CN108241023B - 装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺及其确定方法 - Google Patents

装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺及其确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺及其确定方法，属于超声波检测领域。解决了装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝剖口、结构和成型较复杂，整车装配后车体结构复杂，不宜采用射线和手工超声波检测工艺进行检测的问题。该超声波检测工艺确定方法，模拟仿真焊缝结构及各类型缺陷，提出关键焊缝最合适的多波束超声波仿真检测工艺，其中包括：45°二次横波检测焊缝上部，75°横波检测焊缝中部，60°横波检测焊缝根部，在实际检测工艺中增加51°表面波，可以检测出焊缝表面及近表面裂纹。使用该发明工艺对焊缝进行扫查，一次检测覆盖焊缝全部位置，实现装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝的超声波检测。

Description

装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺及其确定方法
技术领域
本发明属于超声波检测领域，涉及装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝多波束超声波检测工艺。
背景技术
本发明所涉及的装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝属于对接焊缝，焊缝中容易存在气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等缺陷，焊缝质量直接影响到装甲车辆的使用可靠性。
目前国内对装甲车辆铝合金薄壳车体焊缝缺陷采用X射线和手工超声等工艺检测。
由于装甲车辆铝合金薄壳车体焊接成型后，焊缝结构复杂等因素影响，只有局部焊缝可采用X射线检测，大部分不适宜；常规超声检测方法是使用多种入射角探头(每检测一次只能用一个探头)，固定的角度手工扫查，扫查范围小，轨迹单一，每条焊缝需扫查多次，检测效率低下，盲区较大，漏检率高，不能检测表面缺陷。
装甲车辆铝合金车体焊缝剖口、结构和成型较复杂，整个车体成型后，不易采用射线和手工超声波检测方法进行检测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝难以用常规无损检测方法进行缺陷检测的问题，本发明提出的多波束超声波检测工艺及确定方法，一次检测覆盖焊缝全部位置，实现装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝的超声波检测。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，该方法包括下述步骤；
第一步：焊缝仿真:根据焊缝结构及焊缝所在车体位置，对每种角度焊缝结构进行仿真，并确定不同角度焊缝的检测面；
第二步：缺陷仿真：装甲车辆针对车体判定焊缝可能产生的缺陷类型和位置，将每种焊缝的不同位置仿真各种缺陷的类型及位置；
缺陷类型包括表面裂纹、内部气孔、夹杂、未熔合及根部未焊透；缺陷分为体积型缺陷和面积型缺陷，在仿真中Ф2mm球孔和2mm*2mm分别代表体积和面积型缺陷；
第三步：工艺仿真：对探头波束、频率、探头晶片尺寸和检测波参数进行仿真，建立焊缝各区域最合适的波束类型及参数组合；
(1)对探头波束进行仿真,确定探头波束：对于焊缝内部，采用非聚焦探头；针对根部未焊透缺陷，采用聚焦探头；
(2)对探头频率进行仿真，确定探头频率；
(3)对探头晶片尺寸的仿真，确定探头晶片尺寸；
(4)对检测波进行仿真，确定探头检测波折射角和入射角，选择多个探头多个角度进行仿真；
第四步，编制工艺；根据上述仿真结论，形成焊缝多波束检测工艺。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，探头频率采用5MHz；探头选择Φ9mm晶片探头。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，除了按照仿真过程中得到的各个检测参数进行检测之外，还包括采用入射角为51°的表面波进行检测。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，在上述的缺陷仿真中，具体包括以下缺陷的类型及位置：左、右两侧坡口表面的仿真未焊透缺陷D1和D5，缺陷尺寸为2mm×2mm；焊缝坡口内部左、右两侧位置的仿真未焊透缺陷D2和D4，缺陷尺寸为2mm×2mm；在焊缝根部仿真的纵向裂纹D3和焊缝表面中部仿真的纵向裂纹D6，裂纹尺寸为2mm×2mm；在焊缝表面中部仿真横向裂纹D7，裂纹尺寸为2mm×2mm；在焊缝1/3T处仿真内部夹杂缺陷S1，尺寸为Ф2mm；在焊缝1/2T处仿真内部气孔缺陷S2，尺寸为Ф2mm球孔；在焊缝内部任意位置仿真两个Ф2mm球孔缺陷S3，两个缺陷之间距离小于2mm，T为焊缝厚度。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，还包括第五步，制作真实焊缝缺陷试块；以及第六步，进行焊缝缺陷试块检测，达到进行一次检测或二次检测出所有缺陷，得到最终的检测工艺。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，其特征在于，第六步中，若不能一次或二次检测出所有缺陷，调整检测波入射角度和调整检测波频率。
装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，该工艺内容如下：
(1)探头波束：对于焊缝内部，采用非聚焦探头；对于焊缝根部，采用聚焦探头；
(2)确定探头频率：采用5MHz；
(3)探头晶片尺寸：选择Φ9mm晶片探头；
(4)至少采用5个探头，各个探头入射角及具体检测方法如下：
A.采用折射角为45°二次横波，探头距焊缝中心线距离:30.5mm，检测焊缝上部靠近探头一侧；
B.采用折射角为45°二次横波，探头距焊缝中心线距离:22.5mm，检测焊缝上部中间位置；
C.采用折射角为75°横波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝中部；
D.采用折射角为60°横波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝根部；
E.采用表面波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝表面及近表面；
(5)预先按照各个探头检测波的入射角或折射角和探头距离焊缝中心的位置，确定探头的方向和位置，并对各个探头进行固定；探头的各个参数预先进行设置，用于一次检测。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，所应用的焊缝为对接焊缝。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，该工艺经过所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法进行得出。
优选地，上述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，焊缝仿真过程采用的仿真结构为：V型坡口，两焊件表面呈172°，坡口呈88，焊缝高度和宽度分别为：12mm和33mm。
(三)本发明的关键点：
1、通过仿真进行多波束组合设计，不同频率探头与不同角度楔块通过组合完成焊缝的全覆盖，一次性可检测出所有定义的缺陷；一次扫查覆盖焊缝全部位置，实现装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝的超声波检测。
2、利用多波束探头组合可以检出表面缺陷；
为了提高焊缝表面缺陷的检出率，在仿真的检测工艺基础上，增加入射角51°表面波。两个折射角45°横波难以检测出D1和D7缺陷，表面波检测焊缝表面及近表面裂纹的检测灵敏度极高，表面波对这两个缺陷的波幅信号较强，同时对D5、D6缺陷的波幅信号也很强，有效提高表面缺陷的检测率。
(四)有益效果
本发明的优点在于，其所发明的焊缝超声波检测工艺，可以一次性完成焊缝的全覆盖，降低漏检率，实现对装甲车辆铝合金薄壳车体焊缝缺陷的超声波检测；提高工作效率；通过改变声速和入射角等参数，可实现对钛合金、高温合金、以及对复合材料等大型零部件复杂焊缝进行检测。
附图说明
图1仿真焊缝结构三维视图；
图2仿真焊缝结构剖视图；
图3焊缝的仿真缺陷排列俯视图；
图4焊缝的仿真缺陷排列侧视图；
图5焊缝的仿真缺陷排列截面示意图；
图6 45°横波探头仿真扫查探头一侧示意图；
图7 45°横波探头仿真扫查中间示意图；
图8 75°横波探头仿真扫查示意图；
图9 60°横波探头仿真扫查示意图。
其中，1－焊缝表面，2－焊缝1/3T处，3－焊缝1/2T处，4－焊缝2/3T处，5－焊缝根部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
本发明基于仿真工艺理论，从焊缝结构、缺陷形式等方面研究，进行检测工艺仿真，提出焊缝多波束检测方法。首先分析焊缝结构，对焊缝进行仿真；其次研究焊缝可能存在的缺陷类型，将缺陷定义在焊缝内；对探头波束、频率、探头晶片尺寸和入射角等参数进行仿真，建立焊缝各区域最合适的波束类型及参数组合；根据关键焊缝的复杂情况和仿真结论，以及声束和入射角等参数，形成焊缝多波束检测工艺；对编制的检测工艺进行验证，提出焊缝多波束超声波检测方法，一次检测过程中覆盖焊缝全部位置，实现铝合金车体焊缝的无损检测。技术方案如下：
1、焊缝仿真：分析每种焊缝的结构形式，采用不同的仿真工艺对每种角度焊缝进行仿真；
2、缺陷仿真：分析每种焊缝焊接工艺，定义缺陷类型，判定焊缝可能产生的缺陷，将缺陷仿真，并定义在每种焊缝的不同位置；
3、工艺仿真：对探头波束、频率、探头晶片尺寸和入射角等参数进行仿真，建立焊缝各区域最合适的波束类型及参数组合；
4、编制工艺：根据关键焊缝的复杂情况和仿真结论，以及声束和入射角等参数，形成焊缝多波束检测工艺；
5、工艺验证，对编制的检测工艺进行验证，提出焊缝多波束超声波检测方法。
本发明的装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝多波束超声波检测工艺，模拟仿真焊缝结构及各类型缺陷，提出关键焊缝最合适的多波束超声波仿真检测工艺，包括探头波束、频率、晶片尺寸和入射角等参数的仿真，形成焊缝多波束超声波检测工艺，技术方案如下如下：
第一步：焊缝仿真，根据焊缝结构及焊缝所在车体位置，采用不同的仿真工艺，对每种角度焊缝进行仿真，确定不同角度焊缝的检测面。
以焊缝HF1为例进行描述：
其中焊缝HF1为V型坡口，呈172度，单面焊接。焊缝HF1高度和宽度分别为：12mm和33mm，对焊缝进行仿真，如图2所示，根据焊缝HF1所在车体位置，确定其检测面。
第二步：缺陷仿真，对铝合金车体焊缝焊接工艺进行分析，定义缺陷类型，判定焊缝可能产生的缺陷，将缺陷仿真，并定义在每种焊缝的不同位置。
其中焊缝产生的缺陷类型有：表面裂纹、内部气孔、夹杂、未熔合及根部未焊透，缺陷分为体积型缺陷和面积型缺陷，在仿真中Ф2mm球孔和2mm*2mm分别代表体积和面积型缺陷，在所有工件中，各种焊缝的缺陷按照相同方式排列，方便区分。D1-D6、S1、S2验证超声覆盖情况，D7验证表面横向缺陷，S3验证检测分辨力。
第三步：工艺仿真，对探头波束、频率、探头晶片尺寸和入射角等参数进行仿真，建立焊缝各区域最合适的波束类型及参数组合；
(1)对探头波束进行仿真,确定探头波束。由仿真可知，对于焊缝内部，采用非聚焦探头满足实现焊缝全覆盖；针对根部未焊透等危险缺陷，采用聚焦探头能够实现缺陷精准定位；
(2)对探头频率进行仿真，确定探头频率。常用探头频率为2.5MHz和5MHz，对于横波检测和纵波检测来说，采用2.5MHz探头频率很难区分相距2mm的两个φ2mm缺陷，而采用5MHz探头能够很好的区分两个缺陷，探头频率5MHz的分辨力更高，由仿真确定，采用5MHz。
(3)对探头晶片尺寸的仿真，确定探头晶片尺寸。为了优化探头盘尺寸、满足覆盖要求，对比Φ6mm与Φ9mm探头的检测结果，从仿真扫描中可以看出，Φ9mm探头缺陷回波信号幅值明显大于Φ6mm，且Φ6mm晶片分辨力比与Φ9mm晶片分辨力相差不大。因此结合探头盘的设计要求和缺陷响应的仿真结果，选择Φ9mm晶片探头。
(4)对各个探头检测波进行仿真，探测波折射角满足检测要求。
以焊缝HF1为例：
A.仿真过程：探测波为折射角45°二次横波，探头距中心线距离:30.5mm，检测HF1焊缝，缺陷D4、D5波幅信号较强；
B.仿真过程：探测波俄日折射角45°二次横波，探头距中心线距离:22.5mm，检测HF1焊缝，缺陷D4、S1、S3波幅信号较强，缺陷D6波幅信号较弱；
C.仿真过程：探测波为折射角75°横波，探头距中心线距离:22.2mm，检测HF1焊缝，缺陷D2、S2、S3波幅信号较强；
D.仿真过程：探测波为折射角60°横波，探头距中心线距离:22.2mm，为实现根部缺陷信号的位置准确定位，采用聚焦探头对根部进行扫查。检测HF1焊缝，缺陷D3波幅信号较强。
第四步，编制工艺，根据关键焊缝的结构和上述仿真结论，形成焊缝多波束检测工艺。
HF1近似平板对接焊缝，采用45°二次横波检测焊缝上部，75°横波检测焊缝中部，60°横波检测焊缝根部，采用带偏转角的探头检测横向缺陷。
另外，在实际的实施过程中也可对仿真得出的检测工艺进行验证，得到最终的检检测工艺。
实例：
S1、焊缝仿真，如图1、图2所示，是装甲车铝合金薄壳车体的一种关键焊缝，为V型坡口，两焊件表面呈172°，坡口呈88°，焊缝高度和宽度分别为：12mm和33mm，仿真上述结构和尺寸的焊缝。
S2、缺陷仿真，在上述仿真的焊缝上增加缺陷。如图3、图4所示，将可能产生的缺陷仿真在上述仿真焊缝中，D1和D5分别是左、右两侧坡口表面的仿真未焊透缺陷，缺陷尺寸为2mm×2mm；D2和D4分别是焊缝坡口内部左、右两侧位置的仿真未焊透缺陷，缺陷尺寸为2mm×2mm；在焊缝根部仿真的纵向裂纹D3和焊缝表面中部仿真的纵向裂纹D6，裂纹尺寸为2mm×2mm；在焊缝表面中部仿真横向裂纹D7，裂纹尺寸为2mm×2mm；S1为在焊缝1/3T处仿真内部夹杂缺陷，尺寸为Ф2mm；S2为在焊缝1/2T处仿真内部气孔缺陷，尺寸为Ф2mm球孔；在焊缝内部任意位置仿真两个Ф2mm球孔缺陷S3，两个缺陷之间距离小于2mm。在仿真中，Ф2mm球孔缺陷和2mm*2mm缺陷分别代表体积和面积型缺陷，D1～D6、S1、S2缺陷类型验证超声覆盖情况，D7验证表面横向缺陷，S3验证检测分辨力。T为焊缝的厚度。
S3、仿真多波束超声波检测工艺
不同频率探头与不同入射角度组合设计形成的多波束超声波检测工艺，一次检测覆盖焊缝全部位置。焊缝的仿真多波束超声波检测工艺包括4个频率探头和4个入射角度，具体检测工艺如下：
(1).如图6所示，45°横波仿真示意图，扫查焊缝上部，探头距中心线距离:30.5mm，仿真波束选用非聚焦探头，能够实现焊缝内部全覆盖；为了提高分辨力，探头频率仿真采用5MHz，；为了提高探头缺陷回波信号幅值，探头晶片尺寸仿真选择Φ9mm。
(2).如图7所示，45°横波仿真示意图，扫查焊缝上部，探头距中心线距离:22.5mm，仿真波束选用非聚焦探头；探头频率仿真采用5MHz；探头晶片尺寸仿真，选择Φ9mm晶片探头。
(3).如图8所示，75°横波仿真示意图，扫查焊缝中部，探头距中心线距离:22.2mm，仿真波束选用非聚焦探头；探头频率仿真采用5MHz；探头晶片尺寸仿真，选择Φ9mm晶片探头。
(4).如图9所示，60°横波仿真示意图，扫查焊缝根部，探头距中心线距离:22.2mm，采用聚焦探头对根部进行扫查，实现根部缺陷信号位置的准确定位，探头频率仿真采用5MHz；探头晶片尺寸仿真，选择Φ9mm晶片探头。
S4、为了提高焊缝表面缺陷的检出率，在实际检测工艺中增加入射角为51°表面波(表面波无法仿真)，探头距中心线距离:22.2mm，波束选用非聚焦探头；探头频率采用5MHz；探头晶片尺寸选择8mm×8mm；表面波检测焊缝表面及近表面裂纹的检测灵敏度极高。
S5、制作真实缺陷试块
按照S1、S2制作真实焊缝试块，通过人为手段在焊接过程中干预焊缝的成型，产生自然焊接缺陷(包括S2中的所有缺陷)，应用S3和S4的检测工艺对真实缺陷试块进行检测。
S6、确定焊缝检测工艺
采用5个探头，分别为折射角45°二次横波检测焊缝上部，折射角75°横波检测焊缝中部，折射角60°横波检测焊缝根部，(入射角51°)表面波检测焊缝表面及近表面，具体检测结果如表1所示，能够检测出焊缝中预设的所有缺陷，一次扫查覆盖焊缝全部位置，因此，确定装甲车辆铝合金薄壳车体关键焊缝的超声波检测工艺。
表1焊缝检测工艺覆盖率
Figure GDA0002562681230000101
上表中前四行的角度为探测波在车辆铝合金车体内的折射角度。
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 (9)

1.装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，该方法包括下述步骤:
第一步：焊缝仿真:根据焊缝结构及焊缝所在车体位置，对每种角度焊缝结构进行仿真，并确定不同角度焊缝的检测面；
第二步：缺陷仿真：装甲车辆针对车体判定焊缝可能产生的缺陷类型和位置，将每种焊缝的不同位置仿真各种缺陷的类型及位置；
缺陷类型包括表面裂纹、内部气孔、夹杂、未熔合及根部未焊透；缺陷分为体积型缺陷和面积型缺陷，在仿真中Ф2mm球孔和2mm*2mm分别代表体积和面积型缺陷；
第三步：工艺仿真：对探头波束、频率、探头晶片尺寸和检测波参数进行仿真，建立焊缝各区域最合适的波束类型及参数组合；
(1)对探头波束进行仿真,确定探头波束：对于焊缝内部，采用非聚焦探头；针对根部未焊透缺陷，采用聚焦探头；
(2)对探头频率进行仿真，确定探头频率；
(3)对探头晶片尺寸的仿真，确定探头晶片尺寸；
(4)对检测波进行仿真，确定探头检测波折射角和入射角，选择多个探头多个角度进行仿真；
第四步，编制工艺；根据上述仿真结论，形成焊缝多波束检测工艺；
在上述的缺陷仿真中，具体包括以下缺陷的类型及位置：左、右两侧坡口表面的仿真未焊透缺陷D1和D5，缺陷尺寸为2mm×2mm；焊缝坡口内部左、右两侧位置的仿真未焊透缺陷D2和D4，缺陷尺寸为2mm×2mm；在焊缝根部仿真的纵向裂纹D3和焊缝表面中部仿真的纵向裂纹D6，裂纹尺寸为2mm×2mm；在焊缝表面中部仿真横向裂纹D7，裂纹尺寸为2mm×2mm；在焊缝1/3T处仿真内部夹杂缺陷S1，尺寸为Ф2mm；在焊缝1/2T处仿真内部气孔缺陷S2，尺寸为Ф2mm球孔；在焊缝内部任意位置仿真两个Ф2mm球孔缺陷S3，两个缺陷之间距离小于2mm，T为焊缝厚度。
2.根据权利要求1所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，探头频率采用5MHz；探头选择Φ9mm晶片探头。
3.根据权利要求1所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，除了按照仿真过程中得到的各个检测参数进行检测之外，还包括采用入射角为51°的表面波进行检测。
4.根据权利要求1、2或3所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，还包括第五步，制作真实焊缝缺陷试块；以及第六步，进行焊缝缺陷试块检测，达到进行一次检测或二次检测出所有缺陷，得到最终的检测工艺。
5.根据权利要求4所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法，其特征在于，第六步中，若不能一次或二次检测出所有缺陷，调整检测波入射角度和调整检测波频率。
6.装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，该工艺内容如下：
(1)探头波束：对于焊缝内部，采用非聚焦探头；对于焊缝根部，采用聚焦探头；
(2)确定探头频率：采用5MHz；
(3)探头晶片尺寸：选择Φ9mm晶片探头；
(4)至少采用5个探头，各个探头入射角及具体检测方法如下：
A.采用折射角为45°二次横波，探头距焊缝中心线距离:30.5mm，检测焊缝上部靠近探头一侧；
B.采用折射角为45°二次横波，探头距焊缝中心线距离:22.5mm，检测焊缝上部中间位置；
C.采用折射角为75°横波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝中部；
D.采用折射角为60°横波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝根部；
E.采用表面波，探头距焊缝中心线距离:22.2mm，检测焊缝表面及近表面；
(5)预先按照各个探头检测波的入射角或折射角和探头距离焊缝中心的位置，确定探头的方向和位置，并对各个探头进行固定；探头的各个参数预先进行设置，用于一次检测。
7.根据权利要求6所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，所应用的焊缝为对接焊缝。
8.根据权利要求6所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，该工艺经过权利要求1、2或3所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺确定方法进行得出。
9.根据权利要求6所述的装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺，其特征在于，焊缝仿真过程采用的仿真结构为：V型坡口，两焊件表面呈172°，坡口呈88°，焊缝高度和宽度分别为：12mm和33mm。
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