CN112051334B - 基于tofd探伤装置的焊缝跟踪系统及其焊缝跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统及其焊缝跟踪方法。所述焊缝跟踪系统包括：TOFD发射探头、第一接收探头、第二接收探头、扫查架、TOFD探伤模块、焊缝识别模块、控制器模块以及机械调节模块。在本申请中，一个TOFD发射探头同时对应第一接收探头和第二接收探头，第一接收探头用于接收焊缝缺陷的衍射信号实现对焊缝的TOFD探伤，第二接收探头用于接收焊趾一次衍射二次反射信号实现焊缝中心位置识别及焊缝跟踪。焊缝跟踪系统采用一发双收模式工作，使得系统在焊缝TOFD探伤同时实现焊缝跟踪，这种工作模式简单可靠，有助于提高检测可靠性和检测效率。此外，本申请的系统结构简单、成本低、实时性好，且焊缝跟踪精度能够满足TOFD探伤要求。

Description

基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统及其焊缝跟踪方法
技术领域
本发明涉及焊缝无损检测时的焊缝自动跟踪技术领域，尤其涉及一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统及其焊缝跟踪方法。
背景技术
衍射时差法(Time of Flight Diffraction，简称TOFD)是一种利用待检试件缺陷衍射信号来检测、定量和定位缺陷的方法，通常使用一对纵波斜探头，采用一发一收模式。该方法具有检测速度快、可靠性好、缺陷判读直观、缺陷定位精度高等优点，在焊缝无损检测中具有广泛的应用。TOFD焊缝探伤时，其常用的扫查方式为非平行扫查方式，要求收发探头沿焊缝长度方向移动，并且关于焊缝中心对称。采用机械扫查时，由于探头移动方向与焊缝长度方向存在一定偏差，长焊缝探伤时，难以保证收发探头关于焊缝中心对称，另外对于长管上的位置有沿圆周漂移的倾向，因此需要实时识别焊缝中心与探头相对位置，定位TOFD探头。
目前大多数焊缝跟踪主要基于视觉检测，该类系统主要包括结构光源和视觉传感器两部分。对于存在一定余高的焊缝，结构光源发出的激光条纹投射到该焊缝时，会发生相应的形变；视觉传感器接收经过焊缝余高调制的激光条纹，通过图像处理可计算出焊缝位置。但是此种方法容易受到光线的干扰，室外检测时，自然光线结构复杂、多变，而且打磨后的扫查区域会存在一定的反光,同时需要在探伤设备上加装结构光源和视觉传感器，增大了设备的复杂性。
另一种焊缝跟踪方式主要涉及超声检测，超声检测系统主要包括自动摆扫单元和数据采集单元，自动摆扫单元携带超声直探头在垂直于焊缝方向进行循环摆扫，利用焊缝背面留有的内毛刺使超声波底部回波信号波幅发生改变来识别焊缝中心。该方法的不足之处为：每次识别焊缝中心，都需要进行一次完整的机械横向摆扫，大大降低了检测效率。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统及其焊缝跟踪方法，所述焊缝跟踪系统能在进行焊缝探伤的同时进行焊缝跟踪，且其不仅结构简单、成本低、实时性好，还满足TOFD探伤的跟踪精度要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其用于对带有焊缝的待检测对象进行焊缝检测及焊缝跟踪，且所述焊缝沿长度方向延伸并形成有焊趾。所述焊缝跟踪系统包括：TOFD发射探头、第一接收探头、第二接收探头、扫查架、TOFD探伤模块、焊缝识别模块、控制器模块以及机械调节模块。TOFD发射探头和第一接收探头在宽度方向上位于所述焊缝两侧，TOFD发射探头用于向所述焊缝发射超声波，第一接收探头用于接收焊缝缺陷的衍射信号。第二接收探头与第一接收探头位于所述焊缝同一侧，并用于接收焊趾一次衍射二次反射信号。扫查架设置于所述待检测对象上方并固定安装TOFD发射探头、第一接收探头和第二接收探头。TOFD探伤模块通信连接第一接收探头和第二接收探头，并用于识别焊缝的位置以及检测出焊缝是否存在缺陷。焊缝识别模块通信连接TOFD探伤模块，并用于分析第二接收探头接收的焊趾一次衍射二次反射信号、并计算出所述焊缝与TOFD发射探头的相对位置。控制器模块通信连接焊缝识别模块，并用于根据焊缝识别模块计算出的所述焊缝与TOFD发射探头的相对位置并发出探头定位命令。机械调节模块连接所述扫查架，并用于响应所述控制器模块发出的探头定位命令，以在长度方向和宽度方向上调整所述扫查架的位置，以使TOFD发射探头和第一接收探头关于所述焊缝的中心对称分布。
在一实施例中，第一接收探头为TOFD接收探头。
在一实施例中，第二接收探头为超声直探头。
在一实施例中，TOFD探伤模块包括数据采集单元和数据处理单元。所述数据采集单元采集第一接收探头和第二接收探头接收的超声信号，以识别出焊缝的位置。所述数据处理单元用于分析第一接收探头接收到的焊缝缺陷的衍射信号、并计算出焊缝缺陷的位置和高度。
在一实施例中，待检测对象的厚度为H，与第一接收探头位于焊缝同一侧的焊趾一次衍射二次反射信号的传播时间为t，超声波在待检测对象中的传播速度为c，TOFD发射探头和第二接收探头的距离为2S，焊缝宽度为w，所述焊缝的中心与TOFD发射探头在宽度方向上的距离为l，则l满足如下方程：
Figure GDA0003259276990000031
在一实施例中，第二接收探头还用于接收焊缝余高反射信号。
在一实施例中，第二接收探头还用于接收焊缝余高反射变形信号。
本发明还提供了一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统的焊缝跟踪方法，其采用上述所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统进行实现。所述焊缝跟踪方法包括步骤S1-S5。
S1，将配置有TOFD发射探头、第一接收探头和第二接收探头的扫查架置于待检测对象上的初始位置处。S2，采用机械调节模块在宽度方向上移动所述扫查架，所述扫查架每移动一单位长度，焊缝识别模块记录第二接收探头接收的焊趾一次衍射二次反射信号的传播时间及其对应的焊缝与TOFD发射探头的相对位置，并生成焊趾一次衍射二次反射信号的传播时间和焊缝与TOFD发射探头的相对位置之间的关系表。S3，将扫查架沿长度方向上移动，每移动一单位长度，第二接收探头接收一次焊趾一次衍射二次反射信号，并利用焊缝识别模块记录第二接收探头接收的焊趾一次衍射二次反射信号的传播时间。S4，根据焊缝识别模块记录的焊趾一次衍射二次反射信号的传播时间，查询步骤S2所述的关系表，由此得出焊缝与TOFD发射探头的相对位置。S5，根据步骤S4中的焊缝与TOFD发射探头的相对位置，采用机械调节模块在长度方向和宽度方向上将所述扫查架移动相应距离，以使TOFD发射探头和第二接收探头关于焊缝的中心对称分布。
本发明的有益效果如下：
在本申请的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统中，一个TOFD发射探头同时对应第一接收探头和第二接收探头，而基于第一接收探头接收到的焊缝上的焊缝缺陷的衍射信号能够实现对焊缝的TOFD探伤；基于第二接收探头接收到的焊趾一次衍射二次反射信号，能够直接计算出焊缝焊趾与TOFD发射探头的相对位置，进而获得焊缝的位置，由此实现焊缝跟踪。因此，基于本申请的焊缝跟踪系统采用的一发双收工作模式，使得系统在焊缝TOFD探伤同时实现焊缝跟踪，这种一发双收的工作模式简单可靠，有助于提高检测可靠性和检测效率。此外，本申请的这种焊缝跟踪系统不仅结构简单、成本低、实时性好，且焊缝跟踪精度能够满足TOFD探伤要求。
附图说明
图1是本发明的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统的结构示意图。
图2是本发明所述的焊趾一次衍射二次反射信号的传播路径示意图。
图3是本发明所述的第二接收探头接收到的信号原始波形图。
图4是本发明所述的焊缝跟踪方法的步骤示意图。
图5是本发明所述的扫查架垂直焊缝移动时，第二接收探头获取的TOFD B扫描图像。
其中，附图标记说明如下：
1TOFD发射探头 2'待检测对象
2第一接收探头 21'焊缝
3第二接收探头 22'焊趾
4TOFD探伤模块 T1焊趾一次衍射二次反射信号
41数据采集单元
42数据处理单元 T2焊缝余高反射信号
5焊缝识别模块 T3焊缝余高反射变形信号
6控制器模块 L长度方向
7机械调节模块 W宽度方向
8扫查架 H厚度方向
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
参照图1-5，本申请的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统用于对待检测对象2'进行焊缝检测及焊缝跟踪。待检测对象2'带有焊缝21'，且焊缝21'沿长度方向L延伸并形成有焊趾22'(如图1所示)。其中，待检测对象2'的厚度可在15mm～50mm之间，而焊缝21'的地面余高不低于1mm。
参照图1，基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统可包括：TOFD发射探头1、第一接收探头2、第二接收探头3、TOFD探伤模块4、焊缝识别模块5、控制器模块6、机械调节模块7以及扫查架8。
TOFD发射探头1、第一接收探头2和第二接收探头3均固定安装于扫查架8。TOFD发射探头1和第一接收探头2在宽度方向W上位于焊缝21'两侧，用于对焊缝21'进行TOFD探伤。第二接收探头3与第一接收探头2位于述焊缝21'同一侧，用于对焊缝21'进行焊缝跟踪。
具体地，TOFD发射探头1用于向焊缝21'发射超声波，第一接收探头2用于接收焊缝21'上的焊缝缺陷的衍射信号，第二接收探头3用于接收焊趾一次衍射二次反射信号T1。需要说明的是，所述的焊趾一次衍射二次反射信号T1是指TOFD发射探头1发射的超声波经所述焊趾22'衍射后传播至待检测对象2'的上表面、再经所述上表面反射后传播至待检测对象2'的下表面、最后经所述下表面反射后传播至第二接收探头3的超声波。
TOFD探伤模块4通信连接第一接收探头2和第二接收探头3。TOFD探伤模块4用于识别焊缝21'的位置以及检测出焊缝21'是否存在缺陷。
焊缝识别模块5通信连接TOFD探伤模块4。焊缝识别模块5用于分析第二接收探头3接收的焊趾一次衍射二次反射信号T1、并计算出焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置。
控制器模块6通信连接焊缝识别模块5。控制器模块6用于根据焊缝识别模块5计算出的焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置向机械调节模块7发出探头定位命令。具体地，控制器模块6可为PLC、MUC或者计算机等。
机械调节模块7连接扫查架8。机械调节模块7用于响应控制器模块6发出的探头定位命令，以在长度方向L和宽度方向W上调整扫查架8的位置，以使TOFD发射探头1和第一接收探头2'关于焊缝21'的中心对称分布。具体地，机械调节模块7可以采用直线模组。
扫查架8设置于所述待检测对象2'上方并固定安装TOFD发射探头1、第一接收探头2和第二接收探头3。在所述焊缝跟踪系统对待检测对象2'上的焊缝21'进行探伤时，TOFD发射探头1、第一接收探头2和第二接收探头3随扫查架8移动。
在本申请的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统中，一个TOFD发射探头1同时对应第一接收探头2和第二接收探头3，而基于第一接收探头2接收到的焊缝21'上的焊缝缺陷的衍射信号实现对焊缝21'的TOFD探伤；基于第二接收探头3接收到的焊趾一次衍射二次反射信号T1，能够直接计算出焊趾22'与TOFD发射探头1的相对位置，进而获得焊缝21'的位置，由此实现对焊缝21'的焊缝跟踪。因此，基于本申请的焊缝跟踪系统采用的一发双收工作模式，使得系统在焊缝TOFD探伤同时实现焊缝跟踪。这种一发双收的工作模式简单可靠，有助于提高检测准确性和检测效率。此外，本申请的这种焊缝跟踪系统不仅结构简单、成本低、实时性好，且焊缝跟踪精度能够满足TOFD探伤要求。
在本申请的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统中，焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置是通过识别待检测对象2'上的焊趾22'的位置确定出来的，这里所述的焊趾22'与第一接收探头2位于焊缝21'同一侧。而所述的焊趾22'的位置是由第二接收探头3接收到的焊趾一次衍射二次反射信号T1的时间确定的。具体地，焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置的计算方式如下。
参照图1和图2，待检测对象2'的厚度为H，与第一接收探头2位于焊缝21'同一侧的焊趾一次衍射二次反射信号T1的传播时间为t，超声波在待检测对象2'中的传播速度为c，TOFD发射探头1和第二接收探头3的距离为2S，焊缝21'的宽度为w，焊缝21'的中心与TOFD发射探头1在宽度方向W上的距离为l，则l满足如下方程：
Figure GDA0003259276990000061
通过上述方程式(1)即可计算出焊缝21'的中心与TOFD发射探头1在宽度方向W上的距离l(即表示焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置)，即：
Figure GDA0003259276990000062
在一实施例中，第一接收探头2可为TOFD接收探头。
在一实施例中，第二接收探头3可为超声直探头。
在一实施例中，参照图1，TOFD探伤模块4可包括数据采集单元41和数据处理单元42。数据采集单元41采集第一接收探头2和第二接收探头3接收的超声信号，以识别出焊缝21'的位置。数据处理单元42用于分析第一接收探头2接收到的焊缝缺陷的衍射信号、并计算出焊缝缺陷的位置和高度。焊缝识别模块5通信连接TOFD探伤模块4的数据采集单元41和数据处理单元42。这里，由于焊缝识别模块5能够与TOFD探伤模块4共用数据采集单元41和数据处理单元42，从而使得焊缝识别模块5无需额外设置单独的数据采集单元和数据处理单元，进而使得本申请的焊缝跟踪系统的投入低、系统结构简单。
参照图3，第二接收探头3还可用于接收焊缝余高反射信号T2。
参照图3，第二接收探头3还可用于接收焊缝余高反射变形信号T3。
基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统的焊缝跟踪方法通过上述所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统进行实现。参照图4-5，所述焊缝跟踪方法包括步骤S1-S5。
S1，将配置有TOFD发射探头1、第一接收探头2和第二接收探头3的扫查架8置于待检测对象2'上的初始位置处。
S2，采用机械调节模块7在宽度方向W上移动扫查架8，扫查架8每移动一单位长度，焊缝识别模块5记录第二接收探头3接收的焊趾一次衍射二次反射信号T1的传播时间及其对应的焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置，并生成焊趾一次衍射二次反射信号T1的传播时间和焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置之间的关系表。
S3，将扫查架8沿长度方向L上移动，每移动一单位长度，第二接收探头3接收一次焊趾一次衍射二次反射信号T1，并利用焊缝识别模块5记录第二接收探头3接收的焊趾一次衍射二次反射信号T1的传播时间。
S4，根据焊缝识别模块5记录的焊趾一次衍射二次反射信号T1的传播时间，查询步骤S2所述的关系表，由此得出焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置。
S5，根据步骤S4中的焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置，采用机械调节模块7在长度方向L和宽度方向W上将所述扫查架8移动相应距离，以使TOFD发射探头1和第二接收探头3关于焊缝21'的中心对称分布。
在本申请的所述焊缝跟踪方法中，基于计算出的焊缝21'与TOFD发射探头1的相对位置，扫查架8在械调节模块7的控制下只需移动相应距离即可使TOFD发射探头1和第二接收探头3关于焊缝21'的中心对称分布、而无需进行完整的机械横向摆扫，由此极大地提高了检测效率。

Claims (8)

1.一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，用于对带有焊缝(21')的待检测对象(2')进行焊缝检测及焊缝跟踪，且所述焊缝(21')沿长度方向(L)延伸并形成有焊趾(22')，其特征在于，
所述焊趾(22')位于待检测对象(2')的下表面，所述焊趾(22')与第一接收探头(2)位于焊缝(21')的同一侧；
所述焊缝跟踪系统包括：TOFD发射探头(1)、第一接收探头(2)、第二接收探头(3)、扫查架(8)、TOFD探伤模块(4)、焊缝识别模块(5)、控制器模块(6)以及机械调节模块(7)；
TOFD发射探头(1)和第一接收探头(2)在宽度方向(W)上位于所述焊缝(21')两侧且位于待检测对象(2')的上表面，TOFD发射探头(1)用于向所述焊缝(21')发射超声波，第一接收探头(2)用于接收焊缝缺陷的衍射信号；
第二接收探头(3)与第一接收探头(2)位于所述焊缝(21')同一侧，并用于接收焊趾一次衍射二次反射信号(T1)，所述焊趾一次衍射二次反射信号(T1)是指TOFD发射探头(1)发射的超声波经所述焊趾(22')衍射后传播至待检测对象(2')的上表面、再经所述上表面反射后传播至待检测对象(2')的下表面、最后经所述下表面反射后传播至第二接收探头(3)的超声波；
扫查架(8)设置于所述待检测对象(2')上方并固定安装TOFD发射探头(1)、第一接收探头(2)和第二接收探头(3)；
TOFD探伤模块(4)通信连接第一接收探头(2)和第二接收探头(3)，并用于识别焊缝(21')的位置以及检测出焊缝(21')是否存在缺陷；
焊缝识别模块(5)通信连接TOFD探伤模块(4)，并用于分析第二接收探头(3)接收的焊趾一次衍射二次反射信号(T1)、并计算出所述焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置；
控制器模块(6)通信连接焊缝识别模块(5)，并用于根据焊缝识别模块(5)计算出的所述焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置并发出探头定位命令；
机械调节模块(7)连接所述扫查架(8)，并用于响应所述控制器模块(6)发出的探头定位命令，以在长度方向(L)和宽度方向(W)上调整所述扫查架(8)的位置，以使TOFD发射探头(1)和第一接收探头(2)关于所述焊缝(21')的中心对称分布。
2.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，第一接收探头(2)为TOFD接收探头。
3.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，第二接收探头(3)为超声直探头。
4.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，TOFD探伤模块(4)包括数据采集单元(41)和数据处理单元(42)；
所述数据采集单元(41)采集第一接收探头(2)和第二接收探头(3)接收的超声信号，以识别出焊缝(21')的位置；
所述数据处理单元(42)用于分析第一接收探头(2)接收到的焊缝缺陷的衍射信号、并计算出焊缝缺陷的位置和高度。
5.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，待检测对象(2')的厚度为H，与第一接收探头(2)位于焊缝(21')同一侧的焊趾一次衍射二次反射信号(T1)的传播时间为t，超声波在待检测对象(2')中的传播速度为c，TOFD发射探头(1)和第二接收探头(3)的距离为2S，焊缝(21')的宽度为w，所述焊缝(21')的中心与TOFD发射探头(1)在宽度方向(W)上的距离为l，则l满足如下方程：
Figure FDA0003259276980000021
6.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，第二接收探头(3)还用于接收焊缝余高反射信号(T2)。
7.根据权利要求1所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统，其特征在于，第二接收探头(3)还用于接收焊缝余高反射变形信号(T3)。
8.一种基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统的焊缝跟踪方法，其采用权利要求1-7中任一项所述的基于TOFD探伤装置的焊缝跟踪系统进行实现，其特征在于，所述焊缝跟踪方法包括步骤：
S1，将配置有TOFD发射探头(1)、第一接收探头(2)和第二接收探头(3)的扫查架(8)置于待检测对象(2')上的初始位置处；
S2，采用机械调节模块(7)在宽度方向(W)上移动所述扫查架(8)，所述扫查架(8)每移动一单位长度，焊缝识别模块(5)记录第二接收探头(3)接收的焊趾一次衍射二次反射信号(T1)的传播时间及其对应的焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置，并生成焊趾一次衍射二次反射信号(T1)的传播时间和焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置之间的关系表；
S3，将扫查架(8)沿长度方向(L)上移动，每移动一单位长度，第二接收探头(3)接收一次焊趾一次衍射二次反射信号(T1)，并利用焊缝识别模块(5)记录第二接收探头(3)接收的焊趾一次衍射二次反射信号(T1)的传播时间；
S4，根据焊缝识别模块(5)记录的焊趾一次衍射二次反射信号(T1)的传播时间，查询步骤S2所述的关系表，由此得出焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置；
S5，根据步骤S4中的焊缝(21')与TOFD发射探头(1)的相对位置，采用机械调节模块(7)在长度方向(L)和宽度方向(W)上将所述扫查架(8)移动相应距离，以使TOFD发射探头(1)和第二接收探头(3)关于焊缝(21')的中心对称分布。
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