CN113567349B - 一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用 - Google Patents

一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及脉冲激光材料检测技术领域，具体涉及一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用。通过确定焊缝界面特征点位置并通过函数拟合而得到焊缝界面轮廓的方法。本发明所述方法简便易行，在同等要求下，通过减少测量次数而提高获得整体焊接界面结构特征的工作效率，尤其适用于海工、核电等极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析。

Description

一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用
技术领域
本发明涉及脉冲激光材料检测技术领域，具体涉及一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
焊接是实现金属材料连接的应用最广泛的技术之一，对金属材料焊接区域进行界面结构分析对研究焊缝失效行为及延寿机理具有重要科学价值。在材料界面结构与空间缺陷等三维特征进行测试时，技术人员往往采用无损检测方法，而激光超声便是新进发展的具有很强应用潜力的无损检测技术。
为了确定焊缝轮廓或界面形状，一些技术采用焊缝的宽度、深度及堆高几个参数，但是发明人研究发现，焊缝的截面轮廓形状是一条曲线，仅用上述几个参数并不能全面反映焊缝的轮廓形貌。
还有一些激光超声测试技术，焊缝界面结构需要逐点测试，只有将所有测试点的位置确定后，才能把整个界面轮廓确定下来。但是发明人认为这种方法费事费力、经济性不高，而且对于海工、核电等极端环境服役的构件而言，测试次数的增加直接导致检测成本的提高。
发明内容
为了解决现有焊缝轮廓确认方法中无法兼顾焊缝轮廓准确性和工作量、工作效率的问题，本发明提出一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用，首先确定焊缝界面特征点位置，再通过函数拟合而得到焊缝界面轮廓的方法。本发明所述方法简便易行，在同等要求下，通过减少测量次数而提高获得整体焊接界面结构特征的工作效率，尤其适用于海工、核电等极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种焊缝界面结构的激光超声确定方法，包括：
确定待检测熔池焊缝表面与材料基体连接位置为外基本特征点；
与焊缝外表面垂直距离最大的测试点为内基本特征点；
以外基本特征点与内基本特征点为基准，做外基本特征点与内基本特征点的连线的中垂线，并确定所述中垂线与焊缝表面的交点为斜入射激光脉冲的入射位置，激光光束经过所述入射位置对焊缝进行入射检测，确定与所述入射位置测量距离最小的测试点为必要特征点；
所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位于同一平面内，该平面垂直于焊缝方向，根据所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位置信息，进行曲线拟合，获得焊缝界面结构。
本发明第二方面，提供一种焊缝界面结构的激光超声确定方法在海工、核电极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析中的应用。
上述一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1)本发明一个或多个技术方案仅要求技术人员在界面结构分布特征的测量过程中采集少量特征点的位置数据，可大幅降低激光超声检测的测试次数与工作时间。所述方法在材料界面结构的测试中引入数字化算法手段，通过定量预测方式提高检测效率，对极端环境服役构件的服役信息监检测具有重要参考意义与推广价值。
2)实验结果证明，本发明技术方案经过6次激光超声检测，总结获得特征点信息，将其拟合得到的焊缝界面结构，与经过20次逐点检测后获得焊缝界面不同位置的坐标信息拟合得出的焊缝界面结构相同，说明本发明技术方案具有较好的可靠性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法流程示意图；
图2为本发明实施例1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法中激光路径示意图；
图3为本发明实施例1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法各特征点坐标示意图；
图4为本发明实施例2所述焊缝界面结构的激光超声确定方法示意图；
图5为本发明对比例1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法示意图；
其中：1、第一外基本特征点，2、第一必要特征点，3、第一内基本特征点，4、必要特征点，5、第一接触点，6、第二接触点，7、内基本特征点，8、第三接触点，9、第四接触点，10、入射位置，11外基本特征点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了确定焊缝轮廓或界面形状，一些技术采用焊缝的宽度和深度及堆高几个参数，但是焊缝的截面轮廓形状是一条曲线，仅用上述几个参数并不能全面反映焊缝的轮廓形貌。还有一些激光超声测试技术，焊缝界面结构需要逐点测试，只有将所有测试点的位置确定后，才能把整个界面轮廓确定下来。但是发明人认为这种方法费事费力、经济性不高，而且对于海工、核电等极端环境服役的构件而言，测试次数的增加直接导致检测成本的提高。
因此本发明提出一种焊缝界面结构的激光超声确定方法及其应用，通过确定焊缝界面特征点位置并通过函数拟合而得到焊缝界面轮廓的方法。本发明首次提出激光光束斜入射至材料表面而形成热弹效应，进而诱发材料内部形成超声波。本发明所述方法简便易行，在同等要求下，通过减少测量次数而提高获得整体焊接界面结构特征的工作效率，尤其适用于海工、核电等极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种焊缝界面结构的激光超声确定方法，包括：
确定待检测熔池焊缝表面与材料基体连接位置为外基本特征点；
与焊缝外表面垂直距离最大的测试点为内基本特征点；
以外基本特征点与内基本特征点为基准，做外基本特征点与内基本特征点的连线的中垂线，并确定所述中垂线与焊缝表面的交点为斜入射激光脉冲的入射位置，激光光束经过所述入射位置对焊缝进行入射检测，确定与所述入射位置测量距离最小的测试点为必要特征点；
所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位于同一平面内，该平面垂直于焊缝方向，根据所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位置信息，进行曲线拟合，获得焊缝界面结构。
在本发明一种或多种实施方式中，所述内基本特征点处于焊缝熔池最深位置，该界面曲线最深位置处的切线平行于材料表面。
在本发明一种或多种实施方式中，所述必要特征点处于与斜入射激光脉冲入射方向垂直的焊缝界面位置。
在本发明一种或多种实施方式中，所述斜入射激光从焊缝表面向外基本特征点与内基本特征点的连线的方向入射，以确定必要特征点位置信息。
必要特征点处的焊缝界面的斜率具有的特点为：必要特征点处的焊缝界面垂直于必要特征点与所述斜入射激光脉冲的入射位置的连线。
在本发明一种或多种实施方式中，所述必要特征点数量至少为一个。
在本发明一种或多种实施方式中，所述焊缝界面为轴对称分布形状或非轴对称分布形状；
当所述焊缝界面为轴对称分布形状时，采用垂直入射激光脉冲试错法测量的方式确定，以焊缝中心位置为参考，在中心位置附近测定的与焊缝外表面垂直距离最大的测试点为内基本特征点。
所述“中心位置附近”确定方法为：内基本特征点与所述焊缝表面中间位置的连线，与材料表面垂线的夹角小于15°。
优选地，所述轴对称分布形状焊缝界面为锥球型熔池焊缝。
因此在一些锥球型熔池焊缝，其所述两侧的界面特征均指以内基本特征点为分割点而划分的不同侧。并且，所述两侧的界面特征在分别测量和预测的过程中，其内基本特征点为同一点。
采用技术方案中所述具体步骤测量和预测焊缝一侧界面结构的几何特征信息，当测量对象为同种金属对接平焊焊缝时，依据内基本特征点偏离焊缝表面中心位置与材料表面垂线的实际程度而决定是否测量焊缝另一侧界面结构。
在本发明一种或多种实施方式中，所述内基本特征点与所述焊缝表面中间位置的连线，与材料表面垂线的夹角小于5°，则判定待检测焊缝具备轴对称分布形状；
优选地，所述内基本特征点与所述焊缝表面中间位置的连线，与材料表面垂线的夹角不小于5°，则判定待检测焊缝不具备轴对称分布形状，此时分别测量内基本特征点两侧的界面特征以获得界面结构整体分布特征。
本发明一种或多种实施方式主要针对锥球型熔池所形成的对应形状焊缝，若待检测熔池焊缝为同种金属对接平焊连接后的焊缝，则默认焊缝为轴对称分布形状，此时仅测量焊缝一侧区域的界面结构分布特征即可，所述一侧区域的划分以平行于焊接方向的焊缝中心线为基准，沿所述焊缝中心线并垂直构件表面所形成的平面进行分割；另外，若待检测熔池焊缝为异种金属对接平焊连接后的焊缝，则默认焊缝为非轴对称分布形状，此时以上述所述不同区域的划分方法，分别测量焊缝两侧区域的界面结构分布特征。
若对于同种金属对接平焊连接后的焊缝，其一侧界面结构的测量结果与默认的对称分布状态冲突，则需要将其按照非对称分布状态对待，即分别测试焊缝两侧界面结构。
本发明实施方式不限定技术人员获取的必要特征点的个数，即技术人员除确定上述必要特征点之外，还可随机更换所述的焊缝表面斜入射激光脉冲的入射位置，并重复前述步骤获得更多的必要特征点。技术人员获取更多的必要特征点，有助于提高焊缝界面结构信息预测的精度与准确度。
本发明实施方式不限定技术人员拟合函数曲线的具体方式，可借助Matlab、Origin等商业软件，也可灵活选择人工计算方式。
本发明第二方面，提供一种焊缝界面结构的激光超声确定方法在海工、核电极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析中的应用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1至3所示，为本实施例公开的一种焊缝界面结构的激光超声确定方法，
(1)同种金属对接平焊连接后的焊缝形状示意图及界面结构特征检测的特征点选择及坐标信息确定方法如图1至3所示，焊缝结构为对称分布状态；界面结构特征检测的特征点分别为外基本特征点11、内基本特征点7以及必要特征点4；
确定焊缝表面与材料基体连接位置为外基本特征点11，并将焊缝纵截面左侧的焊缝表面与材料基体连接位置的外基本特征点坐标定义为(0,0)，所述焊缝纵截面是同时垂直于材料表面与焊接方向的平面。
外基本特征点11的坐标信息为(0,0)，处于焊缝与基体连接位置；
内基本特征点7的坐标信息采用垂直入射激光脉冲试错法测量的方式确定，垂直入射激光与焊缝底部具有多个接触点，例如第三接触点8、第四接触点9，以焊缝中心位置为参考，在中心位置附近测定的与焊缝外表面垂直距离最大的测试点为内基本特征点7所处位置；内基本特征点7处于焊缝熔池最深位置，其坐标信息为(x0,y0)，其斜率特征为该界面曲线最深位置处的切线平行于材料表面。
所述坐标参考确定的直角坐标系，在垂直于焊接方向的焊缝纵截面中，所述直角坐标系的原点为已确定的外基本特征点位置，其X轴平行于材料表面，Y轴垂直于材料表面。所述坐标信息中x0的绝对值代表了内基本特征点与外基本特征点的沿X轴的直线距离，y0的绝对值代表了内基本特征点与外基本特征点的沿Y轴的直线距离。
(2)确定激光脉冲斜入射以确定必要特征点信息时所采用斜入射激光脉冲的入射位置。首先，取外基本特征点11与内基本特征点7的连线中心，其次，过所述连线中心做外基本特征点11与内基本特征点7的连线的垂线，最后，取所述垂线与焊缝表面的交点为所述斜入射激光脉冲的入射位置10。
必要特征点4的坐标信息采用斜入射激光光束试错法测量的方式确定，以焊缝表面斜入射激光脉冲的入射位置10为基准，激光光束经过该点对焊缝进行多次入射检测，激光光束与焊缝界面具有多个接触点，例如第一接触点5和第二接触点6，确定与所述确定点测量距离最小的测试点为必要特征点4所处位置；必要特征点4处于与斜入射激光脉冲入射方向垂直的焊缝界面位置。
必要特征点4坐标信息为(x1,y1)。所述坐标信息中x1的绝对值代表了内基本特征点与外基本特征点的沿X轴的直线距离，y1的绝对值代表了内基本特征点与外基本特征点的沿Y轴的直线距离。
需要指出的是，必要特征点4处的焊缝界面的斜率具有的特点为：必要特征点处的焊缝界面垂直于必要特征点与所述斜入射激光脉冲的入射位置的连线。
(3)基于已确定的外基本特征点、内基本特征点以及必要特征点的坐标信息、斜率特征等，采用数学软件进行平滑函数曲线的拟合，获得焊缝界面结构的几何特征信息。
实施例2
如图4所示，以某不锈钢材料的同种金属对接平焊焊缝的焊缝界面曲面结构定量测量为例，并以焊缝沿垂直于焊接方向的纵截面为研究对象，拟确定焊缝在所述纵截面内的界面曲线特征。在定义距离单位为mm，采用坐标系为直角坐标系的前提下，首先，确定焊缝的第一外基本特征点1为焊缝与不锈钢基体交界处某点，并定义其坐标(x,y)为(0,0)；其次，采用3次垂直入射激光脉冲确定焊缝第一内基本特征点3坐标为(1,-1)；再次，确定经过第一外基本特征点1与第一内基本特征点3连线中点的第一外基本特征点1与第一内基本特征点3连线的垂线与焊缝表面交点位置，并经该交点位置采用斜入射试错法确定第一必要特征点2坐标，第一必要特征点2的焊缝界面的斜率具有的特点为：第一必要特征点2处的焊缝界面垂直于第一必要特征点2与所述斜入射激光脉冲的入射位置的连线。
经过3次斜入射激光超声检测获得的必要特征点坐标为(0.3,-0.55)，该必要特征点由激光脉冲与焊缝表面保持30°角的斜入射状态时获得。
经过6次激光超声检测，总结已获得的上述特征点信息：第一外基本特征点1(0,0)；第一内基本特征点3(1,-1)，且该处界面结构曲线斜率特征为界面结构曲线与材料表面保持平行关系；第一必要特征点2(0.3,-0.55)，且该处界面结构曲线斜率特征为界面结构曲线与材料表面保持30°角斜入射的激光脉冲保持垂直关系。
采用Origin软件的多项式拟合功能，得出焊缝界面结构的曲线函数为y＝ax2+bx+c(a≈1.2,b≈-2.2,c≈2.6)。
对比例1
如图5所示，以某不锈钢材料的同种金属对接平焊焊缝的焊缝界面曲面结构定量测量为例，从焊缝边界至焊缝中间位置，均采用垂直入射激光脉冲进行激光超声界面检测。定义距离单位为mm，以焊缝沿垂直于焊接方向的纵截面为研究对象并建立直角坐标系，经过20次逐点检测后获得焊缝界面不同位置的坐标信息。将所获得的坐标信息采用平滑曲线连接，并采用多项式进行函数拟合，得出焊缝界面结构的曲线函数为y＝ax2+bx+c(a＝1.21,b＝-2.20,c＝2.61)。
与实施例2相比，对比例1需要的测量次数大幅度增加；另外，对比例获得的测量结果直接证实了实施例测量和预测结果的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，包括：
确定待检测熔池焊缝表面与材料基体连接位置为外基本特征点；
与焊缝外表面垂直距离最大的测试点为内基本特征点；
以外基本特征点与内基本特征点为基准，做外基本特征点与内基本特征点的连线的中垂线，并确定所述中垂线与焊缝表面的交点为斜入射激光脉冲的入射位置，激光光束经过所述入射位置对焊缝进行入射检测，确定与所述入射位置测量距离最小的测试点为必要特征点；
所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位于同一平面内，该平面垂直于焊缝方向，根据所述外基本特征点、内基本特征点和必要特征点位置信息，进行曲线拟合，获得焊缝界面结构。
2.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述内基本特征点处于焊缝熔池最深位置，该界面曲线最深位置处的切线平行于材料表面。
3.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述必要特征点处于与斜入射激光脉冲入射方向垂直的焊缝界面位置。
4.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述斜入射激光从焊缝表面向外基本特征点与内基本特征点的连线的方向入射，以确定必要特征点位置信息。
5.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述必要特征点数量至少为一个。
6.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述焊缝界面为轴对称分布形状或非轴对称分布形状。
7.根据权利要求6所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述轴对称分布形状焊缝界面为锥球型熔池焊缝。
8.根据权利要求6所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述内基本特征点与所述焊缝表面中间位置的连线，与材料表面垂线的夹角小于5°，则判定待检测焊缝具备轴对称分布形状。
9.根据权利要求8所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述内基本特征点与所述焊缝表面中间位置的连线，与材料表面垂线的夹角不小于5°，则判定待检测焊缝不具备轴对称分布形状，此时分别测量内基本特征点两侧的界面特征以获得界面结构整体分布特征。
10.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述待检测熔池焊缝为同种金属对接平焊连接后的焊缝，则焊缝为轴对称分布形状，测量焊缝一侧区域的界面结构分布特征，所述一侧区域的划分以平行于焊接方向的焊缝中心线为基准，沿所述焊缝中心线并垂直构件表面所形成的平面进行分割。
11.根据权利要求1所述焊缝界面结构的激光超声确定方法，其特征在于，所述待检测熔池焊缝为异种金属对接平焊连接后的焊缝，则焊缝为非轴对称分布形状，测量焊缝一侧区域的界面结构分布特征，所述一侧区域的划分以平行于焊接方向的焊缝中心线为基准，沿所述焊缝中心线并垂直构件表面所形成的平面进行分割，分别测量焊缝两侧区域的界面结构分布特征。
12.权利要求1至11中任一项所述焊缝界面结构的激光超声确定方法在海工、核电极端环境服役构件的焊接区域界面结构分析中的应用。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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