CN113109451B - 一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法，其中装置包括运动导轨，其用于装配在待焊接的管道上，在运动导轨上设有焊接小车，焊接小车能沿着运动导轨运动以实现绕着待焊接管道做周向运动，在焊接小车上装配有焊接装置，在焊接小车上还装配有轴向导轨，在轴向导轨上装配有径向导轨，轴向导轨能带动径向导轨沿着待焊接管道的轴向运动，在径向导轨上装配有相控阵超声检测装置，径向导轨能带动相控阵超声检测装置沿着待焊接管道的径向运动，相控阵超声检测装置用于检测焊缝缺陷，相控阵超声检测装置还与计算机相连接。上述厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法能增加检测的自动化程度，实现焊接工作与焊缝缺陷检测工作的同步进行。

Description

一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及厚壁管道焊缝超声无损探伤技术领域，尤其涉及一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法。

背景技术

大口径厚壁管道(厚壁是指管道的壁厚大于等于20mm)作为能源运输行业、核电行业的关键用材，备受关注。各种先进的连接方法被用于厚壁管道的连接，然而在厚壁管道的焊接过程中，往往出现坡口装配存在误差等问题，通过人工检测往往浪费大量的时间；并且焊接机构相对于坡口中心也会出现偏离的现象，即焊接对中问题；以及焊接过程中出现的侧壁未熔合、层间未熔合，以及气孔、裂纹等缺陷，严重的影响着管道的综合性能，不仅会增加成本，也给厚壁管道的应用带来了巨大的安全隐患。

针对目前厚壁管道焊缝缺陷的检测方法大多是人工的、焊后的，这很大程度上增加了劳动成本、生产周期、漏检等情况，限制了管道焊接效率和成形质量提升。针对厚壁管道的常规超声波检测设备存在稳定性差、探伤灵敏度低、信噪比低、以及漏检的情况。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法，以便增加检测的自动化程度，并能实现焊接工作与焊缝缺陷检测工作的同步进行，进而自动地实现焊缝缺陷的实时在线检测。

为了实现上述目的，本申请一方面提出了一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置，包括运动导轨，所述运动导轨用于装配在待焊接的管道上，在所述运动导轨上设有焊接小车，所述焊接小车能够沿着所述运动导轨运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，在所述焊接小车上装配有焊接装置，在所述焊接小车上还装配有轴向导轨，在所述轴向导轨上装配有径向导轨，所述轴向导轨能够带动所述径向导轨沿着待焊接管道的轴向运动，在所述径向导轨上装配有相控阵超声检测装置，所述径向导轨能够带动所述相控阵超声检测装置沿着待焊接管道的径向运动，所述相控阵超声检测装置用于检测焊缝缺陷，所述相控阵超声检测装置还与计算机相连接。

在一些实施例中，所述相控阵超声检测装置包括第一保护外壳和第二保护外壳，在所述第一保护外壳和第二保护外壳上均设有冷却液入口和冷却液出口，所述冷却液入口和冷却液出口连接冷却循环系统；第一相控阵超声探头装配在第一楔形块上，所述第一楔形块与所述第一保护外壳可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第一楔形块连同第一相控阵超声探头装配在所述第一保护外壳内，并且所述第一楔形块的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；第二相控阵超声探头装配在第二楔形块上，所述第二楔形块与所述第二保护外壳可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第二楔形块连同第二相控阵超声探头装配在所述第二保护外壳内，并且所述第二楔形块的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；在所述第一保护外壳上设有第一圆柱筒，在所述第二保护外壳的对应位置处设有第二圆柱筒，两圆柱筒滑动配合装配在一起，处于外部的圆柱筒上设有两个具有导向作用的通孔，处于外部的圆柱筒上还设有第一导轮，处于内部的圆柱筒上分别设有第二导轮和滑块，所述第二导轮穿过其中一个通孔并且能够在所述通孔内沿着待焊接管道做轴向移动，所述第一导轮和第二导轮在检测焊缝缺陷时处于待焊接的两个管道的坡口内部，所述滑块处在另一个通孔中并且能够在所述通孔内沿着待焊接管道做轴向滑动；在处于内部的圆柱筒内设有定位弹簧，所述定位弹簧的两端分别与所述第一保护外壳和第二保护外壳的外壁相接触。

在一些实施例中，所述第一相控阵超声探头、第二相控阵超声探头、第一楔形块以及第二楔形块均能够进行更换。具体的根据管道壁厚可更换具有不同阵元的相控阵超声探头，根据管道的曲率半径可更换楔形块，使楔形块的曲率半径与管道的曲率半径相同。

本申请另一方面提出了一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1、焊前，根据厚壁管道工艺探索所确定的焊缝成形形貌将焊缝区域按照焊接的顺序依次划分为打底层、至少一个填充层和盖面层，针对所述打底层、每个填充层以及盖面层分别设置第一相控阵超声探头的检测参数，对应于所述打底层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据打底层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖打底层；对应于每个填充层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据对应的填充层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖该填充层；对应于所述盖面层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据盖面层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖盖面层；

步骤2、控制轴向导轨和径向导轨运动，使得相控阵超声检测装置位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置内的第一楔形块和第二楔形块与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置内的定位弹簧，之后将相控阵超声检测装置紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧，此时所述相控阵超声检测装置的第一导轮和第二导轮位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧将自动调节所述相控阵超声检测装置的第一保护外壳和第二保护外壳的位置，使第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头在坡口两侧呈对称分布；

步骤3、控制焊接小车沿着运动导轨运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，进而使得焊接装置和相控阵超声检测装置跟随着所述焊接小车绕着所述待焊接管道做周向运动；

步骤4、当进行所述打底层的焊接时，根据焊前已设置的对应于所述打底层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖打底层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出所述打底层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤5、当完成所述打底层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤4，以实现对所述打底层整圈焊缝的全部检测；

步骤6、当进行第一层填充层的焊接时，根据焊前已设置的对应于该层填充层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖该填充层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出该层填充层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤7、当完成上述填充层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤6，以实现对该层填充层整圈焊缝的全部检测；

步骤8、重复步骤6和步骤7，实现每个填充层焊接工作和焊缝缺陷在线检测工作的同步执行；

步骤9、当进行盖面层的焊接时，根据焊前已设置的对应于盖面层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖所述盖面层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出所述盖面层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤10、当完成所述盖面层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤9，以实现对该盖面层整圈焊缝的全部检测。

其中在每一道打底层、填充层、盖面层焊缝焊接工作和检测工作完成后，可根据管道焊缝成形质量技术要求，设计相应的修补工序，防止管道焊接工作完成后，焊缝成形质量不满足质量技术要求，造成管道焊接质量严重降低甚至造成管道的报废。

在一些实施例中，在所述步骤1之前还设有焊接装置的坡口寻中过程，其包括以下步骤：

步骤01、焊前，根据待焊接的两个管道的坡口钝边信息，分别设置第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头的检测参数，即设置所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数；

步骤02、控制轴向导轨和径向导轨运动，使得相控阵超声检测装置位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置内的第一楔形块和第二楔形块与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置内的定位弹簧，之后将相控阵超声检测装置紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧，此时所述相控阵超声检测装置的第一导轮和第二导轮位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧将自动调节所述相控阵超声检测装置的第一保护外壳和第二保护外壳的位置，使第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头在坡口两侧呈对称分布；

步骤03、采用步骤01设置的检测参数，激发所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头发射超声束，之后所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，获取两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息，计算两个坡口之间的差值；

步骤04、当两者差值大于设定的坡口间隙值时，调整管道安装方式，重复步骤02和步骤03，直至使两个坡口之间的差值小于预设的坡口间隙值，计算两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息的平均值，从而获得两个坡口的中心的坐标信息；

步骤05、根据步骤04获得的两个坡口的中心的坐标信息控制所述焊接装置运动，使所述焊接装置的焊接热源位于两个坡口的中心，以实现焊接装置的坡口寻中。

本申请的该方案的有益效果在于上述厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法具有以下优点：

(1)焊前，通过焊接装置的坡口寻中过程，可实现焊接装置的自动对中。

(2)在检测的过程中，通过定位弹簧及导轮可实现两相控阵超声探头自动地呈对称方式位于坡口的两侧，防止检测区域偏离实际检测位置。

(3)通过更换不同曲率半径的楔形块，可以实现对不同管径的待焊接管道焊缝缺陷的检测。

(4)可以实现焊接工作与焊缝缺陷检测工作的同步进行，自动地实现了焊缝缺陷的实时在线检测。

附图说明

图1示出了实施例中厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置的局部结构示意图。

图2示出了图1中相控阵超声检测装置的结构示意图。

图3示出了图2的一个角度的结构示意图。

图4示出了图3的剖面结构示意图。

图5示出了实施例中厚壁管道焊缝缺陷的在线检测过程示意图。

附图标记：1-焊接小车，2-轴向导轨，3-径向导轨，4-焊接装置，5-相控阵超声检测装置，6-运动导轨，7-冷却液入口，8-第一保护外壳，9-冷却液出口，10-第二保护外壳，11-第一相控阵超声探头，12-第一楔形块，13-第一导轮，14-第二导轮，15-定位弹簧，16-第二楔形块，17-第二相控阵超声探头，18-第一圆柱筒，19-第二圆柱筒，20-通孔，21-滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

如图1-4所示，本申请所涉及的厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置包括运动导轨6，所述运动导轨6用于装配在待焊接的管道上，在所述运动导轨6上设有焊接小车1，所述焊接小车1能够沿着所述运动导轨6运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，在所述焊接小车1上装配有焊接装置4，在所述焊接小车1上还装配有轴向导轨2，在所述轴向导轨2上装配有径向导轨3，所述轴向导轨2能够带动所述径向导轨3沿着待焊接管道的轴向运动，在所述径向导轨3上装配有相控阵超声检测装置5，所述径向导轨3能够带动所述相控阵超声检测装置5沿着待焊接管道的径向运动，所述相控阵超声检测装置5用于检测焊缝缺陷，所述相控阵超声检测装置5还与计算机相连接。

在本实施例中，所述相控阵超声检测装置5包括第一保护外壳8和第二保护外壳10，在所述第一保护外壳8和第二保护外壳10上均设有冷却液入口7和冷却液出口9，所述冷却液入口7和冷却液出口9连接冷却循环系统，以便实现在一定高温温度环境下的焊接缺陷检测工作的正常进行；第一相控阵超声探头11装配在第一楔形块12上，具体的二者可采用螺纹连接的方式进行装配，所述第一楔形块12与所述第一保护外壳8可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第一楔形块12连同第一相控阵超声探头11装配在所述第一保护外壳8内，并且所述第一楔形块12的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；第二相控阵超声探头17装配在第二楔形块16上，具体的二者可采用螺纹连接的方式进行装配，所述第二楔形块16与所述第二保护外壳10可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第二楔形块16连同第二相控阵超声探头17装配在所述第二保护外壳10内，并且所述第二楔形块16的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；根据待焊接管道的曲率半径，可更换两楔形块，使得楔形块的曲率半径与待焊接管道的曲率半径相等，以便使楔形块与待焊接管道的外壁能够紧密贴合。

在所述第一保护外壳8上设有第一圆柱筒18，在所述第二保护外壳10的对应位置处设有第二圆柱筒19，两圆柱筒以滑动配合的方式装配在一起，处于外部的圆柱筒上设有两个具有导向作用的通孔20，在本实施例中，所述第一圆柱筒18处于外部，处于外部的圆柱筒上还设有第一导轮13，处于内部的圆柱筒上分别设有第二导轮14和滑块21，具体的，在处于内部的圆柱筒上可以设有键槽，所述滑块21与所述键槽过盈配合，所述第二导轮14穿过其中一个通孔20并且能够在所述通孔20内沿着待焊接管道的轴向移动，所述第一导轮13和第二导轮14在检测焊缝缺陷时处于待焊接的两个管道的坡口内部，所述滑块21处在另一个通孔20中并且能够在所述通孔20内沿着待焊接管道的轴向滑动；在处于内部的圆柱筒内设有定位弹簧15，所述定位弹簧15的两端分别与所述第一保护外壳8和第二保护外壳10的外壁相接触。

如图5所示，本申请所涉及的厚壁管道焊缝缺陷的在线检测方法包括以下步骤：

步骤1、焊前，根据厚壁管道工艺探索所确定的焊缝成形形貌将焊缝区域按照焊接的顺序依次划分为打底层、至少一个填充层和盖面层，针对所述打底层、每个填充层以及盖面层分别设置第一相控阵超声探头11的检测参数，对应于所述打底层的第一相控阵超声探头11的检测参数是根据打底层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头11的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头11发射的超声束能够完全覆盖打底层；对应于每个填充层的第一相控阵超声探头11的检测参数是根据对应的填充层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头11的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头11发射的超声束能够完全覆盖该填充层；对应于所述盖面层的第一相控阵超声探头11的检测参数是根据盖面层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头11的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头11发射的超声束能够完全覆盖盖面层。

步骤2、控制轴向导轨2和径向导轨3运动，使得相控阵超声检测装置5位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置5内的第一楔形块12和第二楔形块16与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置5内的定位弹簧15，之后将相控阵超声检测装置5紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧15，此时所述相控阵超声检测装置5的第一导轮13和第二导轮14位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧15将自动调节所述相控阵超声检测装置5的第一保护外壳8和第二保护外壳10的位置，使第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17在坡口两侧呈对称分布。

步骤3、控制焊接小车1沿着运动导轨6运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，进而使得焊接装置4和相控阵超声检测装置5跟随着所述焊接小车1绕着所述待焊接管道做周向运动。

步骤4、当进行所述打底层的焊接时，根据焊前已设置的对应于所述打底层的第一相控阵超声探头11的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头11发射超声束(在本实施例中，所述第一相控阵超声探头11以扇形形式发射超声束)，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖打底层，通过第二相控阵超声探头17接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息(在本实施例中，采用S扫描显示的方式)，通过观察扫描信息得出所述打底层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息。

步骤5、当完成所述打底层的焊接时，控制所述焊接小车1沿着运动导轨6继续运动预设的行程，进而使焊接小车1带动相控阵超声检测装置5绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤4，以实现对所述打底层整圈焊缝的全部检测。

步骤6、当进行第一层填充层的焊接时，根据焊前已设置的对应于该层填充层的第一相控阵超声探头11的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头11发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖该填充层，通过第二相控阵超声探头17接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出该层填充层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息。

步骤7、当完成上述填充层的焊接时，控制所述焊接小车1沿着运动导轨6继续运动预设的行程，进而使焊接小车1带动相控阵超声检测装置5绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤6，以实现对该层填充层整圈焊缝的全部检测。

步骤8、重复步骤6和步骤7，实现每个填充层焊接工作和焊缝缺陷在线检测工作的同步执行。

步骤9、当进行盖面层的焊接时，根据焊前已设置的对应于盖面层的第一相控阵超声探头11的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头11发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖所述盖面层，通过第二相控阵超声探头17接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出所述盖面层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息。

步骤10、当完成所述盖面层的焊接时，控制所述焊接小车1沿着运动导轨6继续运动预设的行程，进而使焊接小车1带动相控阵超声检测装置5绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤9，以实现对该盖面层整圈焊缝的全部检测。

在本实施例中，待焊接的两个管道采用管道壁厚为20mm的316L不锈钢管道。进行打底层焊接时钝边厚度为5mm，每进行一次填充层焊接时坡口填充高度为2mm，进行盖面层焊接时坡口填充高度为5mm。因待焊接的管道坡口需要七次完成焊接工作，所以需要分七次扫描完成焊缝缺陷检测工作。由于316L奥氏体不锈钢晶粒粗大，具有各向异性，焊缝组织的晶粒会对检测声波产生强烈的散射作用，导致声波衰减严重，信噪比大幅降低，各向异性使声波传播路径偏转，缺陷定位出现极大误差，降低了缺陷检出率，因此在本实施例中采用2.25MHZ的32阵元的双晶晶片阵元纵波相控阵超声探头，45°的楔形块。

当检测出打底层、各个填充层以及盖面层的焊缝缺陷时，可以根据相关技术指标，判断焊缝缺陷是否需要进行修补；也可以建立焊接缺陷与实时焊接参数的联系，进而优化焊接参数，对焊接缺陷的形成进行调控，这样便可减少焊接缺陷的产生，同时为焊后修补提供技术参考，避免材料的浪费，甚至能够避免造成厚壁管道的报废。

为了减小人为操作可能出现的误差、减少焊缝缺陷的产生，在所述步骤1之前还可以设有焊接装置4的坡口寻中过程，其包括以下步骤：

步骤01、焊前，根据待焊接的两个管道的坡口钝边信息，分别设置第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17的检测参数，即设置所述第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数。

步骤02、控制轴向导轨2和径向导轨3运动，使得相控阵超声检测装置5位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置5内的第一楔形块12和第二楔形块16与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置5内的定位弹簧15，之后将相控阵超声检测装置5紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧15，此时所述相控阵超声检测装置5的第一导轮13和第二导轮14位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧15将自动调节所述相控阵超声检测装置5的第一保护外壳8和第二保护外壳10的位置，使第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17在坡口两侧呈对称分布。

步骤03、采用步骤01设置的检测参数，激发所述第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17发射超声束，之后所述第一相控阵超声探头11和第二相控阵超声探头17接收反射和衍射的超声束，获取两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息，计算两个坡口之间的差值。

步骤04、当两者差值大于设定的坡口间隙值时，调整管道安装方式，重复步骤02和步骤03，直至使两个坡口之间的差值小于预设的坡口间隙值，计算两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息的平均值，从而获得两个坡口的中心的坐标信息。

步骤05、根据步骤04获得的两个坡口的中心的坐标信息控制所述焊接装置4运动，使所述焊接装置4的焊接热源位于两个坡口的中心，以实现焊接装置4的坡口寻中。

本申请所涉及的厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置及方法具有以下优点：

(1)焊前，通过焊接装置的坡口寻中过程，可实现焊接装置的自动对中。

(2)在检测的过程中，通过定位弹簧及导轮可实现两相控阵超声探头自动地呈对称方式位于坡口的两侧，防止检测区域偏离实际检测位置。

(3)通过更换不同曲率半径的楔形块，可以实现对不同管径的待焊接管道焊缝缺陷的检测。

(4)可以实现焊接工作与焊缝缺陷检测工作的同步进行，自动地实现了焊缝缺陷的实时在线检测。

Claims (1)

1.一种厚壁管道焊缝缺陷的在线检测方法，其中厚壁管道焊缝缺陷的在线检测装置包括运动导轨，所述运动导轨用于装配在待焊接的管道上，在所述运动导轨上设有焊接小车，所述焊接小车能够沿着所述运动导轨运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，在所述焊接小车上装配有焊接装置，在所述焊接小车上还装配有轴向导轨，在所述轴向导轨上装配有径向导轨，所述轴向导轨能够带动所述径向导轨沿着待焊接管道的轴向运动，在所述径向导轨上装配有相控阵超声检测装置，所述径向导轨能够带动所述相控阵超声检测装置沿着待焊接管道的径向运动，所述相控阵超声检测装置用于检测焊缝缺陷，所述相控阵超声检测装置还与计算机相连接；所述相控阵超声检测装置包括第一保护外壳和第二保护外壳，在所述第一保护外壳和第二保护外壳上均设有冷却液入口和冷却液出口，所述冷却液入口和冷却液出口连接冷却循环系统；第一相控阵超声探头装配在第一楔形块上，所述第一楔形块与所述第一保护外壳可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第一楔形块连同第一相控阵超声探头装配在所述第一保护外壳内，并且所述第一楔形块的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；第二相控阵超声探头装配在第二楔形块上，所述第二楔形块与所述第二保护外壳可拆卸的连接，当二者连接在一起时，所述第二楔形块连同第二相控阵超声探头装配在所述第二保护外壳内，并且所述第二楔形块的局部露在外面以便与待焊接管道的外壁紧密贴合；在所述第一保护外壳上设有第一圆柱筒，在所述第二保护外壳的对应位置处设有第二圆柱筒，两圆柱筒滑动配合装配在一起，处于外部的圆柱筒上设有两个具有导向作用的通孔，处于外部的圆柱筒上还设有第一导轮，处于内部的圆柱筒上分别设有第二导轮和滑块，所述第二导轮穿过其中一个通孔并且能够在所述通孔内沿着待焊接管道做轴向移动，所述第一导轮和第二导轮在检测焊缝缺陷时处于待焊接的两个管道的坡口内部，所述滑块处在另一个通孔中并且能够在所述通孔内沿着待焊接管道做轴向滑动；在处于内部的圆柱筒内设有定位弹簧，所述定位弹簧的两端分别与所述第一保护外壳和第二保护外壳的外壁相接触；所述第一相控阵超声探头、第二相控阵超声探头、第一楔形块以及第二楔形块均能够进行更换，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、焊前，根据厚壁管道工艺探索所确定的焊缝成形形貌将焊缝区域按照焊接的顺序依次划分为打底层、至少一个填充层和盖面层，针对所述打底层、每个填充层以及盖面层分别设置第一相控阵超声探头的检测参数，对应于所述打底层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据打底层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖打底层；对应于每个填充层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据对应的填充层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖该填充层；对应于所述盖面层的第一相控阵超声探头的检测参数是根据盖面层的成形形貌来设置第一相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数，以实现第一相控阵超声探头发射的超声束能够完全覆盖盖面层；

步骤2、控制轴向导轨和径向导轨运动，使得相控阵超声检测装置位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置内的第一楔形块和第二楔形块与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置内的定位弹簧，之后将相控阵超声检测装置紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧，此时所述相控阵超声检测装置的第一导轮和第二导轮位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧将自动调节所述相控阵超声检测装置的第一保护外壳和第二保护外壳的位置，使第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头在坡口两侧呈对称分布；

步骤3、控制焊接小车沿着运动导轨运动以实现绕着所述待焊接管道做周向运动，进而使得焊接装置和相控阵超声检测装置跟随着所述焊接小车绕着所述待焊接管道做周向运动；

步骤4、当进行所述打底层的焊接时，根据焊前已设置的对应于所述打底层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖打底层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出所述打底层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤5、当完成所述打底层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤4，以实现对所述打底层整圈焊缝的全部检测；

步骤6、当进行第一层填充层的焊接时，根据焊前已设置的对应于该层填充层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖该填充层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出该层填充层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤7、当完成上述填充层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤6，以实现对该层填充层整圈焊缝的全部检测；

步骤8、重复步骤6和步骤7，实现每个填充层焊接工作和焊缝缺陷在线检测工作的同步执行；

步骤9、当进行盖面层的焊接时，根据焊前已设置的对应于盖面层的第一相控阵超声探头的检测参数，控制所述第一相控阵超声探头发射超声束，通过相对应的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压的大小控制超声束的偏转，实现超声束能够完全覆盖所述盖面层，通过第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，进而通过计算机显示相应的扫描信息，通过观察扫描信息得出所述盖面层焊缝中是否存在缺陷以及缺陷的位置信息；

步骤10、当完成所述盖面层的焊接时，控制所述焊接小车沿着运动导轨继续运动预设的行程，进而使焊接小车带动相控阵超声检测装置绕着所述待焊接管道再转动预设行程，重复步骤9，以实现对该盖面层整圈焊缝的全部检测；其中，在所述步骤1之前还设有焊接装置的坡口寻中过程，其包括以下步骤：

步骤01、焊前，根据待焊接的两个管道的坡口钝边信息，分别设置第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头的检测参数，即设置所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头的晶片阵元的激发延迟时间、激发序列以及激发电压参数；

步骤02、控制轴向导轨和径向导轨运动，使得相控阵超声检测装置位于待焊接的两个管道的坡口正上方，之后将耦合剂涂于相控阵超声检测装置内的第一楔形块和第二楔形块与管道待接触的表面上，压缩相控阵超声检测装置内的定位弹簧，之后将相控阵超声检测装置紧贴于管道外壁上并松开定位弹簧，此时所述相控阵超声检测装置的第一导轮和第二导轮位于待焊接的两个管道的坡口内部，并紧贴于坡口侧壁上，所述定位弹簧将自动调节所述相控阵超声检测装置的第一保护外壳和第二保护外壳的位置，使第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头在坡口两侧呈对称分布；

步骤03、采用步骤01设置的检测参数，激发所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头发射超声束，之后所述第一相控阵超声探头和第二相控阵超声探头接收反射和衍射的超声束，获取两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息，计算两个坡口之间的差值；

步骤04、当两者差值大于设定的坡口间隙值时，调整管道安装方式，重复步骤02和步骤03，直至使两个坡口之间的差值小于预设的坡口间隙值，计算两个待焊接管道的钝边最高超声回波坐标信息的平均值，从而获得两个坡口的中心的坐标信息；

步骤05、根据步骤04获得的两个坡口的中心的坐标信息控制所述焊接装置运动，使所述焊接装置的焊接热源位于两个坡口的中心，以实现焊接装置的坡口寻中。

Images