CN110618200B - 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头 - Google Patents

一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，属于无损检测领域。传感器由多个压电单元构成矩阵，分别将其置于柔性矩阵框架中；内部柔性框架两边的装置可以调整两侧压电单元与焊缝的接触角度，获得更大的接触面积，实现发射探头和接收探头与焊缝的最佳耦合，使其更好的发挥检测性能；探头整体底部设置数个电磁铁吸附，通电工作后可将整个探头紧密吸附于被检钢板上，免去了人手动扶持进行检测的麻烦；该探头结构简单、适应性强、检测效率高，适用于表面曲率不均、结构复杂的较大设备对接焊缝缺陷检测中，应用前景广阔。

Description

一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头。
背景技术
焊接是生活中常见的生产工艺，在现代工业生产中具有十分重要的作用，它是很多大型结构如压力容器、船舶、海洋平台等制造的关键技术。据统计，在压力容器制造中，焊接工作量占总工作量的30％以上，因此焊接质量对结构质量和使用安全可靠性有直接影响。
超声检测是目前应用最为广泛的焊缝无损检测方法之一，与其它常规无损检测技术相比，超声探伤法能检测的缺陷很小、速率快、操作简单易行且便于现场检测。但是超声检测法存在盲区，只能检测厚板，且采用的是逐点扫查检测方式，效率很低，不能对复杂结构进行全面、快速检测。
近年来，超声导波检测发展成为一种新方法，超声导波检测技术是利用超声波原理，将激励传感器激励出的超声波入射到目标中，超声波在目标物形成的波导中不断反射和散射，使超声波沿着波导传播，然后再通过接收传感器接收传播的信号，即可检测和表征被测工件的缺陷、几何性质、组织结构和机械力学性能等。此方法弥补了传统检测方法检测效率低的不足，并且能通过一次扫描即可检测到被检工件表面和内部的缺陷。导波传播的距离远，能够检测很大的工件，而且检测的速度快、效率高，因此超声导波检测技术应用前景广阔。
目前，在国外已经出现以导波检测技术为基础的新型管道检测仪，并且已经应用于管道的在役检测中。从国外学者的研究中我们发现，超声导波检测技术不仅具有高效检测能力和可实现长距离在役检测，而且还能运用在例如T型焊板、铁轨、飞机特种零件以及对接焊板中的焊缝等复杂结构中，导波可以在这些复杂结构所形成的波导中传播。这为研究导波在焊缝检测中的应用提供了理论依据，也让我们看到了超声导波在焊缝缺陷检测应用中的广阔前景。
将超声导波应用于焊缝探伤，必须让导波探头固定在焊缝上，并且让探头和焊缝更好的耦合现有的超声检测方法只能手持导波探头进行检测，无法将导波探头可靠地固足在焊缝上，影响检测的准确度，也不能较好地适应宽度不同的焊缝探伤。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，解决了焊缝缺陷检测过程中表面贴合度低，贴合不紧密、检测精度低、适应性差的问题。
本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，探头前端包括：数个压电传感器单元(1)、传感器放置装置(2)、角度调整装置(3)、柔性吸声垫板(4)、电磁铁吸附固定装置(5)、吸声材料填充物(6)、外壳(7)；探头的外壳(7)为长方体，外壳(7)前端固定有所述传感器放置装置(2)，所述压电传感器单元(1)放置在传感器放置装置(2)的凹槽之中，数个压电传感器单元(1)采用阵列方式排布，所述角度调整装置(3)调整两侧压电传感器单元(1)所在平面的角度；压电传感器单元(1)上部放置阻尼块(11)，吸声材料填充物(6)填充在探头内部，包覆在压电传感器单元(1)和阻尼块(11)周围；所述柔性吸声垫板(4)设置于整个探头的前端一圈，分别粘在外壳(7)上；所述电磁铁吸附固定装置(5)设置在探头前端的四角，用绝缘胶体粘在外壳(7)上。
进一步，所述角度调整装置(3)包括连接板(31)、环装卡扣(32)和转动杆(33)，连接板(31)连接环装卡扣(32)，环装卡扣(32)中心设置转动杆(33)并延伸到外壳(7)外部，环状卡扣(32)与内部采用基轴过盈配合连接，转动杆(33)穿出在外壳(7)上的孔(34)。
进一步，位于中部阵列的传感器放置装置(2)两侧固定板(21)分别通过环装卡扣(32)和两个转动杆(33)连接，两个环装卡扣(32)的另外一端分别和连接板(31)相连，然后连接板(31)又分别和位于最外端两侧阵列的传感器放置装置(2)相连，环装卡扣(32)可方便旋转转动杆(33)进而调整两侧传感器所在平面的角度，使压电传感器单元完美贴合与不同厚度、凹凸不平的焊缝表面，实现0-75°的角度调整。
进一步，所述压电传感器单元(1)上部放置阻尼块(11)，用于稳定传感器在工作结束后的不再必要的振动，同时吸收从晶片背面反射来的干扰杂波。
进一步，数个压电传感器单元(1)的阵列方式，其中横向排列数量取决于焊缝宽度，纵向排布数量可增减。
进一步，所述电磁铁吸附固定装置(5)为四个金属圆柱(52)，材质为铁或铜，用螺旋线圈(51)缠绕在金属圆柱(52)上，金属圆柱(52)与外壳(7)绝缘粘接，通电工作后螺旋线圈(51)与金属圆柱(52)产生磁性后能够将整个探头吸附于钢板和焊缝(8)上，断电后磁性消失又能够灵活取下。
进一步，所述柔性吸声垫板(4)，材质为矿物棉，该材质为柔性材质，在受力时可形变，当电磁铁吸附装置将整个探头吸附于焊缝表面时，整个探头高度固定，而柔性吸声垫板(4)能够改变形状使探头与焊缝凸起密切耦合，适用于高低不平的焊缝表面。
进一步，所述吸声材料填充物(6)为吸声纤维棉，材质为聚酯纤维。
前述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，数个压电传感器单元1采用阵列方式排布，不仅仅局限于附图所示的3*3阵列方式，其中横向排列数量取决于焊缝宽度，纵向排布数量可在适合的条件下增加，例如采用3*4、3*5等排列。
本发明的有益效果是：
(1)本发明结构简单、稳定可靠、适用性较强，使安装在焊缝和焊缝两侧的探头不受焊缝形状和表面平整度的限制，可适用于长距离、较宽的焊缝探工作，实现与不同焊缝表面的最佳耦合。检测时，对于不同曲率表面和结构的焊缝能够自由改变传感器的接触角度并紧密贴合，数个导波激励单元同时激励，可大大增强所需导波模态的回波强度、提高反射率、检测效率和精度。
(2)装置底部的电磁铁吸附装置在工作时可将装置吸附于钢板焊缝表面，免去了之前检测过程中全程依靠人来扶持工作的麻烦，且断电后磁性消失，便可正常取下，操作简单方便。
(3)同时，在探头底部的柔性隔声垫板可以在检测过程中有效的减少因机械振动等环境或人为因素带来的影响，提高检测准确率；还可以有效吸收外界环境的噪声和波形扩散所带来的焊缝外部反射波，使获得的检测结果图像更加可靠。
附图说明
图1为一种基于特征导波的焊缝缺陷检测柔性阵列传感器探头结构示意图；
图2为图1的仰视视图；
图3为图1的俯视视图；
图4为本发明配合压电阵列传感器实施例示意图(去除了探头外壳)。
图中：1-压电传感器单元；2-传感器放置装置；3-角度调整装置；4-柔性吸声垫板；5-电磁铁吸附固定装置；6-吸声材料填充物；7-外壳；8-焊缝；11-阻尼块；12-电缆；21-固定板；31-连接板；32-环装卡扣；33-转动杆；34-孔；51-螺旋电线；52-金属圆柱；71-电线孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1-3所示，本发明适用于两块钢板的对接焊缝和部分管道环状焊缝的检测，包括9个阵列排布的压电传感器单元1，以及对应的9个传感器放置装置2，以中间的装置为中轴阵列排布；采用基轴过盈配合角度调整装置3、柔性吸声垫板4、电磁铁吸附固定装置5、吸声材料填充物6、外壳7，外壳7为长方体；所述传感器放置装置2通过固定板21固定在外壳7上。所述柔性吸声垫板4设置于整个探头的前端一圈，采用矿物棉材料，分别粘在外壳7上，以使探头与焊缝表面完美耦合，柔性材质受力形变可产生适合于焊缝凸起的曲面，便可适用于高低不平的焊缝表面，同时又可减少因机械碰撞带来的探头磨损和检测结果偏差等问题。所述外壳7为长方体，材质或金属，如钢等廉价金属，或其他硬性材料。
电磁铁吸附固定装置5设置在探头前端的四角，由四个金属圆柱52和相应的螺旋电线51缠绕在上面，将其用绝缘胶体粘在外壳7上，在通电工作时，可将本发明吸附于钢板焊缝8表面，使其达到最佳耦合效果，同时免去了人为手持操作的麻烦，提高检测准确度，断电后磁性消失又可灵活取下。
压电传感器单元1放置在传感器放置装置2的凹槽之中，传感器通过电线并连，同时与电磁铁的电线汇聚成一根电缆12后通过探头后方的电线孔71穿出与电源连接，压电传感器单元1上部放置阻尼块11，用于稳定传感器在工作结束后的不再必要的振动，同时吸收从晶片背面反射来的干扰杂波。吸声材料填充物6填充在探头外壳7内部，包覆在压电传感器单元1和阻尼块11上部，这样可以减小外部环境噪声所带来的负面影响，使探伤结果更加准确。
角度调整装置3包括连接板31、环装卡扣32和转动杆33，环状卡扣32与内部采用基轴过盈配合连接，两端可达到固定连接要求，转动杆33穿出在外壳7上的孔34，可方便旋转转动杆33灵活调整两侧传感器所在平面的角度，实现0-75°的角度调整，使传感器完美贴合与不同厚度、凹凸不平的焊缝表面，增大耦合面积，获取更好的耦合效果。
一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，有以下实施例：
如图1、图4所示，为配合说明，本实施例中压电传感器单元1阵列方式为3*3形式，探头内部传感器放置装置2也采用3*3形式。首先将压电传感器单元1逐一嵌装入传感器放置装置2中，将阻尼块11粘接于压电传感器单元1上方，用于固定传感器使其保持水平置于装置中，使其中放置在中间的用于接受信号的压电传感器单元1底部抵靠在呈弧形突起的焊缝8中心上，位于两侧的用于发射的压电传感器单元1通过角度调整装置3对称倾斜设置在用于接受信号的压电传感器单元1两侧的钢板和焊缝上，这样可使传感器完美的贴合于被检钢板焊缝8上，实现最佳耦合效果。
此时将整个装置放置于焊缝之上后，在焊缝表面涂上粘性耦合剂，将角度调整装置3的转动杆33转动一定角度后使左右两侧的传感器放置装置平行贴住焊缝表面，接通电磁铁吸附装置5电源，将整个探头吸附于钢板上，使各个压电传感器单元1底部分别靠紧在焊缝和焊缝两侧的钢板上，再接通压电传感器单元1电源开始检测工作。
需明确指出，探头和传感器阵列方式不仅仅局限于此处所指实施例，其中传感器阵列方式可改变，而设计的传感器放置装置2数量和结构形式也随着阵列方式的不同而作相应改动。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，探头前端包括：数个压电传感器单元(1)、传感器放置装置(2)、角度调整装置(3)、柔性吸声垫板(4)、电磁铁吸附固定装置(5)、吸声材料填充物(6)、外壳(7)；
探头的外壳(7)为长方体，外壳(7)前端固定有所述传感器放置装置(2)，所述压电传感器单元(1)放置在传感器放置装置(2)的凹槽之中，数个压电传感器单元(1)采用阵列方式排布，所述角度调整装置(3)调整两侧压电传感器单元(1)所在平面的角度；压电传感器单元(1)上部放置阻尼块(11)，吸声材料填充物(6)填充在探头内部，包覆在压电传感器单元(1)和阻尼块(11)周围；所述柔性吸声垫板(4)设置于整个探头的前端一圈，分别粘在外壳(7)上；所述电磁铁吸附固定装置(5)设置在探头前端的四角，用绝缘胶体粘在外壳(7)上；
位于中部阵列的传感器放置装置(2)两侧的固定板(21)分别通过环装卡扣(32)和两个转动杆(33)连接，两个环装卡扣(32)的另外一端分别和连接板(31)相连，然后连接板(31)又分别和位于最外端两侧阵列的传感器放置装置(2)相连，环装卡扣(32)可方便旋转转动杆(33)进而调整两侧传感器所在平面的角度，使压电传感器单元完美贴合与不同厚度、凹凸不平的焊缝表面，实现0-75°的角度调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，所述角度调整装置(3)包括连接板(31)、环装卡扣(32)和转动杆(33)，连接板(31)连接环装卡扣(32)，环装卡扣(32)中心设置转动杆(33)并延伸到外壳(7)外部，环状卡扣(32)与内部采用基轴过盈配合连接，转动杆(33)穿出在外壳(7)上的孔(34)。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，所述压电传感器单元(1)上部放置阻尼块(11)，用于稳定传感器在工作结束后的不再必要的振动，同时吸收从晶片背面反射来的干扰杂波。
4.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，数个压电传感器单元(1)的阵列方式，其中横向排列数量取决于焊缝宽度，纵向排布数量可增减。
5.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，所述电磁铁吸附固定装置(5)为四个金属圆柱(52)，材质为铁或铜，用螺旋线圈(51)缠绕在金属圆柱(52)上，金属圆柱(52)与外壳(7)绝缘粘接，通电工作后螺旋线圈(51)与金属圆柱(52)产生磁性后能够将整个探头吸附于钢板和焊缝(8)上，断电后磁性消失又能够灵活取下。
6.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，所述柔性吸声垫板(4)，材质为矿物棉，该材质为柔性材质，在受力时可形变，当电磁铁吸附装置将整个探头吸附于焊缝表面时，整个探头高度固定，而柔性吸声垫板(4)能够改变形状使探头与焊缝凸起密切耦合，适用于高低不平的焊缝表面。
7.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测阵列式传感器柔性探头，其特征在于，所述吸声材料填充物(6)为吸声纤维棉，材质为聚酯纤维。
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