CN113092587A - 一种基于tfm的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法 - Google Patents

一种基于tfm的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法 Download PDF

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陆铭慧
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Abstract

本发明公开了一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，属于超声检测技术领域，该检测方法具体步骤如下：(1)检测样品设计；(2)平底孔检测；(3)半横通孔检测；(4)线槽检测；(5)弧槽检测；本发明3d‑TFM检测能获取三个维度的数据，对于孔类缺陷能够较好显示面阵探头下方样板的多个缺陷立体成像，还原度较高，可以掌握缺陷的三维形态走向；对于槽类缺陷，TFM检测还原度高于扇形扫查，此外本发明相对于传统相控阵扫查，能检出更多缺陷，可减少漏检，其测量精度和检测效率更高，对缺陷的还原度更高，可增大检出率，因而值得进一步推广。

Description

一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法。
背景技术
经检索，中国专利号CN104655564B公开了一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，该发明虽然方法简易，但检测效率较低；搅拌摩擦焊缝中常见的缺陷有隧道型孔洞和根部未焊合，危害构件的安全运行；随着超声检测技术的不断发展，相控阵(PA，PhasedArray)在搅拌摩擦焊缝缺陷检测中得到越来越多的应用；目前工业实际中大多采用的相控阵扇形扫查得到缺陷图像，存在缺陷图像畸变，难以准确定性等问题；而TFM的相控阵检测方法具有更高的检出率、还原度更高、成像更清晰等优点；利用PA技术对FSW焊缝缺陷进行检测研究，试验表明，PA能够有效检测出面积型缺陷及体积型缺陷。AndréLamarre等对PA的不同扫查模式进行了研究，结果表明：线形扫查模式可对焊缝快速全面扫查，扇形扫查模式可利用单探头实现不同角度检测，扫描范围扩展到整个焊缝，有利于检测复杂结构的焊缝。Vugrin等采用高频率单晶探头对FSW中孔洞及根部未焊透进行了对比验证，试验表明，单晶探头直射法对于孔洞缺陷有较好的检测效果，但对于根部未焊透效果较差，而斜入射的方式可有效解决无法检测根部未焊透的问题；
现有的搅拌摩擦焊缺陷检测方法，大多采用PA检测法，其PA检测法的检出率和还原度较低，为此，我们提出一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)检测样品设计：设计一块铝合金样品，并在其中加工不同尺寸的孔、线槽和弧槽，分别模拟搅拌摩擦焊缝内孔洞和不同形态未焊透；
(2)平底孔检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，得到平底孔检测数据；
(3)半横通孔检测：将所述探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中半横通孔的埋深，得到半横通孔检测数据；
(4)线槽检测：将所述探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中不同线槽的宽度和深度，得到线槽检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查，得到线槽成像图；
(5)弧槽检测：将所述探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中不同弧槽的宽度和深度，得到弧槽检测数据；同时将所述斜探头设备放置在铝合金样品前侧面切口处进行扫查，得到弧槽成像图。
进一步地，所述铝合金样品尺寸具体为150mm×95mm×17.5mm。
进一步地，所述探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5的阵元面阵直探头或5L64-0.6×10的阵元线阵直探头中的一种；所述刻度读取设备具体为CTS-PA22T相控阵全聚焦设备。
进一步地，所述斜探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5粘连36°斜楔块或为5L64-0.6×10粘连36°斜楔块中的一种。
进一步地，所述CTS-PA22T相控阵全聚焦设备具体检测成像过程如下：
S1：获取待测物成像图每个表征点的回波振幅大小，其公式如下：
Figure BDA0003005282800000031
式中：sij为阵元i激励和阵元j接收的回波信号中表征点(x,y)的振幅信息；tij(x,y)是声回波传送的时间；
S2：获取待测物成像图每个表征点的回波延时，其公式如下：
Figure BDA0003005282800000041
式中：xi和xj分别为发射阵元信号和接收信号阵元中心的横坐标；c为声波在待测物体中的传播速度；
S3：通过以上计算，将检测区域中每一点的回波振幅和延时提取出来，叠加到目标成像区域对应的位置，并对每一点进行全息重构，从而得到检测图像。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、该基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其3d-TFM检测能获取三个维度的数据，对于孔类缺陷能够较好显示面阵探头下方样板的多个缺陷立体成像，还原度较高，可以掌握缺陷的三维形态走向；对于槽类缺陷，TFM检测还原度高于扇形扫查；
2、该基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，相对于传统扫查，其测量精度更高，能检出更多缺陷，可减少漏检，对缺陷的还原度更高，可增大检出率，而且3d-TFM比2d-TFM和传统扫查的测量精度高，对于体积性缺陷只需在某一个面做一次检测，就可以大致还原缺陷形貌，便于缺陷的定性，进而有利于提高检测效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法的整体流程图；
图2为本发明探头设备的放置图；
图3为本发明铝合金样板俯视图；
图4为本发明半横通孔3d-TFM成像图；
图5为本发明线槽3d-TFM成像图；
图6为本发明弧槽3d-TFM成像图；
图7为本发明半横通孔2d-TFM成像图；
图8为本发明线槽2d-TFM成像图；
图9为本发明弧槽2d-TFM成像图；
图10为本发明半横通孔传统PA成像图成像图；
图11为本发明线槽传统PA成像图成像图；
图12为本发明弧槽传统PA成像图成像图；
图13为本发明斜切口面探头扫查俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)检测样品设计：设计一块铝合金样品，并在其中加工不同尺寸的孔、线槽和弧槽，分别模拟搅拌摩擦焊缝内孔洞和不同形态未焊透；
(2)平底孔检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3中探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，得到平底孔的3d-TFM检测数据；
(3)半横通孔检测：将探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(探头位置如图3中探头2所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中半横通孔的埋深，得到半横通孔3d-TFM成像图(如图4所示)；
(4)线槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同线槽的宽度和深度，得到线槽的3d-TFM检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(如图3探头2所示)，得到线槽的3d-TFM成像图(如图5所示)；
(5)弧槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同弧槽的宽度和深度，得到弧槽的3d-TFM检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面切口处进行扫查(如图6所示)，得到弧槽3d-TFM成像图(如图13所示)。
铝合金样品尺寸具体为150mm×95mm×17.5mm。
探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5的阵元面阵直探头；刻度读取设备具体为CTS-PA22T相控阵全聚焦设备。
斜探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5粘连36°斜楔块。
CTS-PA22T相控阵全聚焦设备具体检测成像过程如下：
S1：获取待测物成像图每个表征点的回波振幅大小，其公式如下：
Figure BDA0003005282800000081
式中：sij为阵元i激励和阵元j接收的回波信号中表征点(x,y)的振幅信息；tij(x,y)是声回波传送的时间；
S2：获取待测物成像图每个表征点的回波延时，其公式如下：
Figure BDA0003005282800000082
式中：xi和xj分别为发射阵元信号和接收信号阵元中心的横坐标；c为声波在待测物体中的传播速度；
S3：通过以上计算，将检测区域中每一点的回波振幅和延时提取出来，叠加到目标成像区域对应的位置，并对每一点进行全息重构，从而得到检测图像。
实时例2
一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)检测样品设计：设计一块铝合金样品，并在其中加工不同尺寸的孔、线槽和弧槽，分别模拟搅拌摩擦焊缝内孔洞和不同形态未焊透；
(2)平底孔检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3中探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，得到平底孔的2d-TFM检测数据；
(3)半横通孔检测：将探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(探头位置如图3中探头2所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中半横通孔的埋深，得到半横通孔2d-TFM成像图(如图7所示)；
(4)线槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同线槽的宽度和深度，得到线槽的2d-TFM检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(如图3探头2所示)，得到线槽的2d-TFM成像图(如图8所示)；
(5)弧槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同弧槽的宽度和深度，得到弧槽的2d-TFM检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面切口处进行扫查(如图10所示)，得到弧槽2d-TFM成像图(如图9所示)。
铝合金样品尺寸具体为150mm×95mm×17.5mm。
探头设备具体为5L64-0.6×10的阵元线阵直探头；刻度读取设备具体为CTS-PA22T相控阵全聚焦设备。
斜探头设备具体为5L64-0.6×10粘连36°斜楔块。
对比例1
一种基于相控阵的搅拌摩擦焊缺陷检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)检测样品设计：设计一块铝合金样品，并在其中加工不同尺寸的孔、线槽和弧槽，分别模拟搅拌摩擦焊缝内孔洞和不同形态未焊透；
(2)平底孔检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面(如图3中探头1所示)进行扫查，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，得到平底孔的传统PA检测数据；
(3)半横通孔检测：将探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(如图3中探头2所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中半横通孔的埋深，得到半横通孔的传统PA成像图(如图10所示)；
(4)线槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同线槽的宽度和深度，得到线槽的传统PA检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查(如图3探头2所示)，得到传统PA成像图(像如图11所示)
(5)弧槽检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查(如图3探头1所示)，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中不同弧槽的宽度和深度，得到弧槽的传统PA检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面切口处进行扫查(如图13所示)，得到弧槽的传统PA成像图(如图12所示)。
铝合金样品尺寸具体为150mm×95mm×17.5mm。
探头设备具体为5.0L64的阵元直探头；刻度读取设备具体为SUPOR-32P相控阵设备。
斜探头设备具体为4.0M32阵元斜探头。
按照实施例1、实施例2与对比例1传统相控阵(PA)进行检测试验对比，其对比参数包括平底孔、半横通孔、线槽和弧槽，具体对比结果如下表：
表1平底孔和半横通孔测量数据对比
Figure BDA0003005282800000111
Figure BDA0003005282800000121
Figure BDA0003005282800000131
表2线槽测量数据对比
Figure BDA0003005282800000132
Figure BDA0003005282800000141
表3弧槽测量数据对比
Figure BDA0003005282800000142
从上述表1-表3中能够看出：
(1)3d-TFM对于各类缺陷测量数据精度在每一个维度上相对其他两种方法更高：对于孔类缺陷，测量误差在6.5％以内；对于槽类缺陷，测量误差在8％以内；2d-TFM的测量精度比传统PA更高：对于孔类缺陷，测量误差在30％以内；对于槽类缺陷，测量误差在2.07％以内；
(2)3d-TFM检测能获取三个维度的数据，对于孔类缺陷能够较好显示面阵探头下方样板的多个缺陷立体成像，还原度较高，可以掌握缺陷的三维形态走向；对于槽类缺陷，TFM检测还原度高于扇形扫查；
(3)TFM检测相对于扇形扫查，能检出更多缺陷，可减少漏检；
总之，本发明基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法在对于孔洞、线槽和弧槽缺陷检测结果均优于相控阵扇形扫查方法，值得进一步推广，此种技术对于铝合金搅拌摩擦焊缺陷的检测与评估具有重要意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其特征在于，该检测方法具体步骤如下：
(1)检测样品设计：设计一块铝合金样品，并在其中加工不同尺寸的孔、线槽和弧槽，分别模拟搅拌摩擦焊缝内孔洞和不同形态未焊透；
(2)平底孔检测：将探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用刻度读取设备测量铝合金样品中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，得到平底孔检测数据；
(3)半横通孔检测：将所述探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中半横通孔的埋深，得到半横通孔检测数据；
(4)线槽检测：将所述探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中不同线槽的宽度和深度，得到线槽检测数据；同时将斜探头设备放置在铝合金样品前侧面进行扫查，得到线槽成像图；
(5)弧槽检测：将所述探头设备放置在铝合金样品下底面进行扫查，并利用所述刻度读取设备测量铝合金样品中不同弧槽的宽度和深度，得到弧槽检测数据；同时将所述斜探头设备放置在铝合金样品前侧面切口处进行扫查，得到弧槽成像图。
2.根据权利要求1所述的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其特征在于，所述铝合金样品尺寸具体为150mm×95mm×17.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其特征在于，所述探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5的阵元面阵直探头或5L64-0.6×10的阵元线阵直探头中的一种；所述刻度读取设备具体为CTS-PA22T相控阵全聚焦设备。
4.根据权利要求1所述的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其特征在于，所述斜探头设备具体为SM8×8-1.5×1.5粘连36°斜楔块或为5L64-0.6×10粘连36°斜楔块中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种基于TFM的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法，其特征在于，所述CTS-PA22T相控阵全聚焦设备具体检测成像过程如下：
S1：获取待测物成像图每个表征点的回波振幅大小，其公式如下：
Figure FDA0003005282790000021
式中：sij为阵元i激励和阵元j接收的回波信号中表征点(x,y)的振幅信息；tij(x,y)是声回波传送的时间；
S2：获取待测物成像图每个表征点的回波延时，其公式如下：
Figure FDA0003005282790000031
式中：xi和xj分别为发射阵元信号和接收信号阵元中心的横坐标；c为声波在待测物体中的传播速度；
S3：通过以上计算，将检测区域中每一点的回波振幅和延时提取出来，叠加到目标成像区域对应的位置，并对每一点进行全息重构，从而得到检测图像。
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