CN106383170A - 利用兰姆波的透射波测量搭接焊缝宽度的方法 - Google Patents
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Abstract
针对快速评价搭接焊缝力学性能的需求，本发明提供了一种通过快速测量搭接焊缝宽度的方法来评估焊缝质量，其特征在于：所述检测方法基于兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，利用兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度来测量搭接焊缝的宽度。
Description
技术领域
本发明属于超声波无损检测领域，特别提供一种利用兰姆波透射波的幅度测量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搭接焊缝的无损检测。
背景技术
板结构广泛地应用于工程实际中，如车辆的车身、飞机的机身、储油罐的底板等。板结构的焊接通常采用搭接的形式。由于焊缝在服役过程中会承载较大的载荷，容易发生失效造成安全事故，所以需要对焊缝的力学性能进行无损评价。焊缝宽度是搭接焊缝力学性能的一项重要指标，并且焊缝的拉剪力与焊缝宽度呈线性关系，即随着焊缝宽度增加，焊缝的抗拉剪能力越强。所以，需要一种无损检测方法来测量搭接焊缝的宽度，进而评价搭接焊缝的力学性能。
利用超声波测量焊缝宽度的方法主要有A扫、B扫、C扫和相控阵。由于超声A扫、B扫和C扫的方法都需要逐点扫查，费时费力，检测效率低下，所以不适合大批量工件的无损检测。而超声相控阵的仪器设备昂贵，普通企业无法承受，且对宽度较小的焊缝，检测精度有限。所以，需要一种快速廉价的无损检测新技术来测量搭接焊缝的宽度。
兰姆波具有长距离、全壁厚的检测特点，在板结构的无损检测中有广泛地应用。兰姆波检测技术已列入国内外的一些标准中，如美国军用标准MIL-STD-2154《变形金属超声波检验方法》、宇航材料规范AMS-2632《0.5英寸以下厚度薄板材料的超声检验》，以及我国军用标准GJB-1580《变形金属超声波检验方法》等。如果将兰姆波应用于搭接焊缝的无损检测中，则不失为一种有效的检测手段。
本发明提供的方法是将兰姆波经过搭接焊缝后的透射波幅度应用于搭接焊缝宽度的检测中。激励探头在距离搭接焊缝适当长度的薄板中，激励出频散较小的兰姆波；兰姆波经搭接焊缝透射后，被接收探头接收；随后，将接收探头接收到的信号在探伤仪或示波器上显示。经研究发现：兰姆波的透射波幅度与搭接焊缝宽度呈线性关系。本发明所述方法就是利用这种线性关系，测量搭接焊缝的宽度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种搭接焊缝宽度的测量方法，该方法是针对快速测量搭接焊缝宽度的需求所提出的，通过在板上激励出兰姆波，利用兰姆波经过搭接焊缝后的透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，测量搭接焊缝的宽度。
本发明具体提供了一种搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：所述检测方法基于兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，利用兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度来测量搭接焊缝的宽度。
本发明所述搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于，测量步骤如下：
1）、根据频散曲线和被测板厚度选择兰姆波的模态和激励频率；
2）、根据兰姆波的激励频率和入射角制作探头，探头的入射角通过snell定律求得；
3）、制作距离固定的对射探头组；
4）、制作不同焊缝宽度的标准试样；
5）、记录兰姆波经过标准试样后的透射波幅度和焊缝宽度数值；
6）、建立兰姆波透射波幅度和焊缝宽度的线性关系；
7）、根据兰姆波透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，测量搭接焊缝宽度。
步骤1）兰姆波激励频率的确立方法为：选择模态较少的激励频率，并且所选模态在该激励频率下频散较小。
步骤3）对射探头组的制作方法：将两个参数（激励频率、入射角、晶片尺寸等）完全相同的探头，以一定距离相对地固定在一条线上，使激励探头发射的兰姆波能量被接收探头最大程度地接收。
步骤4）制备标准试样：标准试样可以通过不同的焊接方法得到，如激光焊、氩弧焊、等离子弧焊等。通过改变不同的焊接参数，如：焊接速度，来得到不同宽度的焊缝。
步骤5）信号采集：将制作好的对射探头组与信号采集和显示装置等连接，形成测量装置，将探头组放置在标准试样表面，使发射探头声束与搭接焊缝的长度方向垂直。调节信号采集和显示装置（探伤仪）的增益，使信号采集和显示装置通过接收探头，接收到的兰姆波的透射波幅度。记录兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度，并记录此处焊缝宽度。
步骤6）建立兰姆波透射波的幅度和焊缝宽度关系：在不同焊缝宽度的标准试样上测试透射兰姆波的幅度，建立焊缝宽度和透射波幅度的关系。
本发明还提供了一种搭接焊缝宽度的测量装置，其特征在于：所述检测装置包括激励探头1、接收探头2、脉冲发射和接收装置3以及信号采集和显示装置4，其中探头1能够激励出兰姆波，探头2用于接收透射兰姆波，脉冲发射和接收装置3分别与探头1、探头2和信号采集和显示装置4相连，用于探头的激励和透射波的信号接收，信号采集和显示装置4用于实现信号的采集和显示。所述探头并不局限于探头种类，如超声探头、电磁探头、空气耦合超声探头等。
本发明采用标准试样5标定兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，该标准试样5不局限于尺寸、结构、焊接方式等。
附图说明
图1是待检搭接焊缝的模型（其中，6是上薄板，7是下薄板，8是激光搭接焊缝）。
图2是1.5mm厚304不锈钢板的频率和相速度关系的频散曲线。
图3是标准试样的金相照片。
图4是用于测量激光搭接焊缝宽度装置的示意图（其中，1是激励探头，2是接收探头，3是脉冲发射和接收装置，4是信号采集和显示装置，5是标准试样）。
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：以检测由两块1.5mm厚的304不锈钢板激光焊形成的搭接焊缝(如图1，激光搭接焊缝模型)为例，说明用兰姆波测量激光搭接焊焊缝宽度的方法。
步骤1)：根据频散曲线和被测板厚度选择兰姆波的模态和激励频率；
首先，通过数值方法得到兰姆波在1.5mm厚的不锈钢板中的频散曲线，如图2所示。从图中可以看出当激励频率为500kHz时，只有S0和A0两种模态，并且S0模态兰姆波的频散较小。所以，这里用激励频率为500kHz的S0模态兰姆波测量焊缝宽度。
步骤2)：根据兰姆波的激励频率和入射角制作探头，探头的入射角通过snell定律求得；
入射角由Snell公式：计算得到。其中，θ为探头的入射角，2720 m/s为有机玻璃中的声速，为选择的兰姆波S0模态在激励频率500kHz下的相速度（从频散曲线中可求得：）。通过公式计算可得：。
步骤3）、制作距离固定的对射探头组；
将制作好的两个性能参数一致的探头相对而放，相距100mm并固定好两个探头的位置，使得两探头的声束中心处于一条直线上。
步骤4)：标准试样的制备；
将两块1.5mm厚的304不锈钢板叠放后用激光焊焊接，通过改变不同的焊接速度得到不同宽度的焊缝。然后，将制取标准试样两侧的金相，从而达到焊缝的宽度。标准试样两侧的金相如图3所示。
步骤5)：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激励探头1、接收探头2、脉冲发射和接收装置3以及信号采集和显示装置4，其中，脉冲发射和接收装置3为Olympus脉冲发射接收器，信号采集和显示装置4使用数值示波器，使用到的设备和配件包括：两个激励频率500KHz、入射角32.5°的斜探头，一个Tektronix数字示波器，一个Olympus脉冲发射接收器，数据线三根。将探头1、2固定形成对射的探头组，连接在脉冲发射接收器上，将脉冲发射接收器的输出接在示波器上。将对射探头组横跨地放置在标准试样上，并使得探头组的中心线垂直于焊缝长度方向。调节脉冲发射接收器的发射能量和接收增益、示波器的放大倍数，使得兰姆波透射波清晰可见。记录透射波幅度和此处的焊缝宽度数值。
步骤6)：建立兰姆波反射系数和焊缝宽度关系；
得到不同宽度焊缝上的透射波幅度后，建立焊缝宽度和透射波幅度的关系，并可发现：焊缝宽度和透射波幅度呈线性关系。
步骤7)：根据兰姆波透射波幅度与焊缝宽度的关系，测量搭接焊缝宽度；
得到兰姆波透射波幅度与焊缝宽度的关系之后，当得到一个兰姆波透射波幅度后，就可以对应得到一个焊缝宽度值。
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 (5)
1.一种搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于：所述检测方法基于兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，利用兰姆波在搭接焊缝上的透射波幅度来测量搭接焊缝的宽度。
2.按照权利要求1所述搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于，测量步骤如下：
1）、根据频散曲线和被测板厚度选择兰姆波的模态和激励频率；
2）、根据兰姆波的激励频率和入射角制作探头，探头的入射角通过snell定律求得；
3）、制作距离固定的对射探头组；
4）、制作不同焊缝宽度的标准试样；
5）、信号采集，记录兰姆波经过标准试样后的透射波幅度和焊缝宽度数值；
6）、建立兰姆波透射波幅度和焊缝宽度的线性关系；
7）、根据兰姆波透射波幅度与焊缝宽度的线性关系，测量搭接焊缝宽度。
3.按照权利要求2所述搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤1）中待测薄板的频散曲线制备方法为：通过数值方法求解兰姆波在板中的波动方程，得到兰姆波的频散曲线。
4.按照权利要求2所述搭接焊缝宽度的测量方法，其特征在于，步骤6）建立兰姆波透射波幅度和焊缝宽度关系的方法为：在标准试样上用对射探头组测试不同宽度的焊缝，得到焊缝宽度和透射波幅度的线性关系。
5.一种搭接焊缝宽度的测量装置，其特征在于：所述检测装置包括激励探头（1）、接收探头（2）、脉冲发射和接收装置（3）以及信号采集和显示装置（4），其中激励探头（1）能够激励出兰姆波，接收探头（2）能够接收兰姆波，脉冲发射和接收装置（3）分别与激励探头（1）、接收探头（2）和信号采集和显示装置（4）相连，用于探头的激励和透射波信号的接收，信号采集和显示装置（4）用于实现信号的采集和显示。
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