CN110988139A - 一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法 - Google Patents

一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，在相控阵超声角度增益补偿ACG和时间增益补偿TCG的基础上，利用焊缝中的人工横孔设置灵敏度，通过声束覆盖模拟确定最佳扫查方式，采用垂直入射扇扫描和斜入射扇扫描两种方式实施检测，缺陷显示直观，定量与定位准确，解决了底板与舢板角接焊缝内部缺陷检测的关键技术问题，检测灵敏度不低于φ1×10mm‑10dB。

Description

一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法
技术领域
本发明涉及焊缝检测技术领域，具体涉及一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法。
背景技术
海洋浮标用于收集海洋水文水质气象资料，持久与稳定是必备的综合性能，但浮标长期服役于海况环境，对集成建造过程中的质量控制提出了较高要求。浮标壳体长期与海水直接接触，而焊接接头质量是影响浮标壳体整体质量的重要因素。浮标壳体中的对接焊缝通常采用射线检测检查焊接质量，但由于角接接头受检测空间和接头形式限制无法进行射线检测，难以准确检查接头内部质量。
浮标底板与舢板通过焊接连接，两者厚度差异较大，属于非等厚角接接头结构。该焊缝焊接时通常采用两侧填充方案，装配精度要求高，当焊接参数不规范或焊接人员操作不当时，易在两侧焊接熔合层熔合处出现未熔合缺陷，严重影响焊接接头质量。由于角接焊缝射线检测缺陷检出率低，且受浮标结构空间限制，并不适用于该焊缝的检测，而舢板本身厚度较小，常规超声检测时存在结构轮廓反射波干扰、缺陷信号识别困难等不利因素，同样难以应用。
由于受检测技术条件限制，目前多数浮标底板与舢板连接焊缝通常只采用磁粉或渗透法进行表面缺陷检测，不能检测根部未熔合缺陷，而未熔合缺陷又属于危害性缺陷，若不能有效检出会存在极大的隐患。
相控阵超声是在传感器和计算机技术进步的基础上发展的新技术，通过高精度的时间延迟控制多振元分时激发实现超声波声束的电子聚焦。聚焦声束能进行多角度精细扫查，配合计算机建模技术，能针对较为复杂结构的焊缝实施检测，缺陷识别准确，检测灵敏度高，目前尚未见该技术在浮标底板与舢板焊接结构检测中有相关报道和研究。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，利用相控阵超声声束聚焦与角度偏转功能精细覆盖焊接接头，分别采用纵波与横波检测，通过焊接结构模拟辨识轮廓信号与缺陷信号，能实现快速、可靠的检测。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，在相控阵超声角度增益补偿（ACG）和时间增益补偿（TCG）的基础上，利用焊缝中的人工横孔设置灵敏度，采用扫查方式一垂直入射扇扫描和扫查方式二斜入射扇扫描两种方式实施检测，其主要包括以下步骤：
步骤一、检测系统配置：相控阵超声主机的激发孔径数量不小于32，根据浮标底板厚度T选择相匹配的相控阵探头和楔块，探头的频率通常为2.5～5MHz，楔块角度分为0°和36°两种，楔块与探头涂抹均匀的耦合剂保证良好的耦合，并连接探头与主机线缆；
步骤二、系统设置与校准：设置楔块延迟、声速等基础参数，并根据探头与楔块类型设定扇扫描角度，利用超声波探伤标准试块CSK-IIA试块中的φ2mm长横孔进行角度增益补偿，并制作TCG曲线；0°角楔块时TCG的曲线深度范围应不小于T+10，且焦点深度设置为T；36°角楔形块时TCG的曲线深度范围应不小于2T+10，焦点深度设置为2T；
步骤三、声束覆盖模拟：36°角楔块检测时应建立浮标底板与舢板焊接结构模型，通过改变探头前沿与焊缝距离确定最佳扫查方式二，保证波束对焊缝的完整覆盖并辅助识别缺陷信号；
步骤四、检测灵敏度设置：利用1:1焊接模拟件设置灵敏度，焊缝中心部位加工φ1×10mm横孔，分别在扫查方式一和扫查方式二扇扫描条件下成像显示φ1×10mm横孔，并将反射波波幅调整80%，在此基础上增益提高10dB作为检测灵敏度；
步骤五、检测与评定：分别采用扫查方式一和扫查方式二沿线扫查，保持探头与焊缝的相对位置稳定；两种扫查方式的检测结果单独评定，评定结果不一致时以最严重者为准，结果评定遵循以下原则：当存在异常显示时应根据波幅和指示长度进行评定：异常显示最大波幅大于φ1×10mm横孔波幅时即判定为不合格；异常显示最大波幅小于φ1×10mm横孔波幅且大于φ1×10mm-10dB时，指示长度大于10mm即为不合格，指示长度采用端点半波法测量。
进一步地，根据探头与楔形类型设定扇扫描角度，其中采用0°角楔形块时扇扫描角度一般设置为-30°～+30°，采用36°角楔块时扇扫描角度一般设置为40°～65°，步进角度不大于0.5°。
进一步地，焊缝中心部位加工φ1×10mm横孔的孔径加工误差不大于±0.05mm，长度误差不大于±0.1mm，横孔与底板平行度偏差不大于±0.1°。
进一步地，保持探头与焊缝的相对位置稳定，即扫查过程中保持探头始终处于声束覆盖模拟的最佳位置，位置偏差不大于±2mm。
进一步地，端点半波法，即存在异常显示时找到缺欠长度方向两端的最大波幅位置，继续移动探头当波幅下降一半时即为缺陷端点，两端点距离即为缺陷指示长度。
本发明与现有技术相比，其显著优势在于：1、解决了浮标底板与舢板角接焊缝内部缺陷检测难题，实现了焊缝的全覆盖检测，避免了缺陷漏检；2、利用相控阵超声的声束聚焦扫描和焊接结构模拟功能，解决了非等厚薄板角接焊缝结构信号干扰问题，并提高了检测灵敏度；3、根据浮标底板与舢板焊接结构特点在底板两个位置进行扫查，实现对焊缝的两次不同角度的完整声束覆盖，提高了检测结果的可靠性；4、本方法检测结果以成像方式显示，后期数据处理能实现3D显示，结果直观，易于评判，且便于数字化存储；5、本发明的检测方法缺陷检出率高，检测灵敏度不低于φ1×10mm-10dB，与渗透或磁粉检测配合应用能充分保证浮标底板与舢板焊接接头内部和表面质量。
附图说明
图1是本发明的浮标底板与舢板焊接的1:1局部模拟结构示意图；
图2是扫查方式一声束覆盖示意图；
图3是扫查方式二声束覆盖示意图；
图4是扫查方式二声束覆盖模拟过程图；
图5是扫查方式一灵敏度设置横孔扇扫描图；
图6是扫查方式二灵敏度设置横孔扇扫描图；
在图中：1、底板；2、舢板；3、焊缝；4、横孔；5、探头；T：底板厚度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为浮标底板1与舢板2模拟结构示意图，底板1与舢板2通过焊接连接，两者厚度差异较大，属于非等厚角接接头结构，角接焊缝3受限于本身结构特点难以实施内部缺陷检测，常用的超声和射线检测方法存在缺陷信号难以识别、透照空间不足、缺陷检出率低等问题。
本发明的一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，基于相控阵超声检测技术，结合焊接结构特点，设计了扫查方案，在相控阵超声角度增益补偿（ACG）和时间增益补偿（TCG）的基础上，利用焊缝中的人工横孔设置灵敏度，采用扫查方式一垂直入射扇扫描和扫查方式二斜入射扇扫描两种方式实施检测，其中垂直入射扇扫描的声束覆盖示意图如图2所示，斜入射扇扫描的声束覆盖示意图如图3所示，本发明的方法其主要包括以下步骤：
一、检测系统配置：
相控阵超声主机的激发孔径数量不小于32，根据浮标底板1厚度T选择相匹配的相控阵探头5和楔块，探头5的频率通常为2.5～5MHz，楔块角度分为0°和36°两种（36°大于第一临界角（约27°），此时折射波中只有横波，能避免纵波干扰，且36°角楔块对应的折射波角度约为45°，有利于对扇扫描进行角度增益补偿）；楔块与探头5涂抹均匀的耦合剂保证良好的耦合，并连接探头5与主机线缆。
二、系统设置与校准：
设置楔块延迟、声速等基础参数，并根据探头5与楔块类型设定扇扫描角度，其中采用0°角楔形块时扇扫描角度一般设置为-30°～+30°，采用36°角楔块时扇扫描角度一般设置为40°～65°，步进角度不大于0.5°。利用CSK-IIA试块（超声波探伤标准试块）中的φ2mm长横孔进行角度增益补偿，并制作TCG曲线；0°角楔块时TCG的曲线深度范围应不小于T+10，且焦点深度设置为T；36°角楔形块时TCG的曲线深度范围应不小于2T+10，焦点深度设置为2T。
三、声束覆盖模拟
采用36°角楔块检测时应建立浮标底板1与舢板2焊接结构模型，通过改变探头5前沿与焊缝3距离确定最佳扫查方式二，保证波束对焊缝3的完整覆盖并辅助识别缺陷信号。
四、检测灵敏度设置
利用1:1焊接模拟件设置灵敏度，焊缝3中心部位加工φ1×10mm横孔4，横孔4的孔径加工误差不大于±0.05mm，长度误差不大于±0.1mm，横孔4与底板平行度偏差不大于±0.1°，分别用扫查方式一和扫查方式二扇扫描φ1×10mm横孔4，并将反射波波幅调整80%，在此基础上增益提高10dB作为检测灵敏度。
五、检测与评定
分别在扫查方式一和扫查方式二沿线扫查，保持探头5与焊缝3的相对位置稳定，即扫查过程中保持探头5始终处于声束覆盖模拟的最佳位置，位置偏差不大于±2mm；当存在异常显示时应根据波幅和指示长度进行评定：异常显示最大波幅大于φ1×10mm横孔4波幅时即判定为不合格；异常显示最大波幅小于φ1×10mm横孔波幅且大于φ1×10mm-10dB（dB是超声检测里面波幅高低的量化单位，-10dB即为相比φ1×10mm横孔的反射波幅小10dB）时，指示长度大于10mm即为不合格，指示长度采用端点半波法测量，即存在异常显示时找到缺欠长度方向两端的最大波幅位置，继续移动探头当波幅下降一半（6dB）时即为缺陷端点，两端点距离即为缺陷指示长度；两种扫查方式的检测结果单独评定，评定结果不一致时以最严重者为准。
实施例
一、检测系统配置：
浮标底板厚度T=20mm，选择64:64通道相控阵超声检测系统作为检测设备，探头5频率为5MHz，晶片为32×0.5，通过机油与0°角和36°角楔块耦合，并将探头5与主机连接。
二、系统设置与校准：
测试楔块延迟，材料为钛合金，设置声速为6100m/s；0°角楔块的扇扫描角度设置为-30°～+30°，步进角度0.5mm，焦点深度设置为20mm；36°楔块的扇扫描角度设置为40°～65°，步进角度0.2mm，焦点深度设置为40。利用NB/T 47013-2015标准中的2号钛合金对比试块分别制作0°角楔块和36°角楔块的TCG曲线，其中0°角楔块的曲线制作深度为30mm，36°角楔块曲线制作深度为50mm，最后进行ACG校准。
三、声束覆盖模拟
根据被检焊接接头特点，建立浮标底板1与舢板2焊接结构模型，通过改变探头5前沿与焊缝3距离确定最佳扫查方式二，图4为扫查方式二波束覆盖模拟示意图。
四、检测灵敏度设置
利用焊接模拟件中的φ1×10mm横孔4设置灵敏度，分别在扫查方式一和扫查方式二扫描横孔4，并将其对应的反射波波幅调整80%，图5和图6分别为两种扫查方式对应的横波波幅，在此基础上增益提高10dB作为检测灵敏度。
五、检测与评定
分别在扫查方式一和扫查方式二沿线扫查，保持探头5与焊缝3的相对位置稳定。两种扫查方式的检测结果单独评定，评定结果不一致时以最严重者为准，结果评定遵循以下原则：当存在异常显示时应根据波幅和指示长度进行评定：异常显示最大波幅大于φ1×10mm横孔波幅时即判定为不合格；异常显示最大波幅小于φ1×10mm横孔波幅且大于φ1×10mm-10dB时，指示长度大于10mm即为不合格，指示长度采用端点半波法测量。
根据上述步骤对浮标底板与舢板焊接接头进行检测，能够有限检测出内部未熔合等缺陷，检测灵敏度优于φ1×10mm-10dB，且能够得到缺陷的多视图显像，保证焊接接头的质量。
本实施例中所使用的各个检测参数均只对本实施例有效，并不影响本发明其他实施方式。
本发明提供的浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，利用垂直扇扫描和斜角度扇扫描实现多位置扫查，在TCG、ACG校准的基础上采用焊缝中心部位加工的横孔设置检测灵敏度，缺陷显示直观，定量与定位准确，解决了底板与舢板角接焊缝内部缺陷检测的关键技术问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，其特征在于：在相控阵超声角度增益补偿（ACG）和时间增益补偿（TCG）的基础上，利用焊缝中的人工横孔设置灵敏度，采用扫查方式一垂直入射扇扫描和扫查方式二斜入射扇扫描两种方式实施检测，其主要包括以下步骤：
步骤一、检测系统配置：相控阵超声主机的激发孔径数量不小于32，根据浮标底板厚度T选择相匹配的相控阵探头和楔块，探头的频率通常为2.5～5MHz，楔块角度分为0°和36°两种，楔块与探头涂抹均匀的耦合剂保证良好的耦合，并连接探头与主机线缆；
步骤二、系统设置与校准：设置楔块延迟、声速等基础参数，并根据探头与楔块类型设定扇扫描角度，利用超声波探伤标准试块CSK-ⅡA试块中的φ2mm长横孔进行角度增益补偿，并制作TCG曲线；0°角楔块时TCG的曲线深度范围应不小于T+10，且焦点深度设置为T；36°角楔形块时TCG的曲线深度范围应不小于2T+10，焦点深度设置为2T；
步骤三、声束覆盖模拟：采用36°角楔块检测时应建立浮标底板与舢板焊接结构模型，通过改变探头前沿与焊缝距离确定最佳扫查方式二，保证波束对焊缝的完整覆盖并辅助识别缺陷信号；
步骤四、检测灵敏度设置：利用1:1焊接模拟件设置灵敏度，焊缝中心部位加工φ1×10mm横孔，分别在扫查方式一和扫查方式二扇扫描条件下成像显示φ1×10mm横孔，并将反射波波幅调整至屏幕80%，在此基础上增益提高10dB作为检测灵敏度；
步骤五、检测与评定：分别采用扫查方式一和扫查方式二沿线扫查，保持探头与焊缝的相对位置稳定；两种扫查方式的检测结果单独评定，评定结果不一致时以最严重者为准，结果评定遵循以下原则：当存在异常显示时应根据波幅和指示长度进行评定：异常显示最大波幅大于φ1×10mm横孔波幅时即判定为不合格；异常显示最大波幅小于φ1×10mm横孔波幅且大于φ1×10mm-10dB时，指示长度大于10mm即为不合格，指示长度采用端点半波法测量。
2.根据权利要求1所述的一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，其特征在于：根据探头与楔形类型设定扇扫描角度，其中采用0°角楔形块时扇扫描角度一般设置为-30°～+30°，采用36°角楔块时扇扫描角度一般设置为40°～65°，步进角度不大于0.5°。
3.根据权利要求1所述的一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，其特征在于：焊缝中心部位加工φ1×10mm横孔的孔径加工误差不大于±0.05mm，长度误差不大于±0.1mm，横孔与底板平行度偏差不大于±0.1°。
4.根据权利要求1所述的一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，其特征在于：保持探头与焊缝的相对位置稳定，即扫查过程中保持探头始终处于声束覆盖模拟的最佳位置，位置偏差不大于±2mm。
5.根据权利要求1所述的一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法，其特征在于：端点半波法，即存在异常显示时找到缺欠长度方向两端的最大波幅位置，继续移动探头当波幅下降一半时即为缺陷端点，两端点距离即为缺陷指示长度。
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