较为良好而稳定的耦合效果，从而保证检测结果的可靠性。

(2)本发明的超声检测系统，将波导管的一端连接探头，并在波导管的另一端设置超声波反射镜，可将容易的深入具有中空结构的部分进行检测，同时，通过反射镜的反射作用，可使探测超声波沿垂直方向照射待测部分，并可将界面反射回波原路返回，工程应用十分方便。

(3)本发明设计的超声检测系统还设置有运动控制单元和机械扫描装置，进而自动生成探测运动轨迹与灰度值得对应图，能够全面检测金属管的金属与复合材料焊接界面的焊接质量。

附图说明

图1为本发明的超声检测方法流程图；

图2为本发明的探头机构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种陶瓷基复合材料与小直径金属热管钎焊质量的超声检测方法，可以快速检测焊接质量，其原理为通过超声波照射待测表面，选择垂直照射，待超声波穿过待测物体进入到焊接界面后，产生反射回波，回波也沿垂直于界面方向返回，并再次穿出待测物体后，由超声探伤仪即超声波探伤仪接收反射回波，此时，生成直流电压信号，采集回波的最高峰值电压，该峰值电压即为所测部分的焊接质量的特征电压，通过建立峰值电压与灰度值的关联关系，将特征电压值转化为灰度值，电压高代表焊接质量差，因此，具体实施时，要设定一个灰度值的阈值，超过该灰度值时即为焊接合格区域，否则为不合格区域，这样就形成一个灰度区域，可一目了然的看出焊接质量。

本发明提供了如图1所示的一种用于陶瓷基复合材料与小直径金属热管钎焊质量的超声检测方法，步骤如下：

步骤(1)：将超声波由待测样品的金属管3内壁一侧且垂直于内壁方向入射，超声波到达金属管3外壁与复合材料形成的界面后被反射，并沿路返回形成界面反射回波，使声波沿垂直于金属管内壁一侧的装置为超声波反射镜9，其设置为与声波入射方向呈45°角，声波发生装置为超声探伤仪1，超声探伤仪1激发探头2晶片产生超声波，超声波一端连接一个波导管8，波导管8的另一端设置一个与之呈45°角的超声波反射镜9，波导管8、探头2和超声波反射镜9构成探头机构。波导管8和超声波反射镜9的材料均为304#不锈钢；所用超声探伤仪1激发脉冲的频率和宽度可调，其频率档位至少包含所用探头频率的频带宽度。

步骤(2)：将超声波信号输出闸门的起始位置放在一次界面反射回波开始的位置，闸门的结束位置放在二次界面反射回波结束的位置，主要是因为一次回波的反射强，信号分辨率高，回波反射信号为一次界面反射回波，以及部分二次界面反射信号回波。

步骤(3)：将金属管3与空气界面反射回波信号高度调至仪器满屏的80％，再将分贝值提高(增益型仪器)3dB或降低3dB(衰减型仪器)，将该灵敏度作为检测灵敏度，这样可使检测精度更高。

步骤(4)：对闸门内信号的直流电压值进行峰值采样。

步骤(5)：将电压值从0到最高电压值(此处的最高电压的取值需要满足大于界面反射回波的最高峰值电压，在此基础上，应该尽量与界面反射回波的峰值电压接近，这样可使测量更加精确，也可以选择界面反射回波得最高峰值电压，只要能够保证覆盖所有界面反射回波的峰值电压即可，以获得相应的灰度值)与256阶灰度按照灰度值从0到255进行对应，即满足其中，y为检测电压，x为与检测电压对应的灰度值，实际检测时，所测量为界面反射回波的支流电压，并将直流电压根据该公式自动换算为灰度值；所述最高电压值v_max大于界面反射回波信号的直流电压的最高峰值。。

步骤(6)：对待测样品进行逐行扫描，每扫描一行使待测样品转动一定角度后继续扫描，按照扫描位置与对应电压值进行C扫描灰度成像，这里所述的逐行扫描即是在金属管3内壁上从金属管3一端移动到另一端，且移动轨迹垂直于两个端面。

步骤7：将焊接缺陷处的灰度值定为阈值，该灰度阈值的设定根据焊接质量要求而定，例如，焊接质量要求高的，灰度阈值应该设定的低，焊接质量要求低的，灰度阈值设定的应该高，总之是根据实际要求而定，设定灰度的原因是可通过扫描，获得焊接质量灰度图，进而从整体上观测焊接情况。高于该阈值的灰度区域为未焊合缺陷，低于该阈值的灰度区域为焊合区域。

超声探伤仪所用探头2的频率满足f≥nc/2d，式中：f——探头频率(MHz)，n——脉冲信号周期数(个),c——待测金属管的声速(km/s)，d——待测金属管壁厚(mm)；

所用探头的超声波反射镜9的镜面不是平面，而是柱形凹面，该凹面对轴线附近的超声波声束有聚焦效果，其凹面半径与焦距的关系满足式要求。

本发明还设计了实现所述超声检测方法的一种复合材料与金属热管钎焊质量超声检测系统，包括超声探伤仪1，探头机构，计算机6，信号采集单元7，所述探头机构包括探头2，波导管8和超声波反射镜9；如图2所示，超声波反射镜9位于波导管8的一端，其反射镜面为柱形凹面，并与波导管轴线成45°夹角，用于深入待测金属管3内壁，波导管8的另一端与探头2连接组成探头机构；

首先，在计算机6中建立电压与灰度值的对应关系，并以灰度值设定焊接阈值，检测时，超声探伤仪1对探头2激发产生超声波，超声波沿所述波导管8进入金属管3内壁，并经超声波反射镜9反射后垂直照射待测金属管3的内壁，在超声波到达金属管3外壁与复合材料形成的界面时被反射，反射的超声波经所述超声波反射镜9后沿波导管返回超声探伤仪1，计算机6对信号采集单元7发出数据采集指令，信号采集单元7从超声波探伤仪1采集返回超声波的峰值电压信号后传输至计算机6，计算机6将接收到的直流电压信号转换为灰度值，标出所检测区域的灰度值，根据设定的灰度阈值判断焊接质量，高于设定阈值的区域为缺陷区域，小于等于所述设定阈值的区域为焊合区域。

所述超声检测系统还包括机械扫描装置4和运动控制单元5；检测时，将探头机构固定于机械扫描机构4后，计算机6对运动控制单元5发出运动控制指令，运动控制单元5控制机械扫描机构4的运动轨迹，计算机6同时接收控制单元5的运动轨迹信息和信号采集单元7发送的界面反射回波峰值电压，并通过其预设的电压与灰度值对应关系，标出检测区域的灰度值。

所述的机械扫描机构为二维方向运动轴，实现探头机构沿待测样品金属管轴向运动和周向转动。

本发明用于复合材料与小直径金属热管钎焊质量超声检测装置的基本操作步骤为：超声探伤仪1对探头施加电脉冲从而激励出超声波，超声波通过波导管8一端的声反射镜反射9后垂直入射于待测样品的金属管3内壁，超声波在金属管3外壁/复合材料界面反射并沿路返回并被超声探伤仪1接收和显示。扫查时，将探头机构固定在机械扫描机构上，由计算机6对运动控制单元5发出指令，使其控制机械扫描机构4，实现探头机构对待测金属管3的扫描，同时，信号采集单元7同步采集超声探伤仪1接收到的直流电压信号，并交由计算机6进行处理，计算机6利用运动控制单元5接收到的探头机构位置信息和信号采集单元7接收到的直流电压信号进行C扫描成像。

本发明的波导管外径壁厚与待测样品金属管内径的关系应满足表1要求：

表1 波导管外径壁厚与待测样品金属管内径的关系

现结合检测实施例对本发明作进一步描述：

以本发明方法实现C/C陶瓷复合材料与内径为5mm，壁厚为0.37mm金属热管钎焊质量超声检测为实例，其检测装置参阅图1所示，探头机构参阅图2所示。

本实施例包括超声探伤仪1，探头2,机械扫描机构4，运动控制单元5，计算机6，信号采集单元7，波导管8，超声波反射镜9；机械扫描机构4为二维方向运动轴，实现探头机构沿待测样品金属管轴向运动和周向转动。

探头晶片材料为1-3型压电复合晶片，晶片直径大小为3mm，频率为20MHz，波导管内径为3mm，外径为5mm，超声波反射镜柱形凹面半径为3.5mm。

本实例的主要工作过程为：超声探伤仪1对探头2施加电脉冲从而激励出超声波，通过波导管8一端的超声波反射镜9反射后声波垂直入射于待测样品3的金属管内壁，声波在金属管外壁/C/C陶瓷复合材料界面反射并沿路返回并被超声波探伤仪1接收和显示；将超声波探伤仪1的信号输出闸门的起始位置放在一次界面反射回波开始的位置，闸门的结束位置放在二次界面反射回波结束的位置。将金属管/空气界面的一次界面反射回波信号高度调至仪器满屏的80％，再将分贝值提高(增益型仪器)3dB或降低3dB(衰减型仪器)，将该灵敏度作为检测灵敏度；将探头2固定在机械扫描机构4上，由计算机6对运动控制单元5发出指令，使其控制机械扫描机构4，实现探头机构待测样品的完全扫描，同时，信号采集单元7同步采集超声波探伤仪1接收到的直流电压信号，并交由计算机6进行处理，计算机6利用运动控制单元接收到的探头机构位置信息和信号采集单元7接收到的直流电压信号进行C扫描灰度成像像。将焊接缺陷处的灰度值定为阈值，高于该阈值的灰度区域为未焊合缺陷，低于该阈值的灰度区域为焊合区域。

本发明还制备了具有高频窄脉冲带聚焦效果的超声波反射镜的探头，实现了较高的纵向分辨力和较高的横向分辨力，克服了金属管曲率大，管壁薄等带来的声束指向性差，分辨力差等难题，同时通过设计大小与金属管内径匹配的波导管可以实现超声波与金属管壁较为良好而稳定的耦合效果，从而保证检测结果的可靠性。利用本发明提出的检测方法和装置可以有效检出C/C陶瓷复合材料与小直径(内径为φ5mm，壁厚为0.37mm)金属热管钎焊结构中4×4mm2当量大小的未焊合缺陷。

本发明未详细说明的内容为本领域人员公知的技术。

Claims (12)

1.一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：建立电压值与灰度值的线性对应关系，并以灰度值设定焊接阈值；

步骤(2)：将超声波由待测金属管内壁一侧垂直于内壁方向入射，超声波到达金属管外壁与复合材料形成的界面后被反射，并经反射形成界面反射回波；

步骤(3)：对界面反射回波信号的直流电压进行峰值采样，并根据所述电压值与灰度值的对应关系标出所检测区域相应的灰度值，高于设定阈值的区域为缺陷区域，小于等于所述设定阈值的区域为焊合区域。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：由超声发生装置产生超声波，所述超声波发生装置为超声探伤仪(1)，所述超声探伤仪(1)的输出闸门的起始位置放在一次界面反射回波开始的位置，闸门的结束位置放在二次界面反射回波结束的位置。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：所述电压值与灰度值的对应关系为：从0到最高电压v_max与0到255的灰度值线性对应，即满足其中，y为检测电压，x为与检测电压对应的灰度值；所述最高电压值v_max大于界面反射回波信号的直流电压的最高峰值。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：检测时，对待测金属管(3)的内壁进行逐行扫描，每扫描一行使待测样品转动3°～10°角度后继续扫描，按照扫描位置与对应电压值进行C扫描灰度成像。

5.根据权利要求2所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：所述超声探伤仪(1)上设置有探头(2)，检测时，探头(2)位于金属管外，经波导管(8)入射至金属管(3)内壁，金属管(3)的内壁处设置有与波导管(8)呈45°的超声波反射镜(9)，超声波经所述超声波反射镜(9)反射后，垂直照射金属管(3)内壁，并经金属管(3)的外壁与复合材料形成的界面后再次经所述超声波反射镜(9)沿入射路线返回。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：超声探伤仪(1)所用探头的频率满足f≥nc/2d，式中：f——探头频率，n——脉冲信号周期数,c——待测金属管的声速，d——待测金属管壁厚。

7.根据权利要求5或6所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：所述超声波反射镜(9)为凹面结构，用于对轴线附近的超声波进行聚焦，其凹面半径与焦距的关系满足如下要求：

$F=\frac{\sqrt{2}}{2}r$

式中：F-焦距,r-柱形凹面半径。

8.根据权利要求5所述的一种用于复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：所述波导管(8)和超声波反射镜(9)的材料均为304#不锈钢。

9.一种复合材料与金属热管钎焊质量超声检测系统，其特征在于：包括超声探伤仪(1)，探头机构，计算机(6)，信号采集单元(7)，所述探头机构包括探头(2)，波导管(8)和超声波反射镜(9)；超声波反射镜(9)位于波导管(8)的一端，其反射镜面为柱形凹面，并与波导管轴线成45°夹角，用于深入待测金属管(3)的内壁，波导管(8)的另一端与探头(2)连接组成探头机构；

首先，在计算机(6)中建立电压与灰度值的对应关系，并以灰度值设定焊接阈值，检测时，超声探伤仪(1)对探头(2)激发产生超声波，超声波沿所述波导管(8)进入金属管内壁，并经超声波反射镜(9)反射后垂直照射待测金属管(3)的内壁，在超声波到达金属管外壁与复合材料形成的界面时被反射，反射的超声波经所述超声波反射镜(9)后沿波导管返回超声探伤仪(1)，计算机(6)对信号采集单元(7)发出数据采集指令，信号采集单元(7)从超声探伤仪(1)采集返回超声波的峰值电压信号后传输至计算机(6)，计算机(6)将接收到的所述电压信号转换为灰度值，标出所检测区域的灰度值，根据设定的灰度阈值判断焊接质量，高于所述设的灰度阈值的区域为缺陷区域，小于等于所述设定阈值的区域为焊合区域。

10.根据权利要求9所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量超声检测系统，其特征在于：计算机(6)将电压信号转换为灰度值按式进行，其中，y为计算机(6)接收到的所述返回超声波的峰值电压，x为与检测电压对应的灰度值；所述最高电压值v_max大于界面反射回波信号的直流电压的最高峰值。

11.根据权利要求9所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法，其特征在于：所述超声波反射镜(9)为凹面结构，用于对轴线附近的超声波进行聚焦，其凹面半径与焦距的关系满足如下要求：

$F=\frac{\sqrt{2}}{2}r$

式中：F-焦距,r-柱形凹面半径。

12.根据权利要求9所述的一种复合材料与金属热管钎焊质量超声检测系统，其特征在于：所述超声检测系统还包括机械扫描装置(4)和运动控制单元(5)；检测时，将探头机构固定于机械扫描机构(4)后，计算机(7)对运动控制单元(5)发出运动控制指令，运动控制单元(5)控制机械扫描机构(4)的运动轨迹，计算机(7)同时接收控制单元(5)的运动轨迹信息和信号采集单元(7)发送的界面反射回波峰值电压，并通过其预设的电压与灰度值对应关系，标出检测区域的灰度值。