CN105445371B - 电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测领域，涉及一种电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法。本发明提出了一种电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法，利用滚轮式编码器检测并传输相控阵探头的位置信息，实现相控阵的电子扫查，将二维扫查简化为一维扫查，大大提高检测效率；另一方面，通过控制不同组晶片的延时法则，控制声束形状，实现焊缝全厚度动态聚焦，避免了频繁更换探头；同时，采用接触法检测方法，避免了水浸或喷水扫查设备的使用，缩减了设备整体体积，使整套装置便于携带，方便进行外场检测。本发明的一个实施例，经实际检测证明，检测效率提高了3倍以上。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法。
背景技术
在电子束焊接过程中存在各种复杂因素的影响，不可避免地会形成一些焊接缺陷，根本上消除焊接缺陷在工程上是不可能的。因此，防止电子束焊接件发生失效的根本措施是对电子束焊缝实施可靠的无损检测，对其中可能出现的各类缺陷定性和定位，筛选出存在危险缺陷的零件，消除隐患。
超声检测可在大厚度材料中检测小缺陷，同时还可较精确地确定缺陷深度，是解决上述问题的良好途径。已有的研究也已经证明了该技术应用于电子束焊缝的可行性。为了检测出焊缝中微小的气孔型缺陷，常采用水浸聚焦超声技术对焊缝内部进行高灵敏度检测。但聚焦探头的焦区长度有限，检测的厚度范围一般较小，焦区外灵敏度急剧下降。为了实现厚度较大零件电子束焊缝的高灵敏度检测，需要采用多个不同焦距的探头检测不同深度区域，以便在整个检测范围内实现超声声束的聚焦。
为了实现整个焊缝区域的覆盖，需要采用多个探头实施检测，每个探头都需进行二维扫查，造成检测周期长；再有，为了实现稳定的耦合，需要专用的水浸或喷水扫查设备，这些设备通常体积庞大，成本高，且不易携带，无法进行外场检测。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够避免频繁更换探头，并且能够利用相控阵的电子扫查代替机械扫查，将二维扫查简化为一维扫查的电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法。
本发明的技术方案是：
扫查装置包括一个超声探伤仪、控制计算机、超声探头、滚轮式编码器，所说的超声探伤仪是超声相控阵探伤仪，所述的超声探头是由一个线性超声相控阵探头和与其配合的外套组成，外套为两个对称的倒L结构，外套的长、宽、高分别与线性超声相控阵探头的长、宽、高相对应，外套的一个边上设有开口槽，开口槽卡接在线性超声相控阵探头的接线口上；其中一个外套的外壁上安装滚轮式编码器，滚轮式编码器的滚轮转动轴与线性超声相控阵探头长度方向平行，滚轮转动轴上安装滚轮缘，滚轮的外缘与线性超声相控阵探头的工作表面相切；超声相控阵探伤仪的超声回波信号输出端通过电缆与控制计算机的超声回波信号输入端连接，线性超声相控阵探头的探头激励信号输入端通过电缆与超声相控阵探伤仪的探头激励信号输出端连接，滚轮式编码器的位置信号I/O端口与超声相控阵探伤仪的位置信号I/O端口连接；线性超声相控阵探头的工作表面与被检测电子束焊缝的上表面紧密接触，线性超声相控阵探头的长轴方向垂直于电子束焊缝方向。
利用所述电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置进行检测的方法，检测的步骤如下：
(1)、系统连接：连接好超声相控阵探伤仪、控制计算机和超声探头的电缆，在电子束焊缝的上表面均匀涂抹耦合剂，并将超声探头置于电子束焊缝表面，使线性超声相控阵探头的长轴方向垂直于电子束焊缝方向；
(2)、获取和记录位置信息及超声回波信号：
滚轮式编码器将其初始位置信息传递给超声相控阵探伤仪，并通过超声相控阵探伤仪传递给控制计算机，保持线性超声相控阵探头位置不变，完成如下步骤：
(2.1)、确定第一组晶片序列：确定线性超声相控阵探头的一组晶片序列的总晶片数m，m为1～n中的任一整数，n为线性超声相控阵探头的晶片总数；则第一组晶片序列的晶片序号依次为1，2，……，m；
(2.2)、确定超声信号发射和接收的延迟时间：确定声束聚焦深度δ，δ在0～d之间取值，d为被检电子束焊缝的总厚度；超声相控阵探伤仪根据聚焦深度δ计算出线性超声相控阵探头各个晶片的延迟时间τi，i为第一组晶片序列的晶片序号，i＝1，2，……，m；延迟时间τi既是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
(2.3)、超声信号的发射：超声相控阵探伤仪根据延迟时间τi分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给线性超声相控阵探头内的对应晶片，使晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝；
(2.4)、超声回波信号的接收：带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝，经过电子束焊缝的缺陷或电子束焊缝本身的反射返回线性超声相控阵探头，使线性超声相控阵探头内的晶片发生振动，晶片将振动信号转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪，超声相控阵探伤仪接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τi将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ1传递给控制计算机；
(2.5)、确定第r组晶片序列，r＝2,3，……，n-m+1，第r组晶片序号为r，r+1，……，m+r-1，每确定一组序列后重复步骤(2.2)～步骤(2.4)，使超声波聚焦于电子束焊缝中的声束聚焦深度δr，得到第r组晶片序列下的超声回波信号ζr；将ζ2到ζr共r组超声回波信号传递给控制计算机；
控制线性超声相控阵探头沿电子束焊缝长度方向移动Δx，Δx＝0.1mm～1mm，滚轮式编码器将此时的位置信息传递给超声相控阵探伤仪，并通过超声相控阵探伤仪传递给控制计算机，保持线性超声相控阵探头位置不变，重复步骤(2.1)～步骤(2.5)之后，再将线性超声相控阵探头移到下一位置重新获取和记录位置信息及超声回波信号，直到线性超声相控阵探头由电子束焊缝的一侧移动到另一侧为止。
本发明具有的优点和有益效果是：本发明提出了一种电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置和检测方法，利用滚轮式编码器检测并传输相控阵探头的位置信息，实现相控阵的电子扫查，将二维扫查简化为一维扫查，大大提高检测效率；另一方面，通过控制不同组晶片的延时法则，控制声束形状，实现焊缝全厚度动态聚焦，避免了频繁更换探头；同时，采用接触法检测方法，避免了水浸或喷水扫查设备的使用，缩减了设备整体体积，使整套装置便于携带，方便进行外场检测。本发明的一个实施例，经实际检测证明，检测效率提高了3倍以上。
附图说明
图1是本发明检测装置的结构原理框图。
图2是图1超声探头3和滚轮式编码器4的放大图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置，包括一个超声探伤仪、控制计算机2、超声探头3、滚轮式编码器(4)，所说的超声探伤仪是超声相控阵探伤仪1，所说的超声探头3是由一个线性超声相控阵探头3a和与其配合的外套3b组成，外套3b为两个对称的倒L结构，外套3b的长、宽、高分别与线性超声相控阵探头3a的长、宽、高相对应，外套3b的一个边上设有开口槽3c，开口槽3c卡接在线性超声相控阵探头3a的接线口上；其中一个外套3b的外壁上安装滚轮式编码器4，滚轮式编码器4的滚轮转动轴与线性超声相控阵探头3a长度方向平行，滚轮转动轴上安装滚轮缘，滚轮的外缘与线性超声相控阵探头3a的工作表面相切；超声相控阵探伤仪1的超声回波信号输出端通过电缆与控制计算机2的超声回波信号输入端连接，线性超声相控阵探头3a的探头激励信号输入端通过电缆与超声相控阵探伤仪1的探头激励信号输出端连接，滚轮式编码器4的位置信号I/O端口与超声相控阵探伤仪1的位置信号I/O端口连接；线性超声相控阵探头1的工作表面与被检测电子束焊缝5的上表面紧密接触，线性超声相控阵探头1的长轴方向垂直于电子束焊缝方向。
利用所述电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置进行检测的方法，检测的步骤如下：
(1)、系统连接：连接好超声相控阵探伤仪1、控制计算机2和超声探头3的电缆，在电子束焊缝5的上表面均匀涂抹耦合剂，并将超声探头3置于电子束焊缝5表面，使线性超声相控阵探头3a的长轴方向垂直于电子束焊缝方向；
(2)、获取和记录位置信息及超声回波信号：
滚轮式编码器4将其初始位置信息传递给超声相控阵探伤仪1，并通过超声相控阵探伤仪1传递给控制计算机2，保持线性超声相控阵探头3a位置不变，完成如下步骤：
(2.1)、确定第一组晶片序列：确定线性超声相控阵探头3a的一组晶片序列的总晶片数m，m为1～n中的任一整数，n为线性超声相控阵探头3a的晶片总数；则第一组晶片序列的晶片序号依次为1，2，……，m；
(2.2)、确定超声信号发射和接收的延迟时间：确定声束聚焦深度δ，δ在0～d之间取值，d为被检电子束焊缝的总厚度；超声相控阵探伤仪(1)根据聚焦深度δ计算出线性超声相控阵探头3a各个晶片的延迟时间τi，i为第一组晶片序列的晶片序号，i＝1，2，……，m；延迟时间τi既是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
(2.3)、超声信号的发射：超声相控阵探伤仪1根据延迟时间τi分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给线性超声相控阵探头3a内的对应晶片，使晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5；
(2.4)、超声回波信号的接收：带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5，经过电子束焊缝5的缺陷或电子束焊缝5本身的反射返回线性超声相控阵探头3a，使线性超声相控阵探头3a内的晶片发生振动，晶片将振动信号转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪1，超声相控阵探伤仪1接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τi将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ1传递给控制计算机2；
(2.5)、确定第r组晶片序列，r＝2,3，……，n-m+1，第r组晶片序号为r，r+1，……，m+r-1，每确定一组序列后重复步骤(2.2)～步骤(2.4)，使超声波聚焦于电子束焊缝5中的声束聚焦深度δr，得到第r组晶片序列下的超声回波信号ζr；将ζ2到ζr共r组超声回波信号传递给控制计算机2；
控制线性超声相控阵探头3a沿电子束焊缝5长度方向移动Δx，Δx＝0.1mm～1mm，滚轮式编码器4将此时的位置信息传递给超声相控阵探伤仪1，并通过超声相控阵探伤仪1传递给控制计算机2，保持线性超声相控阵探头3a位置不变，重复步骤(2.1)～步骤(2.5)之后，再将线性超声相控阵探头3a移到下一位置重新获取和记录位置信息及超声回波信号，直到线性超声相控阵探头3a由电子束焊缝5的一侧移动到另一侧为止。
实施例1，检测某型飞机短梁结构钛合金电子束焊缝
本发明电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置中的超声相控阵探伤仪1、控制计算机2、滚轮式编码器4和线性超声相控阵探头3a均为成品件，线性超声相控阵探头3a的晶片总数为64。该短梁的电子束焊缝共一处，焊缝宽度约40mm，长度为200mm，焊缝深度70mm，检测的步骤为：
1、系统连接：连接好超声相控阵探伤仪1、控制计算机2和超声探头3的电缆，在电子束焊缝5的上表面均匀涂抹耦合剂，并将超声探头3置于电子束焊缝5表面，使线性超声相控阵探头3a的长轴方向垂直于电子束焊缝方向。
2、获取和记录超声回波信号：
(2.1)、确定第一组晶片序列：确定线性超声相控阵探头3a的一组晶片序列的总晶片数24，第一组晶片序列的晶片序号依次为1，2，……,24；
(2.2)、确定超声信号发射和接收的延迟时间：确定声束聚焦深度35mm；超声相控阵探伤仪1根据聚焦深度35mm计算出线性超声相控阵探头3a各个晶片的延迟时间τi，i为第一组晶片序列的晶片序号，i＝1，2，……，24；延迟时间τi既是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
(2.3)、超声信号的发射：超声相控阵探伤仪1根据延迟时间τi分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给线性超声相控阵探头3a内的对应晶片，使晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5；
(2.4)、超声回波信号的接收：带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5，经过电子束焊缝5的缺陷或电子束焊缝5本身的反射返回线性超声相控阵探头3a，使线性超声相控阵探头3a内的晶片发生振动，晶片将振动信号转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪1，超声相控阵探伤仪1接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τi将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ1传递给控制计算机2；
(2.5)、确定第r组晶片序列，r＝2,3，……，41，第r组晶片序号为r，r+1，……，r+23，每确定一组序列后重复步骤(2.2)～步骤(2.4)，使超声波聚焦于电子束焊缝5中的声束聚焦深度δr，得到第r组晶片序列下的超声回波信号ζr；将ζ1到ζr共41组超声回波信号传递给控制计算机2；
控制线性超声相控阵探头3a沿电子束焊缝5长度方向移动0.5mm，滚轮式编码器4将此时的位置信息传递给超声相控阵探伤仪1，并通过超声相控阵探伤仪1传递给控制计算机2，保持线性超声相控阵探头3a位置不变，重复步骤(2.1)～步骤(2.5)之后，再将线性超声相控阵探头3a移到下一位置重新获取和记录位置信息及超声回波信号，直到线性超声相控阵探头3a由电子束焊缝5的一侧移动到另一侧为止。
实施例2，检测某型飞机某承力框结构电子束焊缝
本发明电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置中的超声相控阵探伤仪1、控制计算机2、滚轮式编码器4和线性超声相控阵探头3a均为成品件，线性超声相控阵探头3a的晶片总数为128。该承力框电子束焊缝共一处，焊缝宽度约40mm，长度为200mm，焊缝深度60mm，检测的步骤为：
1、系统连接：连接好超声相控阵探伤仪1、控制计算机2和超声探头3的电缆，在电子束焊缝5的上表面均匀涂抹耦合剂，并将超声探头3置于电子束焊缝5表面，使线性超声相控阵探头3a的长轴方向垂直于电子束焊缝方向。
2、获取和记录超声回波信号：
(2.1)、确定第一组晶片序列：确定线性超声相控阵探头3a的一组晶片序列的总晶片数32，第一组晶片序列的晶片序号依次为1，2，……,32；
(2.2)、确定超声信号发射和接收的延迟时间：确定声束聚焦深度30mm；超声相控阵探伤仪1根据聚焦深度30mm计算出线性超声相控阵探头3a各个晶片的延迟时间τi，i为第一组晶片序列的晶片序号，i＝1，2，……，32；延迟时间τi既是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
(2.3)、超声信号的发射：超声相控阵探伤仪1根据延迟时间τi分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给线性超声相控阵探头3a内的对应晶片，使晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5；
(2.4)、超声回波信号的接收：带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝5，经过电子束焊缝5的缺陷或电子束焊缝5本身的反射返回线性超声相控阵探头3a，使线性超声相控阵探头3a内的晶片发生振动，晶片将振动信号转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪1，超声相控阵探伤仪1接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τi将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ1传递给控制计算机2；
(2.5)、确定第r组晶片序列，r＝2,3，……，97，第r组晶片序号为r，r+1，……，r+31，每确定一组序列后重复步骤(2.2)～步骤(2.4)，使超声波聚焦于电子束焊缝5中的声束聚焦深度δr，得到第r组晶片序列下的超声回波信号ζr；将ζ1到ζr共97组超声回波信号传递给控制计算机2；
控制线性超声相控阵探头3a沿电子束焊缝5长度方向移动0.5mm，滚轮式编码器4将此时的位置信息传递给超声相控阵探伤仪1，并通过超声相控阵探伤仪1传递给控制计算机2，保持线性超声相控阵探头3a位置不变，重复步骤(2.1)～步骤(2.5)之后，再将线性超声相控阵探头3a移到下一位置重新获取和记录位置信息及超声回波信号，直到线性超声相控阵探头3a由电子束焊缝5的一侧移动到另一侧为止。
Claims (1)
1.电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置，其特征在于：扫查装置包括一个超声探伤仪、控制计算机(2)、超声探头(3)、滚轮式编码器(4)，所说的超声探伤仪是超声相控阵探伤仪(1)，所说的超声探头(3)是由一个线性超声相控阵探头(3a)和与其配合的外套(3b)组成，外套(3b)为两个对称的倒L结构，外套(3b)的长、宽、高分别与线性超声相控阵探头(3a)的长、宽、高相对应，外套(3b)的一个边上设有开口槽(3c)，开口槽卡(3c)接在线性超声相控阵探头(3a)的接线口上；其中一个外套(3b)的外壁上安装滚轮式编码器(4)，滚轮式编码器(4)的滚轮转动轴与线性超声相控阵探头(3a)长度方向平行，滚轮转动轴上安装滚轮，滚轮的外缘与线性超声相控阵探头(3a)的工作表面相切；超声相控阵探伤仪(1)的超声回波信号输出端通过电缆与控制计算机(2)的超声回波信号输入端连接，线性超声相控阵探头(3a)的探头激励信号输入端通过电缆与超声相控阵探伤仪(1)的探头激励信号输出端连接，滚轮式编码器(4)的位置信号I/O端口与超声相控阵探伤仪(1)的位置信号I/O端口连接；线性超声相控阵探头(1)的工作表面与被检测电子束焊缝(5)的上表面紧密接触，线性超声相控阵探头(1)的长轴方向垂直于电子束焊缝方向；利用所述电子束焊缝的超声相控阵快速扫查装置进行检测的步骤如下：
(1)、系统连接：连接好超声相控阵探伤仪(1)、控制计算机(2)和超声探头(3)的电缆，在电子束焊缝(5)的上表面均匀涂抹耦合剂，并将超声探头(3)置于电子束焊缝(5)表面，使线性超声相控阵探头(3a)的长轴方向垂直于电子束焊缝方向；
(2)、获取和记录位置信息及超声回波信号：
滚轮式编码器(4)将其初始位置信息传递给超声相控阵探伤仪(1)，并通过超声相控阵探伤仪(1)传递给控制计算机(2)，保持线性超声相控阵探头(3a)位置不变，完成如下步骤：
(2.1)、确定第一组晶片序列：确定线性超声相控阵探头(3a)的一组晶片序列的总晶片数m，m为1～n中的任一整数，n为线性超声相控阵探头(3a)的晶片总数；则第一组晶片序列的晶片序号依次为1，2，……，m；
(2.2)、确定超声信号发射和接收的延迟时间：确定声束聚焦深度δ，δ在0～d之间取值，d为被检电子束焊缝的总厚度；超声相控阵探伤仪(1)根据聚焦深度δ计算出线性超声相控阵探头(3a)各个晶片的延迟时间τi，i为第一组晶片序列的晶片序号，i＝1，2，……，m；延迟时间τi既是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
(2.3)、超声信号的发射：超声相控阵探伤仪(1)根据延迟时间τi分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给线性超声相控阵探头(3a)内的对应晶片，使晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝(5)；
(2.4)、超声回波信号的接收：带有聚焦效果的超声波进入电子束焊缝(5)，经过电子束焊缝(5)的缺陷或电子束焊缝(5)本身的反射返回线性超声相控阵探头(3a)，使线性超声相控阵探头(3a)内的晶片发生振动，晶片将振动信号转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪(1)，超声相控阵探伤仪(1)接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τi将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ1传递给控制计算机(2)；
(2.5)、确定第r组晶片序列，r＝2,3，……，n-m+1，第r组晶片序号为r，r+1，……，m+r-1，每确定一组序列后重复步骤(2.2)～步骤(2.4)，使超声波聚焦于电子束焊缝(5)中的声束聚焦深度δr，得到第r组晶片序列下的超声回波信号ζr；将ζ2到ζn-m+1共n-m组超声回波信号传递给控制计算机(2)；
控制线性超声相控阵探头(3a)沿电子束焊缝(5)长度方向移动Δx，Δx＝0.1mm～1mm，滚轮式编码器(4)将此时的位置信息传递给超声相控阵探伤仪(1)，并通过超声相控阵探伤仪(1)传递给控制计算机(2)，保持线性超声相控阵探头(3a)位置不变，重复步骤(2.1)～步骤(2.5)之后，再将线性超声相控阵探头(3a)移到下一位置重新获取和记录位置信息及超声回波信号，直到线性超声相控阵探头(3a)由电子束焊缝(5)的一侧移动到另一侧为止。
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