CN111024825A - 一种薄板拐角结构检测装置、方法及其楔块优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄板拐角结构检测装置、方法及其楔块优化方法，涉及超声无损检测技术领域，用于解决传统直接入射检测方式声波偏转角度过大、传播路径复杂、缺陷信号信噪比低的问题。本发明包含薄板拐角结构检测装置，该装置包括相控阵超声线性换能器、楔块、薄板拐角结构件和检测区域；薄板拐角结构检测方法，采用两种以上的反射方式进行相控阵超声入射，并计算所述相控阵超声入射的偏转聚焦法则，通过利用基于所述相控阵超声线性换能器的超声相控阵检测技术实现声束的灵活可控；楔块优化方法，用于设计楔块的几何尺寸及位置。该检测技术具有灵活可控的特点，并且可以获得较好的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域。更具体地，涉及一种薄板拐角结构检测装置、方法及其楔块优化方法。
背景技术
无损检测(Non-destructive Testing,NDT)是一种以不损害被检试样的形貌与使用性能的前提下，应用多种物理及化学途径，对检测物体内部的缺陷区域进行有效的检验与测试，确定典型缺陷组织大小、形状、位置和性质等信息，确保其在使用中能达到预期的使用寿命和安全性。
超声检测(Ultrasonic Testing,UT)是利用超声波在被检试样内部的传播路径上存在明显的声学传播差异的界面或者区域(如缺陷区域)时，产生的反射、折射、透射、散射、衍射、谐振和衰减等现象，通过分析回波信号的能量幅值、频率、时间等信息，将缺陷组织或内部结构的相关信息以可见图像的形式表示出来。目前超声检测是工业无损检测领域应用最广泛且最有效的方法之一。
相控阵的概念来源于雷达无线电磁波技术，超声相控阵技术最早仅用于医疗领域。然而随着电子技术与计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。超声相控阵检测技术通过控制阵列换能器中各独立压电晶片发射/接收声波的延迟时间来实现超声波束在介质中的偏转、聚焦，从而进行无损缺陷检测。与传统单/多通道超声检测相比具有声束灵活可控、探头小巧便携、扫查速度快、检测精度高、分辨力强等优点，可以做到少移动探头的情况下进行大面积区域电子扫查，目前已被应用于航空发动机叶盘叶片、铁路轨道、复合材料L型构件等复杂型面结构的无损检测。
然而上述应用多采用超声波直接入射检测，薄板拐角结构厚度薄空间小，且容易产生裂纹等缺陷，传统直接入射检测方式声波偏转角度过大、传播路径复杂、缺陷信号信噪比低，并不适用于薄板拐角结构的超声相控阵检测。
因此，需要提供一种对薄板拐角结构进行超声相控阵检测的检测装置、方法及其楔块优化方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种薄板拐角结构检测及其楔块优化方法，采用多次反射方式进行相控阵超声入射，并计算其偏转聚焦法则，利用超声相控阵检测技术声束灵活可控的特点，制定基于波束控制的全覆盖检测方案。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种薄板拐角结构检测装置，包括相控阵超声线性换能器、楔块、薄板拐角结构件和检测区域，楔块前置地设置在相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间，以确保相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间保持稳定耦合，其中相控阵超声线性换能器用于检测薄板拐角结构件的检测区域。
检测区域为焊接区域，焊接区域中包含有水平焊缝和竖直焊缝。
本发明的另一个目的在于提供一种薄板拐角结构检测方法，检测方法根据上述薄板拐角结构检测装置进行实施，方法采用两种以上的反射方式进行相控阵超声入射，并计算相控阵超声入射的偏转聚焦法则，通过利用基于相控阵超声线性换能器的超声相控阵检测技术实现声束可控。
进一步可选地，采用相控阵超声线性换能器实现薄板拐角结构件的焊缝区域检测满足：
相控阵超声入射声束基本垂直于换能器表面；
相控阵超声声束基本覆盖整个焊缝区域；及
在检测区域处实现声束的偏转聚焦。
可选地，相控阵超声线性换能器检测方式为：
采用相控阵扇形扫描方式，利用两个以上的固定阵元，通过控制波束的偏转实现在焊缝检测区域的扇形扫查；同时，扇扫中不同的通道按照不同的偏转角度和聚焦深度，使聚焦点处于焊缝上的不同位置。
可选地，相控阵超声入射的偏转聚焦法则公式为：
其中，c1为楔块材料中声速，c2为工件中声速，α为入射角，β为对应的声束在薄板拐角结构件中的横波折射角。
可选地，入射角α的取值范围计算公式为：
对应的声束在薄板拐角结构件中的横波折射角β的取值范围计算公式为：
其中，γ1为第一临界角，γ2为第二临界角，c1L为楔块材料中纵波声速，c2L为工件中纵波声速，c2S为工件中横波声速。
本发明的又一个目的在于提供一种楔块优化方法，楔块应用于上述薄板拐角结构检测装置中，楔块包括前沿高度AD、第一阵元高度FG、楔块斜面倾斜角θ、楔块横向距离AB、楔块高度BC及楔块位置参数l，楔块的几何尺寸及参数采用迭代设计法反复优化得出，优化方法包括设计楔块的几何尺寸及位置，包括：
选取楔块各参数的初始值并完成Matlab声束路径建模，其中AD、FG、l为根据薄板拐角结构件几何尺寸、工艺技术要求选取的固定参数，θ、AB、BC为需要优化的参数；
基于模型的参数确定扇扫扫查角度范围，使工件中波束角度上下限通过一次或一次以上反射方式聚焦在焊缝上表面点和下表面点；
根据相控阵偏转聚焦原理，对总共M个通道中的第j个通道的总共N个阵元的第i个阵元所需的延迟时间Ti,j进行叠加，叠加公式为：
其中，Ttotal为叠加结果；
基于下式求出叠加结果最小值所对应的楔块斜面倾斜角θ'：
其中，β1为声束在薄板拐角结构件中的第一折射角，β2为声束在薄板拐角结构件中的第二折射角，c1L为楔块材料中横波声速，c2L为工件中横波声速，c2S为工件中纵波声速；
根据确定的θ'，基于下式计算AB的最小长度：
其中，|GH|＝(N-1)d，
线性换能器阵元个数为N，阵元间距为d，α2为β2对应的入射角；及
重复上述步骤直至斜面长度大于阵列阵元长度。
本发明的有益效果如下：
本发明采用多次反射方式进行相控阵超声入射，并计算其偏转聚焦法则，利用超声相控阵检测技术声束灵活可控的特点，制定基于波束控制的全覆盖检测方案，同时为获得较好的信噪比，提出了一套针对本技术方案的楔块几何参数的优化设计方法。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1为本发明实施例中带楔块检测示意图；
图2为本发明实施例中相控阵超声S扫波束示意图；
图3为本发明实施例中延迟时间与楔块倾斜角关系图；
图4为本发明实施例中延迟时间计算原理图；
图5为本发明实施例中第7个激发孔径的声束路径图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种薄板拐角结构检测装置，包括相控阵超声线性换能器、楔块、薄板拐角结构件和检测区域，楔块前置地设置在相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间，以确保相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间保持稳定耦合，其中相控阵超声线性换能器用于检测薄板拐角结构件的检测区域。检测区域为焊接区域，焊接区域中包含有水平焊缝和竖直焊缝。
在上述实施例中，常见的薄板拐角结构件如图1所示，由横板与竖板十字交叉组成，其形成的焊缝结构也分为两种：竖直焊缝和水平焊缝。如果使用常规位置摆放探头检测水平焊缝，声束需要进入十字交叉结构内部，会产生不必要的透射、反射，导致声束能量损失，缺陷回波信号难以检测，故针对水平焊缝的检测需要改变探头摆放方向，使焊缝与探头相对位置与检测竖直焊缝时保持一致。本实施例仅仅对竖直焊缝的检测方案进行示例性说明。
如图2所示，一种薄板拐角结构检测方法，所述方法采用两种以上的反射方式进行相控阵超声入射，并计算相控阵超声入射的偏转聚焦法则，通过利用基于相控阵超声线性换能器的超声相控阵检测技术实现声束的灵活可控。采用相控阵超声线性换能器实现薄板拐角结构件的焊缝区域检测满足以下三个条件：(1)相控阵超声入射声束垂直于换能器表面，以减少各阵元延迟时间；(2)相控阵超声声束覆盖整个焊缝区域，在具体实施例总，相控阵超声声束能最大程度地覆盖整个竖直焊缝区域，进而实现对竖直焊缝区域中不同位置的焊缝缺陷进行检测；(3)在检测区域处能够实现声束的偏转聚焦，尽量避免声束偏转角过大。
在上述实施例中，相控阵超声线性换能器检测方式为：采用相控阵扇形扫描方式，具体地说，S扫描，利用若干个固定阵元，更具体说是利用两个以上的固定阵元，通过控制波束的偏转实现在焊缝检测区域的扇形扫查；同时，扇扫中不同的通道按照不同的偏转角度和聚焦深度，使聚焦点处于焊缝上的不同位置。相控阵超声入射的偏转聚焦法则公式为：
其中，c1为楔块材料声速，c2为工件声速，α为入射角。入射角α介于第一临界角α1和第二临界角α2之间，用公式表示为：
其中入射角α与对应的声束在薄板拐角结构件中横波折射角范围为：
本发明的另一个目的在于提供一种楔块，楔块包括前沿高度AD、第一阵元高度FG、楔块斜面倾斜角θ、楔块横向距离AB、楔块高度BC及楔块位置参数l。
如图3所示，一种楔块优化方法，楔块的几何尺寸及参数采用迭代设计法反复优化得出，优化方法包括设计楔块的几何尺寸及位置；包括以下步骤：
(1)首先选取楔块各参数的初始值并完成Matlab声束路径建模，其中AD、FG、l为根据薄板拐角结构件几何尺寸、工艺技术要求选取的固定参数，θ、AB、BC为需要优化的参数；
(2)根据步骤(1)建立的模型参数确定扇扫扫查角度范围：使工件中波束角度上下限(β2,β1)通过一次或一次以上反射方式正好聚焦在焊缝上表面点S1'(S1)和下表面点S2；
(3)根据相控阵偏转聚焦原理，对总共M个通道中的第j个通道的总共N个阵元的第i个阵元所需的延迟时间Ti,j进行叠加，其中叠加公式为：
然后求出Ttotal最小值所对应的楔块斜面倾斜角θ'，使用的简化算法为：
(4)根据确定的θ'，计算AB的最小长度，既第N个阵元声波入射至S2点或S1点路径和界面交点与A点距离：
式中：|GH|＝(N-1)d，
线性换能器阵元个数为N，阵元间距为d，α2为β2对应入射角，其余为已知常量；
(5)不断重复步骤(2)-(4),直到斜面长度大于阵列阵元长度为止。
如图4所示，阵列换能器各阵元延时偏转聚焦法则的计算是实现超声相控阵波束控制的基础，双层介质间声波传播时延迟时间的计算采用Fermat原理进行，具体计算步骤为：
(1)设定参数，设定线性换能器阵元个数为N，第一楔块介质中纵波声速为c1，第二楔块试样介质中横波声速为c2，交接界面为I(s)，声波经过一次或一次以上的反射传播至聚焦点为P；
(2)根据Fermat原理，计算第i个阵元点(位于Txi)的发射声波传播至聚焦点P所需的最小声波传播时间TOF(i)：
其中，根据声波的反射定律，聚焦点P可用点P'代替；
(3)计算激发孔径中各个阵元传播至聚焦点P的声波传播时间TOF(i)，获得最大传播时间Tmax；
(4)求出线性换能器某一激发孔径中各个阵元晶片激发接收延迟时间，公式为：
Delay(i)＝Tmax-TOF(i)。
以钛合金薄板拐角结构为例，并结合图1参量进行说明，钛合金薄板厚度W为3mm，常用有机玻璃楔块纵波声速c1L为2337m/s，钛合金材料中纵波声速c2L为6006m/s、横波声速c2S为2957m/s。
则由公式(2)计算得出入射声波范围：
22.9°<α<52.2°
对应声波在工件中的折射角范围为：
29.5°<β<90.0°。
下面结合具体实施例，对本发明做进一步的说明。
在具体实施例中，按照工艺要求和技术要求：更具体地说，楔块前沿高度AD取3mm，第一阵元高度FG取4mm，楔块位置参数l取1mm。楔块几何尺寸可由上述楔块设计步骤计算可得：楔块斜面倾斜角θ最优解为43°，楔块横向距离AB取26.5mm，楔块高度BC取18mm。选取中心频率为10MHz，阵元个数64个，阵元间距为0.3mm，阵元宽度为0.2mm的线性换能器放置于楔块上，采用图3所示的超声相控阵扇形扫描方案，工件中波束角度上下限(β2,β1)通过一次(或多次)反射方式聚焦在焊缝的上表面点S1'(S1)和下表面点S2，可计算出波束角度范围为58°～70°，孔径大小64，扫描步进角1°，因此总共有13个激发孔径。则检测激发孔径发射声束的聚焦深度和偏转角度如表1所示。
表1发射声束聚焦深度和偏转角度
假定竖直焊缝缺陷位置位于距离薄板上表面1.5mm位置处，则按照上述检测试样与楔块的参数下，使用Matlab进行建模分析，如图5所示。
采用一次反射方式的入射声波需要偏转聚焦在偏转角63.57°、聚焦深度为4.5mm处才得到最好的缺陷回波信号，由表1知，第7个孔径通道声波最接近合适的偏转角与聚焦深度。采用技术方案中阵列换能器各阵元延迟时间计算步骤所得，换能器64个阵元的延迟时间如表2所示。
表2第7个激发孔径的延迟时间
综上所述，传统超声相控阵检测多采用超声波直接入射检测，薄板拐角结构焊缝厚度薄缺陷小，传统检测方式声波偏转角度过大、传播路径复杂、缺陷信号信噪比低。因此本发明研究的超声相控阵检测方法，具有重要的工程实际意义。本发明采用多次反射方式进行相控阵超声入射，并计算其偏转聚焦法则，利用超声相控阵检测技术声束灵活可控的特点，制定基于波束控制的全覆盖检测方案，具有较好的信噪比。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种薄板拐角结构检测装置，其特征在于：包括相控阵超声线性换能器、楔块、薄板拐角结构件和检测区域，所述楔块前置地设置在所述相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间，以确保所述相控阵超声线性换能器和薄板拐角结构件之间保持稳定耦合，其中所述相控阵超声线性换能器用于检测薄板拐角结构件的检测区域。
2.根据权利要求1所述的一种薄板拐角结构检测装置，其特征在于：所述检测区域为焊接区域，所述焊接区域中包含有水平焊缝和竖直焊缝。
3.一种薄板拐角结构检测方法，所述检测方法根据权利要求1至2任意一项所述的一种薄板拐角结构检测装置进行实施，其特征在于：所述方法采用两种以上的反射方式进行相控阵超声入射，并计算所述相控阵超声入射的偏转聚焦法则，通过利用基于所述相控阵超声线性换能器的超声相控阵检测技术实现声束可控。
4.根据权利要求3所述的一种薄板拐角结构检测方法，其特征在于：采用所述相控阵超声线性换能器实现薄板拐角结构件的焊缝区域检测满足：
相控阵超声入射声束基本垂直于换能器表面；
相控阵超声声束基本覆盖整个焊缝区域；及
在检测区域处实现声束的偏转聚焦。
5.根据权利要求4所述的一种薄板拐角结构检测方法，其特征在于：所述相控阵超声线性换能器检测方式为：
采用相控阵扇形扫描方式，利用两个以上的固定阵元，通过控制波束的偏转实现在焊缝检测区域的扇形扫查；同时，扇扫中不同的通道按照不同的偏转角度和聚焦深度，使聚焦点处于焊缝上的不同位置。
6.根据权利要求3所述的一种薄板拐角结构检测方法，其特征在于：所述相控阵超声入射的偏转聚焦法则公式为：
其中，c1为楔块材料中声速，c2为工件中声速，α为入射角，β为对应的声束在薄板拐角结构件中的横波折射角。
7.根据权利要求6所述的薄板拐角结构检测方法，其特征在于，所述入射角α的取值范围计算公式为：
对应的声束在薄板拐角结构件中的横波折射角β的取值范围计算公式为：
其中，γ1为第一临界角，γ2为第二临界角，c1L为楔块材料中纵波声速，c2L为工件中纵波声速，c2S为工件中横波声速。
8.一种楔块优化方法，所述楔块应用在权利要求1至2中任意一项所述的一种薄板拐角结构检测装置中，其特征在于：所述楔块包括前沿高度AD、第一阵元高度FG、楔块斜面倾斜角θ、楔块横向距离AB、楔块高度BC及楔块位置参数l，所述楔块的几何尺寸及参数采用迭代设计法反复优化得出，所述优化方法包括设计楔块的几何尺寸及位置，包括：
选取楔块各参数的初始值并完成Matlab声束路径建模，其中AD、FG、l为根据薄板拐角结构件几何尺寸、工艺技术要求选取的固定参数，θ、AB、BC为需要优化的参数；
基于所述模型的参数确定扇扫扫查角度范围，使工件中波束角度上下限通过一次或一次以上反射方式聚焦在焊缝上表面点和下表面点；
根据相控阵偏转聚焦原理，对总共M个通道中的第j个通道的总共N个阵元的第i个阵元所需的延迟时间Ti,j进行叠加，所述叠加公式为：
其中，所述Ttotal为叠加结果；
基于下式求出所述叠加结果最小值所对应的楔块斜面倾斜角θ'：
其中，β1为声束在薄板拐角结构件中的第一折射角，β2为声束在薄板拐角结构件中的第二折射角，c1L为楔块材料中横波声速，c2L为工件中横波声速，c2S为工件中纵波声速；
根据确定的θ'，基于下式计算AB的最小长度：
其中，|GH|＝(N-1)d，
线性换能器阵元个数为N，阵元间距为d，α2为β2对应的入射角；及
重复上述步骤直至斜面长度大于所述阵列阵元长度。
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