CN113640386A - 一种考虑结构变形的t形焊接接头超声相控阵自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，将线阵探头沿着T形焊接接头的焊缝中轴线移动，并获取线阵探头中每个探头的检测信号；在每个检测信号中的底部位置t₀附近搜索出所对应的最大值L_max，当L_max≥h₁时，则记录该L_max所对应的时间t_m；之后，以线阵探头的中心位置为坐标原点，对坐标原点左侧所有符合条件的探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第一斜率；对坐标原点左侧所有符合条件的探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第二斜率；最后计算坐标原点左右两侧探头的夹角，即可根据夹角的范围判断横向板材变形情况。本方法操作方便，自动化程度高，能满足对T形焊接接头的在线快速缺陷检测，精度高。

Description

一种考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法

技术领域

本发明涉及超声波检测领域，特别涉及一种考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法。

背景技术

T形接头是焊接接头的基本形式之一，T形接头形成的箱体结构密封性好，在行车承重梁上普遍采用T形焊接接头。但由于焊接方法、工艺及设备等因素控制不当，生产过程中焊缝可能存在裂纹、未熔合、未焊透、气孔及夹渣等缺陷，T形接头由于长期从事高吨位载重运输、装吊工作，在焊缝服役过程中，受到载荷力的影响，容易导致内部缺陷扩展开裂，造成服役寿命大大缩短，甚至引起严重后果，所以焊接接头的质量一直是人们关注的重点。随着数字化、自动化、智能化检测技术发展，业内已经开始采用爬行机器人开展起重机箱型梁自动检测工作。

在对箱型梁T形焊接接头进行超声自动检测时，通常利用自动爬行器携带超声波探头沿着箱型梁方向运动，从而完成对T形焊接接头内部扫查。检测过程中，需要探头实时正对焊缝以保证声束覆盖焊缝区域以及最佳的检测灵敏度。由于四轮爬行器具有结构简单、行走稳定等优点，通常采用四轮爬行器夹持探头进行检测。在T焊缝焊接以后往往会在热影响区域产生结构变形，在实际检测过程中使得超声波探头与被检对象表面耦合不良。另外由于起重机箱型梁在长期处于大负载、频繁起吊往复力的工况下，造成长距离箱型梁变形，也会导致探头耦合不良以及爬行器行走偏离预期轨迹。此时，由于耦合不良及行走偏差，会严重影响超声波信号质量，造成缺陷定位、定量错位，甚至漏检误检的问题。因此需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种精度高且能满足在线快速检测缺陷的考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将线阵探头的中轴线对准T形焊接接头的焊缝中轴线，使线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，之后将线阵探头沿着T形焊接接头的焊缝中轴线移动；

步骤2、在线阵探头移动过程中驱动线阵探头发射超声波，并获取线阵探头在移动过程中每个探头的检测信号L_i(t)，t表示时间，L_i(t)为第i个探头的超声回波信号幅值；i＝1、2…n；n为线阵探头中的探头总数；

步骤3、在每个检测信号中提取出底波位置t₀，

m为T形焊接接头的横向板板厚，v为超声波在T形焊接接头制造材料中的声速；

步骤4、设定第一幅值闸门h₁，在每个探头的检测信号中搜索出在t₀-a≤t≤t₀+a的范围内所对应的超声回波信号幅值的最大值L_max，当L_max符合条件：L_max≥h₁时，则记录该L_max所对应的时间t_m，即得到线阵探头中所有探头中符合条件的t_m；其中，a为第一预设值；

步骤5、以线阵探头的中心位置为坐标原点，按照探头排列顺序将位于坐标原点左侧的第p个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

为计算不大于n/2的最大整数；并计算坐标原点左侧第p个探头的位置纵坐标

y为线阵探头中相邻探头中心距；按照上述方法获取位于坐标原点左侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第一斜率k_L；

同样的，按照探头排列顺序将位于坐标原点右侧的第q个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

并计算坐标原点右侧第q个探头的位置纵坐标

按照上述方法获取位于坐标原点右侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第二斜率k_R；

步骤6、计算坐标原点的左右两侧探头的夹角θ，θ＝π+arctan k_L-arctan k_R；

其中，π的单位为弧度，π弧度为180°；arctan为反正切函数；

步骤7、根据夹角θ的范围判断横向板材变形情况：

当夹角θ>180°时，判定T形焊接接头的横向板材下折变形；(2)夹角θ<180°时，判定T形焊接接头的横向板材上翘变形；(3)夹角θ＝180°时，T形焊接接头的横向板材正常形态。

为了防止因线阵探头行走偏移造成检测效果出现误差，所述步骤1中判断检测线阵探头的中轴线是否与T形焊接接头的焊缝中轴线重合的方法为：

步骤1-1、获取线阵探头中每个探头的检测信号L_i(t)，并在每个检测信号中提取出底波位置t_o；

步骤1-3、设定第二幅值闸门h₂，对于任意一个检测信号判断在t₀-b≤t≤t₀+b的范围内是否存在L_i(t)≤h₂的值时，如存在则记录该探头的位置序号i；其中，b为第二预设值；

步骤1-4、计算出所有检测信号满足L_i(t)≤h₂的探头序号的均值，判断序号均值为是否为n/2，如是，则认定线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，线阵探头的移动轨迹未偏离T形焊接接头的焊缝中轴线；否则，则线阵探头的移动轨迹偏离T形焊接接头的焊缝中轴线。

优选的，所述步骤5中均采用线性最小二乘法拟合得到第一斜率k_L和第二斜率k_R。

进一步的，还包括T形焊接接头的横向板材变形情况下的小缺陷定量判定方法，具体步骤为：

步骤a、采用与上述T形焊接接头相同材质制作对比试块，其中，对比试块包括厚度为m的第一部分以及厚度大于m的第二部分，所述第二部分与第一部分的上表面在同一平面，所述第二部分内在与第一部门的下表面平齐的平面上开设有直径为d的平底孔；

步骤b、线阵探头贴合对比试块的上表面并采用与步骤2中相同的检测工艺对上述对比试块进行检测，获得深度为m的平面的超声波回波高度L_b，以及相同深度m且直径为d的平底孔回波高度L_h，计算平底孔与相同深度的平面的回波比例系数r＝L_b/L_h；

步骤c、当线阵探头扫描时获得一缺陷信号，设该缺陷信号最高回波为L_m1，该最高回波由序号为m1的探头获得，当L_m1满足下述公式时则记录所有缺陷当量大于直径d的缺陷；

其中，h_L为步骤4中所有位于坐标原点左侧且符合条件的探头的L_max均值；h_R为步骤4中所有位于坐标原点右侧且符合条件的探头的L_max均值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过用线阵探头在T形焊接接头顶部的横板上进行平移扫描，获得各个探头的超声波回波信号，提取回波信号中的结构底波、缺陷波，利用结构底波的峰值位置线性拟合分析板材变形状态，该方法可实现自动检测过程中，检测设备是否沿焊缝爬行、自动判断结构变形情况。因此本方法操作方便，自动化程度高，能满足对T形焊接接头的在线快速缺陷检测，且精度高。

附图说明

图1为本发明实施例中线阵探头与T形焊接接头的焊缝对准的主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例中其中一个探头的检测信号波形图；

图4为本发明实施例中T形焊接接头的横向板材上翘变形图；

图5为本发明实施例中T形焊接接头的横向板材下折变形图；

图6为本发明实施例中T形焊接接头的横向板材正常形态图；

图7为本发明实施例中对比试块的主示图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的考虑结构变形的T形焊接接头自动检测方法包括以下步骤：

步骤1、将线阵探头的中轴线对准T形焊接接头的焊缝中轴线，使线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，之后将线阵探头沿着T形焊接接头的焊缝中轴线移动；

其中，判断检测线阵探头的中轴线是否与T形焊接接头的焊缝中轴线重合的方法为：

步骤1-1、获取线阵探头中每个探头的检测信号L_i(t)，并在每个检测信号中提取出底波位置t_o；

步骤1-3、设定第二幅值闸门h₂，对于任意一个检测信号判断在t₀-b≤t≤t₀+b的范围内是否存在L_i(t)≤h₂的值时，如存在则记录该探头的位置序号i；其中，b为第二预设值；

步骤1-4、计算出所有检测信号满足L_i(t)≤h₂的探头序号的均值，判断序号均值为是否为n/2，如是，则认定线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，线阵探头的移动轨迹未偏离T形焊接接头的焊缝中轴线；否则，则线阵探头的移动轨迹偏离T形焊接接头的焊缝中轴线；

步骤2、在线阵探头移动过程中驱动线阵探头发射超声波，并获取线阵探头在移动过程中每个探头的检测信号L_i(t)，t表示时间，L_i(t)为第i个探头的超声回波信号幅值；i＝1、2…n；n为线阵探头中的探头总数；

步骤3、在每个检测信号中提取出底波位置t₀，

m为T形焊接接头的横向板板厚，v为超声波在T形焊接接头制造材料中的声速；其中，T形焊接接头的横向板为线阵探头贴合的板；

步骤4、设定第一幅值闸门h₁，在每个探头的检测信号中搜索出在t₀-a≤t≤t₀+a的范围内所对应的超声回波信号幅值最大值L_max，当L_max符合条件：L_max≥h₁时，则记录该L_max所对应的时间t_m，即得到线阵探头中所有探头中符合条件的t_m；其中，a为第一预设值；

步骤5、以线阵探头的中心位置为坐标原点，按照探头排列顺序将位于坐标原点左侧的第p个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

为向下取n/2的整数，即：计算不大于n/2的最大整数；并计算坐标原点左侧第p个探头的位置纵坐标

y为线阵探头中相邻探头中心距；按照上述方法获取位于坐标原点左侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第一斜率k_L；

同样的，按照探头排列顺序将位于坐标原点右侧的第q个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

并计算坐标原点右侧第q个探头的位置纵坐标

按照上述方法获取位于坐标原点右侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第二斜率k_R；本实施例中，第一斜率k_L和第二斜率k_R均采用线性最小二乘法拟合得到；

本实施例中，由于T形焊接接头中间T焊缝焊接区域(对应为：与板厚为m的横向板相垂直的竖向板)的超声波无回波，因此通过将线阵探头的中心位置为坐标原点，将线阵探头分成左侧探头和右侧探头，从而能根据左、右侧探头的不同检测情况得到变形情况；

步骤6、计算坐标原点的左右两侧探头的夹角θ，θ＝π+arctank_L-arctank_R；

其中，π的单位为弧度，π弧度为180°；arctan为反正切函数；

步骤7、根据夹角θ的范围判断横向板材变形情况：

当夹角θ>180°时，判定T形焊接接头的横向板材下折变形；(2)夹角θ<180°时，判定T形焊接接头的横向板材上翘变形；(3)夹角θ＝180°时，T形焊接接头的横向板材正常形态。

另外，本实施例中还包括T形焊接接头的横向板材变形情况下的小缺陷定量判定方法，具体步骤为：

步骤a、采用与上述T形焊接接头相同材质制作对比试块，其中，对比试块包括厚度为m的第一部分以及厚度大于m的第二部分，第二部分与第一部分的上表面在同一平面，第二部分内在与第一部分的下表面平齐的平面上开设有直径为d的平底孔；对比试块如图7所示，其平底孔是由第二部分的下表面向上贯穿开设；

步骤b、线阵探头贴合对比试块的上表面并采用与步骤2中相同的检测工艺对上述对比试块进行检测，获得深度为m的平面的超声波回波高度L_b，以及相同深度m且直径为d的平底孔回波高度L_h，计算平底孔与相同深度的平面的回波比例系数r＝L_b/L_h；

步骤c、当线阵探头扫描时获得一缺陷信号，设该缺陷信号最高回波为L_m1，该最高回波由序号为m1的探头获得，当L_m1满足下述公式时则记录所有缺陷当量大于直径d的缺陷；

其中，h_L为步骤4中所有位于坐标原点左侧且符合条件的探头的L_max均值；h_R为步骤4中所有位于坐标原点右侧且符合条件的探头的L_max均值。

本实施例中，针对板厚m为6mm的T形焊接接头采用顶部线阵超声波相控阵探头进行检测，如图1所示，该线阵列探头的数量n为10，相邻探头中心距y为1mm，检测时如图1所示，将线阵探头的中轴线T形焊接接头的焊缝中轴线重合，如图2所示，线阵探头沿着T形焊接接头的焊缝方向移动，利用多通道超声检测仪器驱动线阵超声波探头发射超声波，超声波进入T形焊接接头的焊缝内部，当遇到结构或缺陷时，超声反射波返回到探头，被超声检测仪器接收，形成超声波检测信号，设第i个探头的检测信号为L_i(t))，其中，i＝1、2…10；

第i个探头接收到的检测信号如图3所示，包含界面波(为线阵探头贴住的那个表面产生的波)、缺陷波(为超声波遇到缺陷后返回的波)和结构底波(为超声波遇到板底部产生的波)，界面板、缺陷波和结构底波分别为超声波进入T形焊接接头内遇到顶板、底板上的缺陷和底板而依次产生的波，图3中其他小幅度的波形均为噪声信号产生的波。

本实施例中，首先利用多通道超声检测仪器在结构底波位置附近设置第二幅值闸门h₂，底波位置

v为超声波在材料(钢)中的声速5300m/s。在底波位置左右-0.2×10^-6s～+0.2×10^-6s范围内，设定第二幅值闸门h₂为50％波高(波高为界面波的最大幅值)，即判断在0.932×10^-6≤x≤1.332×10^-6的范围内是否存在L_i(t)≤h₂的值，如存在则记录该探头的位置序号，计算所有检测信号L_i(t)≤h₂的探头序号均值，当序号均值为n/2时，则认定线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，线阵探头的移动轨迹未偏离T形焊接接头的焊缝中轴线；否则，则线阵探头的移动轨迹偏离T形焊接接头的焊缝中轴线。

同时设定的第一幅值闸门h₁为50％波高，本实施例中第一预设值a＝b；即：即判断在0.932×10^-6≤x≤1.332×10^-6的范围内是否存在L_max≥h₁的值，如存在记录该L_max所对应的时间t_m；之后，即按照步骤5～7中的方法进行横向板材变形判断，如图4所示为横向板材上翘变形，如图5所示为横向板材下折变形，如图6所示为横向板材正常形态。

因此本方法可实现线阵探头行走偏移检测，同时也能实现板材变形检测，在自动检测过程中，实时提醒操作人员，检测面质量；另外，通过设计专用对比试块，对由于板材变形引起的缺陷定量降低进行补偿，实现小缺陷的有效定量，因此该方法可实现自动检测过程中，检测设备是否沿焊缝爬行、自动判断结构变形情况，根据变形情况对缺陷定量进行补偿。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将线阵探头的中轴线对准T形焊接接头的焊缝中轴线，使线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，之后将线阵探头沿着T形焊接接头的焊缝中轴线移动；

步骤2、在线阵探头移动过程中驱动线阵探头发射超声波，并获取线阵探头在移动过程中每个探头的检测信号L_i(t)，t表示时间，L_i(t)为第i个探头的超声回波信号幅值；i＝1、2...n；n为线阵探头中的探头总数；

步骤3、在每个检测信号中提取出底波位置t₀，

m为T形焊接接头的横向板板厚，v为超声波在T形焊接接头制造材料中的声速；

步骤4、设定第一幅值闸门h₁，在每个探头的检测信号中搜索出在t₀-a≤t≤t₀+a的范围内所对应的超声回波信号幅值最大值L_max，当L_max符合条件：L_max≥h₁时，则记录该L_max所对应的时间t_m，即得到线阵探头中所有探头中符合条件的t_m；其中，a为第一预设值；

步骤5、以线阵探头的中心位置为坐标原点，按照探头排列顺序将位于坐标原点左侧的第p个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

为计算不大于n/2的最大整数；并计算坐标原点左侧第p个探头的位置纵坐标

y为线阵探头中相邻探头中心距；按照上述方法获取位于坐标原点左侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第一斜率k_L；

同样的，按照探头排列顺序将位于坐标原点右侧的第q个探头符合步骤4中条件所对应的时间记为该探头的横坐标

并计算坐标原点右侧第q个探头的位置纵坐标

按照上述方法获取位于坐标原点右侧中所有符合步骤4中条件的探头的横坐标和纵坐标，并根据每个探头在坐标轴中的位置进行拟合，得到第二斜率k_R；

步骤6、计算坐标原点的左右两侧探头的夹角θ，θ＝π+arctank_L-arctank_R；

其中，π的单位为弧度，π弧度为180°；arctan为反正切函数；

步骤7、根据夹角θ的范围判断横向板材变形情况：

当夹角θ＞180°时，判定T形焊接接头的横向板材下折变形；(2)夹角θ＜180°时，判定T形焊接接头的横向板材上翘变形；(3)夹角θ＝180°时，T形焊接接头的横向板材正常形态。

2.根据权利要求1所述的考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，其特征在于：所述步骤1中判断检测线阵探头的中轴线是否与T形焊接接头的焊缝中轴线重合的方法为：

步骤1-1、获取线阵探头中每个探头的检测信号L_i(t)，并在每个检测信号中提取出底波位置t_o；

步骤1-3、设定第二幅值闸门h₂，对于任意一个检测信号判断在t₀-b≤t≤t₀+b的范围内是否存在L_i(t)≤h₂的值时，如存在则记录该探头的位置序号i；其中，b为第二预设值；

步骤1-4、计算出所有检测信号满足L_i(t)≤h₂的探头序号的均值，判断序号均值为是否为n/2，如是，则认定线阵探头的中轴线与T形焊接接头的焊缝中轴线重合，线阵探头的移动轨迹未偏离T形焊接接头的焊缝中轴线；否则，则线阵探头的移动轨迹偏离T形焊接接头的焊缝中轴线。

3.根据权利要求1所述的考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，其特征在于：所述步骤5中均采用线性最小二乘法拟合得到第一斜率kL和第二斜率kR。

4.根据权利要求1～3任一项所述的考虑结构变形的T形焊接接头超声相控阵自动检测方法，其特征在于：还包括T形焊接接头的横向板材变形情况下的小缺陷定量判定方法，具体步骤为：

步骤a、采用与上述T形焊接接头相同材质制作对比试块，其中，对比试块包括厚度为m的第一部分以及厚度大于m的第二部分，所述第二部分与第一部分的上表面在同一平面，所述第二部分内在与第一部门的下表面平齐的平面上开设有直径为d的平底孔；

步骤b、线阵探头贴合对比试块的上表面并采用与步骤2中相同的检测工艺对上述对比试块进行检测，获得深度为m的平面的超声波回波高度L_b，以及相同深度m且直径为d的平底孔回波高度L_h，计算平底孔与相同深度的平面的回波比例系数r＝L_b/L_h；

步骤c、当线阵探头扫描时获得一缺陷信号，设该缺陷信号最高回波为L_m1，该最高回波由序号为m1的探头获得，当L_m1满足下述公式时则记录所有缺陷当量大于直径d的缺陷；

其中，h_L为步骤4中所有位于坐标原点左侧且符合条件的探头的L_max均值；h_R为步骤4中所有位于坐标原点右侧且符合条件的探头的L_max均值。

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