CN107576729B - 基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统，包括焊缝缺陷实时检测模块、图像处理模块、缺陷信息显示模块。本发明还提出基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统的方法，包括如下步骤：所述焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给所述图像处理模块；所述图像处理模块接收来自所述焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给所述缺陷信息显示模块；所述缺陷信息显示模块接收来自所述图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统及方法，属于搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测技术领域。
背景技术
目前，随着轨道车辆运行速度的不断提高，为了减轻自重车体大量采用铝合金型材结构。由于搅拌摩擦焊具有接头性能好、焊接过程不需气体保护、无烟尘及飞溅等优点，各铁路车辆制造企业都在开发将这一新的先进焊接技术用于铝合金型材的焊接。然而，当搅拌摩擦焊焊接工艺参数选择不合理时，焊缝中会出现紧贴、细微和位向复杂的缺陷，增加了无损检测的难度。
传统的射线照相检测技术仍是铝合金熔焊缝缺陷的主要检测方式，由于传统射线照相检测无法测量缺陷在焊缝高度方向上的尺寸和位置，在缺陷的定位和排除方面存在不足，从而加大缺陷排除的工作量，甚至由于缺陷排除方向错误造成焊缝挖穿，影响补焊质量。为了提高检测精度和检测效率，节省人工体力，研制一种基于超声相控阵的搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测及快速提取方法是有必要的。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统及方法，以实现快速获取缺陷尺寸和位置信息，在缺陷的定位和排除方面减轻缺陷排除的工作量，提高了准确性及工作效率。
本发明采用如下技术方案：基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统，其特征在于，包括焊缝缺陷实时检测模块、图像处理模块、缺陷信息显示模块，所述焊缝缺陷实时检测模块的输出端与所述图像处理模块的输入端相连接，所述图像处理模块的输出端与所述缺陷信息显示模块的输入端相连接。
作为一种较佳的实施例，所述焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给所述图像处理模块；所述图像处理模块接收来自所述焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给所述缺陷信息显示模块；所述缺陷信息显示模块接收来自所述图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
本发明还提出基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：所述焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给所述图像处理模块；
步骤SS2：所述图像处理模块接收来自所述焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给所述缺陷信息显示模块；
步骤SS3：所述缺陷信息显示模块接收来自所述图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1具体包括如下步骤：
步骤SS11：对铝合金搅拌摩擦焊搭接接头，使用机加工将焊接过程中接头表面产生的飞边、弧纹去除，使焊接接头两面保持光滑平整；
步骤SS12：将超声相控阵探头放置在焊接接头的一侧表面，超声相控阵探头端面与试验件表面成平行关系，对焊缝分别进行A扫描和S扫描；
步骤SS13：所述步骤SS12中进行A扫描的超声相控阵仪设置的关键参数为：探头频率5 MHz ～10MHz，耦合方式采用局部水浸，声束偏转角度45°，聚焦深度为搭接板厚；使整个搭接焊缝的厚度被超声波全覆盖，避免检测盲区，保存A扫描图像；
步骤SS14：所述步骤SS12中进行S扫描的超声相控阵仪设置的关键参数为：探头频率5 MHz ～10MHz，耦合方式采用局部水浸，声束偏转角度30°～70°，聚焦深度为搭接板厚，扫查方式跨焊缝锯齿形扫查，使整个搭接焊缝的厚度被超声波全覆盖，避免检测盲区，保存S扫描图像。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2具体包括如下步骤：
步骤SS21：图像读取：通过编程获取A扫描视图和S扫描视图，A扫描视图包含A扫描图像、闸门、A扫描信号标尺；S扫描图像包含S扫描图像、闸门、S扫描信号标尺；
步骤SS22：区域划分：对A扫描视图和S扫描视图进行感兴趣目标区域划分，分别提取A扫描图像、A扫描信号标尺、S扫描图像、S扫描信号标尺；
步骤SS23：图像处理：对步骤SS22获取的A扫描图像、S扫描图像进行图像转换，将彩色RGB图像转为灰度图像 、滤波、二值化，然后提取特征值；
步骤SS24：标定标尺：对步骤SS22获取的A扫描信号标尺、S扫描信号标尺进行图像转换，将彩色RGB图像转为灰度图像 、滤波、二值化，然后提取标尺单位。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3具体包括：所述缺陷信息显示模块将A扫描信号特征值与A扫描信号标尺进行标定，得到缺陷的深度，再将S扫描信号特征值与S扫描信号标尺进行标定，得到缺陷尺寸。
本发明所达到的有益效果：本发明提出基于超声相控阵的搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测及快速提取系统及方法，通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，通过图像处理模块实时提取缺陷尺寸和位置信息，可对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析，解决了传统射线照相检测无法测量缺陷在焊缝高度方向上的尺寸和位置，在缺陷的定位和排除方面存在不足，从而加大缺陷排除的工作量，甚至由于缺陷排除方向错误造成焊缝挖穿，影响补焊质量的技术问题。
附图说明
图1是NI LABVIEW8.1编程环境下超声相控阵的搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测图像的示意图。
图2是A扫描标尺示意图。
图3是A扫描信号示意图。
图4是A扫描信号RGB转换成灰度示意图。
图5是滤波二值化后的A扫描信号示意图。
图6是旋转90度的A扫描信号示意图。
图7是阈值后的A扫描信号示意图。
图8是S扫描标尺示意图。
图9是S扫描信号示意图。
图10是S扫描信号RGB转换成灰度示意图。
图11是滤波二值化后的S扫描信号示意图。
图12是阈值后的S扫描信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提出一种基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取系统，其特征在于，包括焊缝缺陷实时检测模块、图像处理模块、缺陷信息显示模块，所述焊缝缺陷实时检测模块的输出端与所述图像处理模块的输入端相连接，所述图像处理模块的输出端与所述缺陷信息显示模块的输入端相连接。
作为一种较佳的实施例，所述焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给所述图像处理模块；所述图像处理模块接收来自所述焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给所述缺陷信息显示模块；所述缺陷信息显示模块接收来自所述图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
本发明还提出一种基于NI LABVIEW8.1的超声相控阵的搅拌摩擦焊缝缺陷检测及快速提取方法，通过工控机读取相控阵数据采集卡获得超声相控阵的搅拌摩擦焊焊缝缺陷检图像。图1为NI LABVIEW8.1编程环境下读取超声相控阵的搅拌摩擦焊焊缝缺陷检图像。
对图1进行感兴趣目标区域划分。图2是A扫描标尺示意图，取值范围左边侧像素值为8，右边像素值为19，顶端像素值为23，下端像素值为420，通过计算得2mm占58个像素，即A扫描标尺为29像素/mm。
A扫描信号区域取值范围：左边侧像素值为22，右边像素值为228，顶端像素值为23，下端像素值为420，图3是A扫描信号示意图。
由于A扫描信号是RGB图，取其中G获得单色图，再将单色图转换为灰度图，像素值范围在0~15用255代替，得到如图4所示的A扫描信号RGB转换成灰度示意图。
对图4进行中值滤波二值化后得到如图5所示的滤波二值化后的A扫描信号示意图。
为了提高图像处理速度，将图5进行图像转为二维数组，同时将二维数组旋转90度，得到如图6所示的旋转90度的A扫描信号示意图。
对图6进行提取，图中水平线是阈值线，大于阈值线高度的数值保留下来，低于阈值线高度的数值删除掉，图7是阈值后的A扫描信号示意图。图7的峰值X像素坐标为198，除以A扫描标尺29像素/mm，得到缺陷深度为6.83mm。
图8是S扫描标尺示意图，取值范围左边侧像素值为233，右边像素值为660，顶端像素值为422，下端像素值为434，通过计算得2mm占47个像素，即S扫描标尺为23.5像素/mm。
图9是S扫描信号示意图，值范围左边侧像素值为233，右边像素值为661，顶端像素值为23，下端像素值为420。
图10是S扫描信号RGB转换成灰度示意图。
图11是滤波二值化后的S扫描信号示意图。
图12是阈值后的S扫描信号示意图，含有像素点数1359个。图像中心X像素坐标为158，Y像素坐标为223，X方向最大值为71个像素。上述数字除以S扫描标尺23.5像素/mm，得缺陷尺寸为2.46mm2，等效长度为3.02 mm，等效宽度为0.81 mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给图像处理模块；
步骤SS2：图像处理模块接收来自焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给缺陷信息显示模块；步骤SS2具体包括如下步骤：
步骤SS21：图像读取：通过编程获取A扫描视图和S扫描视图，A扫描视图包含A扫描图像、闸门、A扫描信号标尺；S扫描图像包含S扫描图像、闸门、S扫描信号标尺；
步骤SS22：区域划分：对A扫描视图和S扫描视图进行感兴趣目标区域划分，分别提取A扫描图像、A扫描信号标尺、S扫描图像、S扫描信号标尺；
步骤SS23：图像处理：对步骤SS22获取的A扫描图像、S扫描图像进行图像转换，将彩色RGB图像转为灰度图像、滤波、二值化，然后提取特征值；
步骤SS24：标定标尺：对步骤SS22获取的A扫描信号标尺、S扫描信号标尺进行图像转换，将彩色RGB图像转为灰度图像、滤波、二值化，然后提取标尺单位；
步骤SS3：缺陷信息显示模块接收来自图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
2.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取方法，其特征在于，所述步骤SS1具体包括如下步骤：
步骤SS11：对铝合金搅拌摩擦焊搭接接头，使用机加工将焊接过程中接头表面产生的飞边、弧纹去除，使焊接接头两面保持光滑平整；
步骤SS12：将超声相控阵探头放置在焊接接头的一侧表面，超声相控阵探头端面与试验件表面成平行关系，对焊缝分别进行A扫描和S扫描；
步骤SS13：所述步骤SS12中进行A扫描的超声相控阵仪设置的关键参数为：探头频率5MHz～10MHz，耦合方式采用局部水浸，声束偏转角度45°，聚焦深度为搭接板厚；使整个搭接焊缝的厚度被超声波全覆盖，避免检测盲区，保存A扫描图像；
步骤SS14：所述步骤SS12中进行S扫描的超声相控阵仪设置的关键参数为：探头频率5MHz～10MHz，耦合方式采用局部水浸，声束偏转角度30°～70°，聚焦深度为搭接板厚，扫查方式跨焊缝锯齿形扫查，使整个搭接焊缝的厚度被超声波全覆盖，避免检测盲区，保存S扫描图像。
3.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取方法，其特征在于，所述步骤SS3具体包括：所述缺陷信息显示模块将A扫描信号特征值与A扫描信号标尺进行标定，得到缺陷的深度，再将S扫描信号特征值与S扫描信号标尺进行标定，得到缺陷尺寸。
4.采用如权利要求1所述的基于超声相控阵的焊缝缺陷检测和快速提取方法的系统，其特征在于，包括焊缝缺陷实时检测模块、图像处理模块、缺陷信息显示模块，所述焊缝缺陷实时检测模块的输出端与所述图像处理模块的输入端相连接，所述图像处理模块的输出端与所述缺陷信息显示模块的输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述焊缝缺陷实时检测模块在检测过程通过超声相控阵探头平行于焊缝方向匀速移动，实时接收铝合金车体搅拌摩擦焊焊缝中的缺陷回波信号形成的图像，并将图像传输给所述图像处理模块；所述图像处理模块接收来自所述焊缝缺陷实时检测模块的图像实时提取缺陷尺寸和位置信息，并对铝合金搅拌摩擦焊缺陷深度定位和定量分析获得信号特征值和信号标尺，并将信号特征值和信号标尺传输给所述缺陷信息显示模块；所述缺陷信息显示模块接收来自所述图像处理模块的信号特征值和信号标尺进行标定，得到缺陷的深度和缺陷尺寸。
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