CN105021142B - 一种激光搭接焊缝宽度的测量方法和所用装置 - Google Patents

Abstract

针对快速测量激光搭接焊缝宽度的需求，本发明提供了一种激光搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：所述检测方法基于超声波在激光搭接焊缝上的反射回波最小幅度与焊缝宽度的单调递增关系，利用超声波在激光搭接焊缝上反射回波的最小幅度来测量激光搭接焊缝的宽度。在一定的误差范围内，该方法有较强的可靠性。

Description

一种激光搭接焊缝宽度的测量方法和所用装置

技术领域

本发明属于超声波无损检测领域，特别提供一种利用超声波反射回波的最小幅度来测量激光搭接焊缝宽度的方法，适用于交通运输、航空航天、船舶制造、化工储罐等大型装备中薄板激光搭接焊缝结构的无损检测。

背景技术

薄板结构在大型化工设备、交通运输的车厢车体、航空航天装置中使用广泛。对于这些薄板结构的焊接，激光搭接焊是很好的选择。如在轨道交通中，一些型号列车的车厢就采用了激光搭接焊。由于激光焊缝质量直接影响客车的运行安全，所以很有必要对其进行安全评价。通过Kaitanov等有关人员对激光焊缝的力学性能研究，发现激光搭接焊的焊缝宽度是影响焊缝静态力学性能和疲劳性能的重要指标。因此，测量焊缝宽度对于车辆运行安全来说非常必要。

高频水浸聚焦探头在工业C扫描上应用广泛，由于其声束宽度比非聚焦探头小，所以其探测的横向分辨率更高，可以识别更为细微的特征。又由于检测频率比一般探头高，所以探头激励出的声波波长较小，可以识别更小尺寸的缺陷。基于这两点优势，工业C扫描设备上使用的水浸聚焦探头逐渐地向高频率、小焦斑直径的方向发展，使得被检工件的扫描成像更为清晰。但由于C扫描检测需要对被检区域逐点扫查，所以检测过程非常耗时。为了能够更快地测量搭接焊缝的宽度，满足工程实际对快速检测的需求，我们提出了一种利用具有一定声束宽度的水浸聚焦探头来快速检测搭接焊缝宽度的方法。

本发明提供的方法是将水浸聚焦探头激励出的高频率、具有一定声束宽度的超声波，应用在激光搭接焊缝宽度的检测中。一个水浸聚焦探头在距离激光搭接板适当高度处呈一定角度发射超声波，激励出超声波入射到焊缝处，超声波在焊缝处部分反射和部分透射后，其反射波被另一个水浸聚焦探头以相同的角度接收，而透射波透射到下层薄板中无法被探头接收，探头接收的反射波信号在探伤仪上显示。经研究发现，超声波在焊缝处部分反射波的最小幅度与激光搭接焊缝宽度有单调上升的关系，本发明所述方法就是利用这种关系，测量激光搭接焊缝的宽度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种激光搭接焊缝宽度的测量方法，该方法是针对快速测量激光搭接焊缝宽度的需求所提出的，通过使用水浸聚焦探头，使得具有一定声束宽度的超声波在焊缝处形成部分反射和部分透射，利用超声波在搭接焊缝处反射回波的最小幅度与焊缝宽度的单调递增关系，根据探伤仪显示的反射回波的最小幅度，来测量激光搭接焊缝的宽度。在一定的误差范围内，该方法有较强的可靠性。

本发明具体提供了一种激光搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：所述检测方法基于超声波在搭接焊缝处发生部分反射和部分透射的现象，并基于反射回波的最小幅度与焊缝宽度呈单调递增的关系，利用两个水浸聚焦探头在焊缝处实现一发一收的检测方式，来测量激光搭接焊缝的宽度。

本发明所述激光搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于，测量步骤如下：

1)、根据被检焊缝的宽度范围，选择合适的水浸聚焦探头，其探头的焦斑直径在焊缝最大宽度的0.8倍到1.2倍之间；

2)、确立探头的入射角度以及两个探头之间的距离，使得探头接收到的声束为第一次反射回波；

3)、确定探头到被检工件上表面的距离，使得探头聚焦在上层板的下表面；

4)、根据探头尺寸、入射角、两探头距离以及探头到被检工件上表面的距离，制作探头固定模块，并组装成为检测装置；

5)、制作不同焊缝宽度的标准试样；

6)、采集不同焊缝宽度试样上反射回波的最小幅值；

7)、建立反射回波的最小幅度和焊缝宽度关系；

8)、根据步骤(7)的关系，利用步骤(4)所建立的检测装置来测量激光搭接焊缝宽度。

步骤1)根据统计的被检激光搭接焊缝的宽度范围，选择的水浸聚焦探头的焦斑直径应稍小于最大焊缝宽度。这样激励出的声束在焊缝处形成部分反射和部分透射的现象，更容易被发现。又由于探头以一定角度斜入射，所以应考虑在焊缝处形成的焦斑直径比垂直入射形成的焦斑直径大。

步骤3)确定探头到被检工件上表面的距离：不锈钢板中的横波声速是水中声速的2.3倍，所以探头到板上表面的距离＝探头焦距-2.3*钢板厚度。

步骤5)制备标准试样：由于检测基于超声波在激光搭接焊缝上的反射回波的最小幅度与焊缝宽度的关系，所以将该方法应用于检测之前，需要明确反射回波最小幅度和焊缝宽度之间的对应关系。首先，需要制作一系列宽度已知的激光搭接焊缝。为了满足与被检工件有相同的条件，标准试样的制作应尽可能与实际检测工件相符。标准试块由线切割制成，宽度均匀，板厚与实际检测工件相当，形成不同宽度的试块。

步骤6)信号采集：将制作好的探测装置放置在标准试块上，将两个水浸聚焦探头横跨焊缝，缓慢移动至反射回波最小值处，并记录数值，与焊缝宽度相对应。

步骤7)建立超声波反射回波最小幅度和焊缝宽度关系：将不同焊缝宽度与其试样上的反射回波最小幅度一一对应，画出两者的关系曲线。

本发明还提供了一种激光搭接焊缝宽度的检测装置，其特征在于：所述测量装置包括入射探头1、接收探头2、探头固定模块3、探伤仪4以及用于模拟不同焊缝宽度的标准试块5；其中入射探头1为用于入射超声波的水浸聚焦探头；接收探头2为用于接收超声波的水浸聚焦探头2；所述探头并不局限于焦距大小、尺寸、激励频率和入射角度等参数。探头固定模块3用于固定入射探头1和接收探头2，并使两探头呈一定的角度和聚焦深度入射和接收超声波；探伤仪4连接入射探头1和接收探头2，用于探头的激励和回波信号的接收；标准试块5用于建立不同焊缝宽度和反射回波的最小幅度之间的关系，该标准试样5不局限于尺寸、成分、制作方式等。

附图说明

图1是待检激光搭接焊缝的模型。

图2是探头固定模块结构示意图。

图3是用于测量激光搭接焊缝宽度的检测装置示意图。

图4是标准试块的示意图(其中，上板厚2mm，下板厚0.8mm)。

图5是超声波在激光搭接焊缝的反射最小幅度和焊缝宽度的关系曲线。

附图标记：1是入射探头，2是接收探头，3是探头固定模块，4是探伤仪，5是标准试块，11是上薄板，12是下薄板，13是激光搭接焊缝。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

以检测一块由2mm厚和0.8mm厚的304不锈钢板激光焊形成的搭接板(如图1，激光搭接焊缝模型)为例，说明用超声波反射回波的最小幅度测量激光搭接焊焊缝宽度的方法。

步骤1)：根据被检激光焊缝的宽度范围，选择合适的水浸聚焦探头：

经过大量的统计，发现由2mm厚和0.8mm厚不锈钢板焊接形成的搭接板，其焊缝宽度在0.4-1.5mm之间。为了能够使得声束在焊缝处形成的部分反射和部分透射在幅度上体现出一定的差异，从而增加检测灵敏度，我们选择的探头焦斑直径应大小合适。另外，由于探头斜入射，所以焦斑在焊缝区域的尺寸比垂直入射要大，因此选择的焦斑直径应适当小于最大的焊缝宽度。根据统计数据，我们选择焦斑直径为1.0mm的水浸聚焦探头进行测量。

步骤2)：确立探头入射角度和两个探头之间的距离；

为了使探头发射的声束在焊缝处有部分反射和部分透射，并且使得透射波不能重新反射回来，需要使得声束有一定的入射角度。这里我们使得探头的入射角为18度，及折射角为45度。探头的距离以接收探头接收到第一次反射回波为准。

步骤3)：确定探头到被检板上表面的距离；

不锈钢板中的横波声速约为水中声速的2.3倍，所以探头到板上表面的距离＝探头焦距-2.3*钢板厚度，由于本实施例中使用的聚焦探头焦距为25mm、上层钢板厚度为2mm，所以探头到板上表面的距离约为20mm。注意到此计算中忽略了探头斜入射的角度，但由于探头有一定的聚焦深度，所以在一定范围内影响较小。

步骤4)：制作探头固定模块；

两个水浸聚焦探头的外径为15mm，入射角度为18°，距离被检工件表面20mm。由以上参数制作探头固定模块，如图2所示。

步骤5)：标准试样的制备；

为了能够得到模拟焊缝宽度一致均匀的标准试块，我们采用线切割的方法来制作。将一块3mm厚的不锈钢板，利用线切割的方法制作如图3所示的标准试块，上板厚2mm、下板厚0.8mm、间隙为0.2mm，其中连接区域存在不同的宽度。

步骤6)：信号采集；

如图4所示，用于测量激光搭接焊缝宽度装置包括入射探头1，接收探头2、探头固定模块3、超声波探伤仪4。将检测装置放置在标准试块5上，两个探头横跨焊缝，调节检测装置在标准试块5上的位置，在超声波探伤仪4上记录反射回波的最小幅度。

步骤7)：建立反射回波的最小幅度和焊缝宽度关系；

在不同焊缝宽度的标准试块5上测得反射回波的最小幅度值，画出两者的关系曲线，如图5所示。

步骤8)：利用反射回波的最小幅度测量激光搭接焊缝宽度；

建立焊缝宽度和反射回波的最小幅度的关系后，就可以利用反射回波的最小幅度来测量焊缝的宽度。这种方法在一定允许误差范围内，有较强的可靠性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：基于超声波在搭接焊缝处发生部分反射和部分透射的现象，并基于反射回波的最小幅度与焊缝宽度呈单调递增的关系，利用两个水浸聚焦探头在焊缝处实现一发一收的检测方式，来测量激光搭接焊缝的宽度，测量步骤如下：

1)、根据被检焊缝的宽度范围，选择合适的水浸聚焦探头，其探头的焦斑直径在焊缝最大宽度的0.8倍到1.2倍之间；

2)、确立探头的入射角度以及两个探头之间的距离，使得探头接收到的声束为第一次反射回波；

3)、确定探头到被检工件上表面的距离，使得探头焦斑聚焦在上层板的下表面；

4)、根据探头尺寸、入射角、两探头距离以及探头到被检工件上表面的距离，制作探头固定模块，并组装成为检测装置；

5)、制作不同焊缝宽度的标准试样；

6)、采集不同焊缝宽度试样上反射回波的最小幅值；

7)、建立反射回波的最小幅度和焊缝宽度关系；

8)、根据步骤(7)的关系，利用步骤(4)所建立的检测装置来测量激光搭接焊缝宽度。

2.按照权利要求1所述激光搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：步骤3)中探头到被检工件上表面的距离＝探头焦距-2.3*钢板厚度。