CN111522794A - 焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法及基于该数据库的缺陷定性方法 - Google Patents

焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法及基于该数据库的缺陷定性方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对焊缝超声波检测的现有技术，提出一种焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，通过对含已知缺陷焊缝进行规范采样，建构焊缝缺陷的角度谱数据库，并分析各角度谱的共性以得到焊缝缺陷种类的判断依据，以利于超声波扫查时系统快速准确判断缺陷种类，用于克服人工扫查焊缝并判断缺陷种类工作极大地依赖检测者检验经验并易出现误判、漏判的问题。本发明还公开了基于该数据库的缺陷定性方法。

Description

焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法及基于该 数据库的缺陷定性方法
技术领域
本发明涉及焊接结构中焊缝超声波检测扫查方向确定方法和技术，具体涉及基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法及实现该方法的超声波扫查系统，属于结构安全保障领域。
背景技术
焊接是一种重要的连接方式，具有操作方便、形式多样、适应性强等优点，不但能在生产车间实施，还能在现场、野外、高空、水下等环境条件下实施，能够满足桥梁、场馆等复杂空间结构造型的需要。焊缝是焊接结构质量和可靠性的关键，在焊接过程中容易形成焊接缺陷，包括焊接裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合、夹渣、焊瘤、塌陷、凹坑、烧穿、夹杂等，这些缺陷直接影响了焊接结构的质量和可靠性。为保障焊接结构的质量和可靠性，焊缝必须进行检测。超声波检测是检查焊缝中缺陷和损伤主要方法之一。
随着焊接结构的发展，焊缝的复杂程度越来越高，焊缝检测的难度和要求都越来越高。桥梁、场馆等复杂空间结构大量采用了钢管连接，其焊缝是空间曲线，形状复杂，变化较多，多采用手工焊接。焊缝在实施超声波检测时，探头(声束)的方向一般采用目测法或手工测量方法，定位精度不高。对于空间曲线形状的焊缝，定位更为困难，定位的精度也更低。焊缝中可能出现的缺陷的种类很多，如气孔、夹渣、夹杂、焊接裂纹、咬边、未熔合等，这些缺陷对机构强度和可靠性的影响相差很远，可能引起的后果和能够接受的程度、处理的方法也完全不同。在检测时对缺陷的种类做出判断是非常重要但极其困难的工作。缺陷对不同方向超声波声束所产生的反射信号的差异性是对其定性的重要依据。采用目测法对探头(声束)的方向进行定位，定向精度不高，缺陷反射信号的空间差异性得不到精确的描述和记录，定性分析的可靠性也受到影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，包括以下步骤：
步骤一、将超声波测量仪的超声波探头通过转轴与测量座转动连接，转轴中心线与超声波探头测量接触面相垂直，测量座上设置测量超声波探头转动角度的角度传感器，角度传感器与超声波测量仪都通过信号线与显示器和/或数据处理器相连接；
步骤二，使用与测量座相连接的超声波测量仪的超声波探头对含已知缺陷种类的焊缝进行常规检测以找到缺陷区域；
步骤三，将超声波探头置于发现缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器测量此时超声波探头方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤四，绕转轴转动超声波探头开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器测出超声波探头的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤五，数据处理器根据角度传感器的角度信号和超声波测量仪的测量信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1；
步骤六、执行步骤一至五，采集气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱各一百份以上以制成对照缺陷样本；
步骤七、分析对照缺陷样本，得出气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息。
作为一种优选的方案，所述生成回波信号角度谱的测量信息为声压信息或声强信息。
作为一种优选的方案，所述气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息，具体为：以横坐标为角度传感器测量角度θ，纵坐标为测量所得声压P，得到角度谱曲线；当曲线呈现波浪状且相邻的波峰与波谷的声压差最大值ΔPmax与测量角度为0°时所得声压P0满足：ΔPmax/P0>0.1，可判定该缺陷为裂纹；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值中较大者P5′与测量角度为0°时所得声压P0满足：P5′/P0>0.8，可判定该缺陷为未焊透；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：|(P5-P-5)/(P5+P-5)|>0.2，可判定该缺陷为夹渣；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：P5/P0>0.6且|(P5-P-5)/(P5+P-5)|<0.2，可判定该缺陷为气孔。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法，包括以下步骤：
步骤一，将超声波测量仪的超声波探头通过转轴与测量座转动连接，转轴中心线与超声波探头测量接触面相垂直且中心线与超声波探头的超声波等效发射点间相对位置与建立数据库时两者的相对位置相同，测量座上设置测量超声波探头转动角度的角度传感器，角度传感器与超声波测量仪都通过信号线与显示器和/或送数据处理器相连接；
步骤二，使用与测量座相连接的超声波测量仪的超声波探头对焊缝进行常规检测以发现疑似缺陷区域；
步骤三，将超声波探头置于发现疑似缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器测量此时超声波探头方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤四，绕转轴转动超声波探头开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器测出超声波探头的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤五，数据处理器根据角度传感器的角度信号和超声波测量仪的测量信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1，并采集生成回波信号角度谱曲线上的相应数据与数据库中各类缺陷的判断信息进行比对，以确定缺陷种类。
作为一种优选的方案，所用生成回波信号角度谱的测量信息为声压信息或声强信息。
作为一种优选的方案，将角度参数通过信号线传送至数据处理器的同时将角度参数送显示器显示。
本发明有益效果如下：本发明的焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，通过对含已知缺陷焊缝进行规范采样，建构焊缝缺陷的角度谱数据库，并分析各角度谱的共性以得到焊缝缺陷的判断依据，以利于超声波扫查时系统快速准确判断缺陷种类，用于克服人工扫查焊缝并判断缺陷种类工作极大地依赖检测者检验经验并易出现误判、漏判的问题。
本发明的超声波扫查声束方向高精度定位系统和基于回波-声束方向特性分析的角度谱缺陷定性方法，可以改变确定探头(声束)方向主要靠目测、记录较粗糙的现状，改变分析回波信号空间特征描述简单的现状，准确测量探头(声束)方向角度，不仅有利于缺陷方位的记录和确定，缺陷对结构的强度和可靠性的影响可以被更加准确地分析和评估；更重要的是通过回波信号随扫查方向变化的分析来判定缺陷的特征，发现有异常信号后，在确定缺陷的种类时，可以获得更加准确的不同方向的信号特征，充分利用不同种类缺陷对反射回波的作用特征来判断缺陷的种类。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是裂纹角度谱曲线示意图。
图3是未焊透角度谱曲线示意图。
图4是夹渣角度谱曲线示意图。
图5是气孔角度谱曲线示意图。
图1中：1.超声波探头，2.超声波检测仪，3.测量座，4.角度传感器，5.显示器，6.数据处理器，7.焊缝。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-5所示，焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，包括以下步骤：
步骤一、将超声波测量仪的超声波探头1与测量座3通过转轴转动连接，转轴中心线与超声波探头1测量接触面相垂直且中心线与超声波探头1的超声波等效发射点重合，测量座3上设置测量超声波探头1转动角度的角度传感器4，角度传感器4与超声波测量仪都通过信号线与显示器5和数据处理器6相连接；
步骤二，使用与测量座3相连接的超声波测量仪的超声波探头1对含已知缺陷种类的焊缝7进行常规检测以找到缺陷区域；
步骤三，将超声波探头1置于发现缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器4测量此时超声波探头1方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器6；
步骤四，绕转轴转动超声波探头1开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器4测出超声波探头1的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器6；
步骤五，数据处理器6根据角度传感器4的角度信号和超声波测量仪的测量声压信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1；
步骤六、执行步骤一至五，采集气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱各一百份以上以制成对照缺陷样本；
步骤七、分析对照缺陷样本，得出气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息。
如图2-5所示，所述气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息，具体为：以横坐标为角度传感器4测量角度θ，纵坐标为测量所得声压P，得到角度谱曲线；当曲线呈现波浪状且相邻的波峰与波谷的声压差最大值ΔPmax与测量角度为0时所得声压P0满足：ΔPmax/P0>0.1，可判定该缺陷为裂纹；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值中较大者P5′与测量角度为0时所得声压P0满足：P5′/P0>0.8，可判定该缺陷为未焊透；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：|(P5-P-5)/(P5+P-5)|>0.2，可判定该缺陷为夹渣；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：P5/P0>0.6且|(P5-P-5)/(P5+P-5)|<0.2，可判定该缺陷为气孔。
采用如上所述扫查系统进行缺陷定性方法，包括以下步骤：
步骤一、如图1所示，将超声波测量仪的超声波探头1与测量座3通过转轴转动连接，转轴中心线与超声波探头1测量接触面相垂直且中心线与超声波探头1的超声波等效发射点重合，测量座3上设置测量超声波探头1转动角度的角度传感器4，角度传感器4与超声波测量仪都通过信号线与显示器5和数据处理器6相连接；
本系统中规定转轴中心线与超声波探头1测量接触面相垂直且中心线与超声波探头1的超声波等效发射点重合，以利于确立角度谱建立的统一标准，当检测用系统与采样用系统转轴中心线与超声波等效发射点相对位置不同时，角度谱曲线构建时需要进行相应坐标变换。
步骤二，使用与测量座3相连接的超声波测量仪的超声波探头1对焊缝7进行常规检测以发现疑似缺陷区域；
步骤三，将超声波探头1置于发现疑似缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器4测量此时超声波探头1方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器6；将角度参数通过信号线传送至数据处理器6的同时将角度参数送显示器5显示。
步骤四，绕转轴转动超声波探头1开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器4测出超声波探头1的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器6；
步骤五，数据处理器6根据角度传感器4的角度信号和超声波测量仪的测量声压信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1，并采集生成回波信号角度谱曲线上的相应数据与数据库中各类缺陷的判断信息进行比对，以确定缺陷种类。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，包括以下步骤：
步骤一、将超声波测量仪的超声波探头通过转轴与测量座转动连接，转轴中心线与超声波探头测量接触面相垂直，测量座上设置测量超声波探头转动角度的角度传感器，角度传感器与超声波测量仪都通过信号线与显示器和/或数据处理器相连接；
步骤二，使用与测量座相连接的超声波测量仪的超声波探头对含已知缺陷种类的焊缝进行常规检测以找到缺陷区域；
步骤三，将超声波探头置于发现缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器测量此时超声波探头方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤四，绕转轴转动超声波探头开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器测出超声波探头的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤五，数据处理器根据角度传感器的角度信号和超声波测量仪的测量信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1；
步骤六、执行步骤一至五，采集气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱各一百份以上以制成对照缺陷样本；
步骤七、分析对照缺陷样本，得出气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息。
2.如权利要求1所述的焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，其特征在于：所述生成回波信号角度谱的测量信息为声压信息或声强信息。
3.如权利要求2所述的焊缝缺陷种类分析用超声波角度谱数据库建立方法，其特征在于：所述气孔、夹渣、未焊透、裂纹缺陷角度谱判断信息，具体为：以横坐标为角度传感器测量角度θ，纵坐标为测量所得声压P，得到角度谱曲线；当曲线呈现波浪状且相邻的波峰与波谷的声压差最大值ΔPmax与测量角度为0°时所得声压P0满足：ΔPmax/P0>0.1，可判定该缺陷为裂纹；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值中较大者P5′与测量角度为0°时所得声压P0满足：P5′/P0>0.8，可判定该缺陷为未焊透；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：|(P5-P-5)/(P5+P-5)|>0.2，可判定该缺陷为夹渣；当曲线光滑且角度为5°和-5°时对应的声压值P5及P-5满足：P5/P0>0.6且|(P5-P-5)/(P5+P-5)|<0.2，可判定该缺陷为气孔。
4.一种基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法，包括以下步骤：
步骤一，将超声波测量仪的超声波探头通过转轴与测量座转动连接，转轴中心线与超声波探头测量接触面相垂直且中心线与超声波探头的超声波等效发射点间相对位置与建立数据库时两者的相对位置相同，测量座上设置测量超声波探头转动角度的角度传感器，角度传感器与超声波测量仪都通过信号线与显示器和/或数据处理器相连接；
步骤二，使用与测量座相连接的超声波测量仪的超声波探头对焊缝进行常规检测以发现疑似缺陷区域；
步骤三，将超声波探头置于发现疑似缺陷区域产生最强回波时所在的位置和方向；通过角度传感器测量此时超声波探头方向的中位角度α0；并将角度α0信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤四，绕转轴转动超声波探头开始绕缺陷周圈的扫查，同时角度传感器测出超声波探头的实时角度α1，并将实时角度α1信号通过信号线传送至数据处理器；
步骤五，数据处理器根据角度传感器的角度信号和超声波测量仪的测量信息生成回波信号角度谱曲线，其中角度信号为由中位角度α0与实时角度α1计算得出的角度参数θ：θ＝α0-α1，并采集生成回波信号角度谱曲线上的相应数据与数据库中各类缺陷的判断信息进行比对，以确定缺陷种类。
5.如权利要求4所述的基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法，其特征在于：所用生成回波信号角度谱的测量信息为声压信息或声强信息。
6.如权利要求4所述的基于超声波回波-声束方向特性分析的缺陷定性方法，其特征在于：将角度参数通过信号线传送至数据处理器的同时将角度参数送显示器显示。
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