CN112355440B - 一种水下焊缝超声跟踪系统 - Google Patents

Abstract

一种用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，在水下自动爬行机构上位于检测探头或焊枪的前方设置一个用于焊缝跟踪的超声波探头。当爬行机构在水下沿焊缝爬行进行检测或焊接时，跟踪探头在焊缝横向作超过焊缝宽度的扫描，同时不断发射超声波脉冲，并不断接收焊缝及其邻近焊件表面或坡口及其邻近焊件表面反射回来的超声波脉冲，将其转化为电信号，传给水上的超声波探伤仪。超声波探伤仪对其进行采样与模数转换处理，再传给水上的焊缝自动跟踪控制器。自动跟踪控制器按照“累积回波幅度偏差负反馈控制算法”或“累积距离/时间偏差负反馈控制算法”进行处理，然后向水下爬行机构的方向调节机构发出控制信号，以调节其跟踪方向。

Description

一种水下焊缝超声跟踪系统

一、技术领域

本发明属于材料加工学科中金属材料焊接与无损检测技术领域。

二、背景技术

水下焊接、检测及修复技术已取得一些进展，深水中的焊接、检测及修复需要机器来自动完成，因此需要对焊缝进行自动跟踪。目前主要采用光学信号进行视觉跟踪，而光在水中衰减快，且受水质、水流的影响大，一旦水质浑浊，将严重降低光学信号视觉跟踪效果。而其他跟踪技术所使用的传感器一般很难入水。

三、发明内容

本发明采用超声波对水下焊缝进行跟踪，主要因为超声波在水中衰减慢，水质、水流对超声波的影响小，而且超声传感器很容易密封防水。

系统组成：水下检测与焊缝跟踪系统组成如图1所示，包括：水下自动爬行机构1、跟踪方向调节机构2、可调支架3、探伤探头4、跟踪探头5、跟踪探头扫描机构6、焊件7、焊缝8、爬行机构控制箱9、焊缝自动跟踪控制器10、超声波探伤仪11。水下焊接与焊缝跟踪系统组成如图2所示，与图1不同的是：将图1中的探伤探头4换成了焊枪13，已焊接的焊缝8换成了待焊接的坡口14，并增加了电焊机12。其中爬行机构控制箱9、焊缝自动跟踪控制器10、超声波探伤仪11、电焊机12是在水上，其它都在水下，所有在水下的部分都采取了防水耐水压措施，其中水下电子、电器元件与接线端子都采用防水封装。

各部分特性：水下自动爬行机构1是自动小车或机器人，采用履带、磁铁吸附轮或螺旋桨反冲加压轮进行爬行。跟踪方向调节机构2类似于汽车的转向机构，采用步进电机或伺服电机与减速器进行驱动。可调支架3可对安装后的部件位置进行调节。探伤探头4是普通超声探头、TOFD超声探头或相控阵超声探头；对应的超声波探伤仪11则分别为数字超声波探伤仪、TOFD超声波探伤仪或相控阵超声波探伤仪。超声波探伤仪11具有两个以上独立的收发通道，具有对信号进行采样和模数转换功能；在水下检测时一机两用，既起检测焊接缺陷的作用，又起焊缝跟踪的作用；而在水下焊接时，只起焊缝跟踪的作用。跟踪探头5采用直探头或水浸聚焦探头，采用聚焦探头时离焊件表面的距离等于探头的焦距。跟踪探头扫描机构6是一种电机带动丝杠传动的直线往复移动机构(见图3、图4)，也采用步进电机或伺服电机与减速器进行驱动。焊缝自动跟踪控制器10中包含累加器、计时器、寄存器、比较器、A/D及D/A转换器、I/O接口，采用计算机控制系统或可编程控制器；它是水下焊缝超声跟踪系统的中枢，完成关键的控制算法。电焊机12包含焊接电源及控制、送丝机与保护气。焊枪13为水下湿法焊接专用焊枪。

各部分连接关系：水下自动爬行机构1上安装了跟踪方向调节机构2和可调支架3。可调支架3一部分用于安装探伤探头4或焊枪13，另一部分用于安装跟踪探头扫描机构6，并且安装后都可按需要调节位置。跟踪探头5安装在跟踪探头扫描机构6的滑块上，并且位于探伤探头4或焊枪13的前方。爬行机构控制箱9为水下自动爬行机构1提供电源及控制信号。焊缝自动跟踪控制器10为跟踪探头扫描机构6、跟踪方向调节机构2提供控制信号。超声波探伤仪11能同时为探伤探头4、跟踪探头5提供超声波频率的电信号，并对探伤探头4检测的缺陷回波信号进行处理和显示，对跟踪探头5检测的已焊焊缝8及其两侧邻近的焊件7表面或待焊坡口14及其两侧邻近的焊件7表面的回波信号进行采样与模数转换处理，并传送给自动跟踪控制器10，用于控制跟踪方向。焊枪13连接焊接电源一端以及送丝机、保护气、控制信号，焊件7直接与焊接电源另一端相连。

工作原理：在水下进行焊缝缺陷检测或湿法焊接时，水下自动爬行机构1在焊件7上爬行，带动探伤探头4对焊缝8进行检测或带动焊枪13对坡口14进行焊接，跟踪探头5在焊缝的横向作超过焊缝宽度的扫描，同时不断发射超声波脉冲，并不断接收已焊焊缝8及其两侧邻近的焊件7表面或待焊坡口14及其两侧邻近的焊件7表面反射回来的超声波脉冲。跟踪探头5将接收的超声回波转化为电信号，并传给水上的超声波探伤仪11。超声波探伤仪11对回波电信号进行采样与模数转换处理，再传给水上的焊缝自动跟踪控制器10。自动跟踪控制器10对信号进行进一步的控制运算以及放大处理后，向水下爬行机构1的方向调节机构2发出控制信号，驱动方向控制电机转动，经过减速后，修正水下爬行机构1的跟踪方向。

控制算法一：由于待焊接的坡口表面不与声束垂直，已焊接的焊缝表面不光滑平整，而母材表面比较光滑平整且与声束垂直，故待焊接的坡口表面或已焊接的焊缝表面反射超声波的幅度低于其邻近的母材表面反射超声波的幅度，根据这一点，提出“累积回波幅度偏差负反馈控制算法”。即将跟踪探头从一端扫描到另一端的行程或时间分成相等的两半，将跟踪探头扫描时两半的反射回波幅值分别进行累加，然后进行比较。如果跟踪探头扫描的中心位置就在坡口或焊缝的中心线上，上述两半的波幅累加值应该基本相等；如果跟踪探头扫描的中心位置偏离坡口或焊缝的中心线，上述两半的波幅累加值就不相等，存在偏差。将此偏差作为控制变量，并转化成电信号，放大以后，负反馈控制爬行机构的方向控制电机，使爬行机构往减小偏差的方向偏转一定角度，从而靠近坡口或焊缝中心线；若偏向另一边，则反方向调节，使爬行机构始终跟踪坡口或焊缝的中心线爬行，从而使焊枪对准坡口中心线或使检测探头与焊缝中心线保持基本恒定的距离。

控制算法二：由于待焊接的坡口表面或已焊好有余高的焊缝表面到跟踪探头的距离，与其邻近的母材表面到跟踪探头的距离不同，以致超声波传播的时间不同。待焊接的坡口表面到跟踪探头的距离大于其邻近的母材表面到跟踪探头的距离，以致超声波传播时间较长；而已焊好有余高的焊缝表面到跟踪探头的距离小于其邻近的母材表面到跟踪探头的距离，以致超声波传播时间较短。根据这一点，又提出“累积距离或时间偏差负反馈控制算法”。也是将跟踪探头从左端扫描到右端的行程或时间分成左右相等的两半，将跟踪探头扫描时左右两半的超声传播时间或传播时间乘声速除以2得到的距离分别进行累加，然后进行比较。同理，如果跟踪探头扫描的中心位置就在坡口或焊缝的中心线上，上述两半的距离或传播时间的累加值应该基本相等；如果跟踪探头扫描的中心位置偏离坡口或焊缝的中心线，上述两半的距离或传播时间的累加值就不相等，存在偏差。同样，将此偏差作为控制变量，并转化成电信号，放大以后，负反馈控制爬行机构的方向控制电机，使爬行机构往减小偏差的方向偏转一定角度，从而靠近坡口或焊缝中心线；若偏向另一边，则反方向调节，使爬行机构始终跟踪坡口或焊缝的中心线爬行，从而使焊枪对准坡口中心线或使检测探头与焊缝中心线保持基本恒定的距离。

四、附图说明

图1为水下检测与焊缝跟踪系统组成示意图。图中A——水面，B——爬行机构电源及控制信号，C——方向控制信号，D——扫描控制信号，E——跟踪探头数据，F——跟踪探头连接线，G——探伤探头连接线。

图2为水下焊接与焊缝跟踪系统组成示意图。图中H——焊枪接焊接电源一端及送丝机、保护气、控制信号，I——焊件接焊接电源另一端。

图3为水下焊缝检测时跟踪探头扫描位置示意图。图中J——跟踪探头扫描左端位置，K——跟踪探头扫描右端位置。

图4为水下坡口焊接时跟踪探头扫描位置示意图。

图5为累积回波幅度偏差负反馈控制算法过程示意图。

图6为累积距离或时间偏差负反馈控制算法过程示意图。

五、具体实施方式

实施方式一：累积回波幅度偏差负反馈控制算法过程如图5所示。开机后首先设置跟踪探头5的扫描宽度和扫描速度，确定扫描周期T。采用从左向右单程扫描方式，从右向左回程不扫描；扫描宽度大于焊缝的宽度，一般2-3倍焊缝宽度为宜；扫描速度的选取应保证扫描平稳，并使扫描周期T达到超声脉冲周期的10倍以上。开始焊缝跟踪时，跟踪探头5复位至扫描左端位置(见图3)，焊缝自动跟踪控制器10中的累加器、计时器、寄存器都清零。然后，跟踪探头5开始从左端向右端匀速扫描，同时发射一定频率的超声波脉冲，并开始扫描计时t_左；跟踪探头5在发射超声脉冲的间隔期接收已焊焊缝8及其两侧邻近的焊件7表面或待焊坡口14及其两侧邻近的焊件7表面的超声反射回波，传送到超声探伤仪11中，对回波幅值进行采样和模数转换；并将波幅数值传送到跟踪控制器10中，进行累加得到S_左。然后判断扫描计时t_左是否达到T/2？若没达到则继续扫描、发射并接受超声波、波幅采样并累加；若扫描计时t_左达到T/2，则将累加值S_左寄存，寄存后累加器清零，计时器也清零，然后继续扫描并重新计时t_右，继续发射并接收超声脉冲，继续对反射波幅采样并重新进行累加得到S_右。然后判断扫描计时t_右是否达到T/2？若没达到则继续扫描、发射并接受超声波、波幅采样并累加；若扫描计时t_右达到T/2，则表明探头到达扫描右端位置，得到累加值S_右。然后判断S_右-S_左是否大于某阀值，若是，则表明爬行机构1偏右，焊缝自动跟踪控制器10向跟踪方向调节机构2发出控制电信号，方向控制电机使爬行机构向左偏转；若否，则继续判断S_左-S_右是否大于某阀值，若是，则表明爬行机构偏左，自动跟踪控制器10向跟踪方向调节机构2发出控制电信号，方向控制电机使爬行机构向右偏转。若否，则表明左右偏转都在允许范围内，不需调节方向，将跟踪探头复位至左端，累加器、计时器、寄存器都清零，开始进行新的跟踪循环，重复上述过程。

实施方式二：累积距离或时间偏差负反馈控制算法过程如图6所示。开机后跟踪探头5的扫描方式及扫描参数的设置同实施方式一。开始焊缝跟踪时，跟踪探头5复位至扫描左端位置(见图4)，焊缝自动跟踪控制器10中的累加器、计时器、寄存器也都清零。然后，跟踪探头5开始从左端向右端匀速扫描，并开始计扫描时间t_扫左；同时发射一定频率的超声波脉冲，在发射超声波脉冲瞬间，超声探伤仪11向焊缝自动跟踪控制器10发出一个启动信号，让计时器开始计超声传播时间t_超。跟踪探头5在发射超声脉冲的间隔期接收已焊焊缝8及其两侧邻近的焊件7表面或待焊坡口14及其两侧邻近的焊件7表面的超声反射回波，传送到超声探伤仪11中，在接收回波信号瞬间，超声探伤仪11向焊缝自动跟踪控制器10发出一个停止信号，让计时器停止超声传播计时，得到一个超声传播时间t_超。可以将t_超乘以超声波在水中的速度再除以2，得到探头到已焊焊缝及其两侧邻近的焊件表面或待焊坡口及其两侧邻近的焊件表面的距离，然后进行累加；为了简便起见，可以直接将t_超进行累加，得到t_超左。然后判断扫描计时t_扫左是否达到T/2？若没有达到，则继续扫描计时，继续发射并接受超声波，继续超声传播计时并累加；若扫描计时t_扫左达到T/2，则将累加值t_超左寄存，t_超左寄存后，累加器清零，计时器也清零。然后继续扫描并重新计时t_扫右，继续发射并接收超声脉冲，重新进行超声脉冲传播计时，并累加得到t_超右。然后判断扫描计时t_扫右是否达到T/2？若没达到，则继续扫描计时，继续发射并接收超声波，继续超声传播计时并累加；若扫描计时t_扫右达到了T/2，则表明探头到达扫描右端位置，得到超声传播时间t_超的累加值t_超右。然后判断t_超右-t_超左是否大于某阀值，若是，则对于焊缝检测而言，爬行机构偏右，自动跟踪控制器10向跟踪方向调节机构2发出控制电信号，方向控制电机使爬行机构向左偏转；而对于坡口焊接而言，情况正好相反。若否，则继续判断t_超左-t_超右是否大于某阀值，若是，则对于焊缝检测而言，爬行机构偏左，自动跟踪控制器10向跟踪方向调节机构2发出控制电信号，方向控制电机使爬行机构向右偏转；而对于坡口焊接而言，情况正好相反。若否，则表明左右偏转都在允许范围内，不需调节方向，将跟踪探头复位至左端，累加器、计时器、寄存器都清零，开始进行新的跟踪循环，重复上述过程。

Claims (9)

1.一种用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于：该系统包括水下自动爬行机构、跟踪方向调节机构、可调支架、跟踪探头、跟踪探头扫描机构、焊缝自动跟踪控制器、超声波探伤仪，其中在水下自动爬行机构位于检测探头或焊枪的前方设置一个用于焊缝跟踪的超声波探头，当爬行机构在水下沿焊缝爬行进行检测或焊接时，跟踪探头在焊缝的横向作超过焊缝宽度的扫描，同时不断发射超声波脉冲，并不断接收已焊焊缝及其两侧邻近的焊件表面或待焊坡口及其两侧邻近的焊件表面反射回来的超声波脉冲，将其转化为电信号，传给水上的超声波探伤仪，超声波探伤仪对其进行采样和模数转换，再传给水上的焊缝自动跟踪控制器，自动跟踪控制器按照“累积回波幅度偏差负反馈控制算法”或“累积距离/时间偏差负反馈控制算法”进行处理，然后向水下爬行机构的方向调节机构发出控制信号，以调节其跟踪方向；其中所述“累积回波幅度偏差负反馈控制算法”是基于待焊接的坡口表面或已焊接的焊缝表面反射超声波的幅度低于其邻近的母材表面反射超声波的幅度，将跟踪探头从一端横向扫描到另一端的行程或时间分成相等的两半，将跟踪探头扫描已焊焊缝及其两侧邻近的焊件表面或待焊坡口及其两侧邻近的焊件表面两半的超声反射回波幅值分别进行累加，然后进行比较；如果跟踪探头扫描的中心位置偏离焊缝或坡口的中心线，上述两半的波幅累加值就不相等，存在偏差；将此偏差作为控制变量，并转化成电信号，放大以后，负反馈控制爬行机构的方向控制电机，使爬行机构往减小偏差的方向偏转，从而靠近焊缝或坡口中心线；所述的“累积距离/时间偏差负反馈控制算法”是基于待焊接的坡口表面或已焊好有余高的焊缝表面到跟踪探头的距离与其邻近的母材表面到跟踪探头的距离不同，以致超声波传播的时间不同，将跟踪探头从左端横向扫描到右端的行程或时间分成左右相等的两半，将跟踪探头扫描时左右两半的超声到已焊焊缝及其两侧邻近的焊件表面或待焊坡口及其两侧邻近的焊件表面反射回探头的传播时间分别进行累加，然后进行比较；如果跟踪探头扫描的中心位置偏离焊缝或坡口的中心线，上述两半的传播时间的累加值就不相等，存在偏差；同样，将此偏差作为控制变量，并转化成电信号，放大以后，负反馈控制爬行机构的方向控制电机，使爬行机构往减小偏差的方向偏转，从而靠近焊缝或坡口中心线，其中作为比较参数的所述传播时间，可以由传播时间乘声速除以2得到的距离进行替换。

2.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述水下自动爬行机构、跟踪方向调节机构、可调支架、跟踪探头和跟踪探头扫描机构都处于水下，并采取了防水耐水压措施，其中水下电子、电器元件与接线端子都采用防水封装。

3.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述水下自动爬行机构是自动小车或机器人，采用履带、磁铁吸附轮或螺旋桨反冲加压轮进行爬行，由水上的控制箱提供电源及控制信号，所述水下自动爬行机构还安装有跟踪方向调节机构和可调支架。

4.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述跟踪方向调节机构，采用步进电机或伺服电机与减速器进行驱动。

5.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述的可调支架一部分用于安装探伤探头或焊枪，另一部分用于安装跟踪探头扫描机构，并且安装后都可按需要调节位置。

6.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述的跟踪探头扫描机构是一种电机带动丝杠传动的直线往复移动机构，并采用步进电机或伺服电机与减速器进行驱动。

7.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述的跟踪探头，采用水浸聚焦探头，设定跟踪探头与焊件表面的距离等于探头的焦距；且跟踪探头安装在跟踪探头扫描机构的滑块上，并且位于探伤探头或焊枪的前方。

8.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述的超声波探伤仪，具有两个以上独立的收发通道，具有对信号进行采样和模数转换功能；所述的超声波探伤仪是数字超声波探伤仪、TOFD超声波探伤仪或相控阵超声波探伤仪；所述的超声波探伤仪能够同时为探伤探头和跟踪探头提供超声波频率的电信号，并对探伤探头检测的缺陷回波信号进行处理和显示，对跟踪探头检测的已焊焊缝及其两侧邻近的焊件表面或待焊坡口及其两侧邻近的焊件表面的回波信号进行采样和模数转换；所述的超声波探伤仪在水下检测时一机两用，既起检测焊接缺陷的作用，又起焊缝跟踪的作用，而在水下焊接时，只起焊缝跟踪的作用。

9.如权利要求1所述的用于水下焊缝缺陷检测和水下湿法焊接的超声跟踪系统，其特征在于所述的焊缝自动跟踪控制器，包含累加器、计时器、寄存器、比较器、A/D及D/A转换器、I/O接口，采用计算机控制系统或可编程控制器；所述的焊缝自动跟踪控制器是水下焊缝超声跟踪系统的中枢，完成关键的控制算法；所述的焊缝自动跟踪控制器一方面为跟踪探头扫描机构提供控制信号，另一方面，所述的焊缝自动跟踪控制器对超声波探伤仪处理后传来的信号进行进一步的控制运算以及放大处理后，向水下爬行机构的方向调节机构发出控制信号。

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