CN113866279A - 曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，包括以下步骤：根据曲面型材结构型式确定扫查面的曲率参数；利用相控阵超声探伤仪进行声场模拟，确定声束经过相控阵超声探伤仪的探头楔块的区域范围，并将声束覆盖探头楔块的耦合面的区域标记为耦合区域；根据曲率参数对耦合面进行修磨，修磨区域覆盖耦合区域；根据耦合面的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数；将修磨后的耦合区域对准扫查面上的焊缝进行沿线扫查。本发明提供的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，通过提高探头楔块与扫查面之间的耦合效果，从而能够提高焊缝内部缺陷的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法。
背景技术
在轨道交通装备制作过程中，双轴肩搅拌摩擦焊的焊缝双壁型材的壁厚较薄，采用射线或常规超声检测方法的效果欠佳，而利用超声波相控阵技术的声束偏转和聚焦功能能够实现对薄壁焊缝缺陷的可靠检测，检测时通过探头及探头耦合探头楔块一并在轨道上的滑动，使探头平行于焊缝中心线进行沿线扫查并自动生成DAC曲线(距离波幅曲线)或TCG曲线(深度补偿曲线)，从而准确发现焊缝内部存在的缺陷，目前，超声波相控阵技术大多针对平面型式的焊缝扫查面，但是由于轨道交通装备中大量采用了曲面型材，在对曲面型材上的焊缝进行检测时由于探头楔块无法与焊缝及其两侧的扫查区域保持一致的间隙，因此探头楔块与扫查面之间的耦合效果较差，这会很大程度的影响对于焊缝内部缺陷的检测准确性，尤其是对于缺陷位置的判定容易出现较大的偏差，从而影响后序对于焊缝缺陷的针对性修复工作。
发明内容
本发明实施例提供一种曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，旨在提高曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的缺陷定位精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，包括以下步骤：
根据曲面型材结构型式确定扫查面的曲率参数；
利用相控阵超声探伤仪进行声场模拟，确定声束经过相控阵超声探伤仪的探头楔块的区域范围，并将声束覆盖探头楔块的耦合面的区域标记为耦合区域；
根据曲率参数对耦合面进行修磨，修磨区域覆盖耦合区域；
根据耦合面的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数；
将修磨后的耦合区域对准扫查面上的焊缝进行沿线扫查，其中，耦合区域与扫查面之间的间隙小于或等于0.5mm。
在一种可能的实现方式中，根据曲率参数对耦合面进行修磨，修磨范围覆盖耦合区域包括：
若扫查面为凸面，则对耦合面进行局部修磨，局部修磨区域完全覆盖耦合区域；
若扫查面为凹面，则对耦合面进行整体修磨。
一些实施例中，根据耦合面的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：
制备试块，根据曲率参数在试块的两相对面上分别修磨仿真凹面和仿真凸面，仿真凹面和仿真凸面之间的距离大于或等于焊缝的两倍厚度值；
在试块内部加工与仿真凹面或仿真凸面平行的仿缺陷孔，并记录仿缺陷孔与仿真凹面或仿真凸面之间的实际距离值；
将耦合面靠近仿真凹面或仿真凸面，并使耦合区域对准仿缺陷孔进行扫查，获得仿缺陷孔与仿真凹面或仿真凸面之间的扫查距离值；
根据扫查距离值和实际距离值之间的偏差值修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数。
具体的，根据扫查距离值和实际距离值之间的偏差值修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：
若扫查距离值小于实际距离值，则晶片高度参数加上偏差值；
若扫查距离值大于实际距离值，则晶片高度参数减去偏差值。
在一种可能的实现方式中，仿真凹面和仿真凸面上分别加工有验证槽；在根据耦合面的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数之前还包括：
将耦合面靠近仿真凹面或仿真凸面，并使耦合区域对准验证槽进行扫查，根据扫查结果验证相控阵超声探伤仪的灵敏度。
在本实施例中，根据扫查结果验证相控阵超声探伤仪的灵敏度包括：
若扫查结果能够显示验证槽，则相控阵超声探伤仪的灵敏度正常，无需调试；
若扫查结果无法显示验证槽，则需调高相控阵超声探伤仪的增益，直至扫查结果能够正常显示验证槽。
一些实施例中，试块内部加工有多个仿缺陷孔，在将修磨后的耦合区域对准扫查面上的焊缝进行沿线扫查之前还包括：
在修正了晶片高度参数后将耦合面靠近仿真凹面或仿真凸面，并使耦合区域依次对准各个仿缺陷孔进行扫查；
将扫查结果与各个仿缺陷孔的实际距离值进行对比，并根据对比结果对相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线。
具体的，将扫查结果与各个仿缺陷孔的实际距离值进行对比，并根据对比结果对相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线包括：
分别获得各个仿缺陷孔的声波反射信号并确认标定；
对比各个标定点的数据和相应的仿缺陷孔的实际距离值之间的偏差，并针对偏差校准相控阵超声探伤仪的增益补偿参数；
校准完成后获得TCG曲线。
进一步地，试块内部加工有至少三个仿缺陷孔，且至少三个仿缺陷孔与仿真凹面或仿真凸面之间的距离依次增加，且最大距离值与最小距离值之间的差值大于焊缝厚度。
另外，若扫查面为凸面，则将耦合面靠近仿真凸面并依次对各个仿缺陷孔进行扫查，且优先扫查距离仿真凸面距离最近的仿缺陷孔；
若扫查面为凹面，则将耦合面靠近仿真凹面并依次对各个仿缺陷孔进行扫查，且优先扫查距离仿真凹面距离最近的仿缺陷孔。
本发明提供的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，以曲面型材的扫查面的曲率参数为依据对探头楔块的耦合面进行修磨，并在对扫查面上的焊缝进行沿线扫查之前，针对探头楔块的修磨尺寸对相控阵超声探伤仪的晶片高度参数进行修正，能够避免因探头楔块的修磨产生的尺寸变化对扫查结果的影响，且由于修磨后的探头楔块能够与扫查面(焊缝附近的区域)保持不超过0.5mm的基本一致的间隙，因此能够提高探头楔块与扫查面之间的耦合效果，从而提高焊缝内部缺陷的定位精度，进而方便后序对于焊缝缺陷进行针对性修复。
附图说明
图1为本发明实施例提供的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法的检测流程框图；
图2为本发明实施例中经过探头楔块的声束范围示意图；
图3为本发明实施例所采用的探头楔块针对扫查面为凸面的曲面型材进行修磨后的结构示意图；
图4为本发明实施例所采用的探头楔块针对扫查面为凹面的曲面型材进行修磨后的结构示意图；
图5为本发明实施例所采用的试块的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例针对仿真凸面进行仿缺陷孔扫查的结构状态示意图；
图7为本发明实施例针对仿真凹面进行仿缺陷孔扫查的结构状态示意图；
图8为本发明实施例针对仿真凸面进行验证槽扫查的结构状态示意图；
图9为本发明实施例针对仿真凹面进行验证槽扫查的结构状态示意图；
图10为本发明实施例中进行灵敏度验证时验证槽正常显示的示意图。
图中：1、探头楔块；10、声束区域；11、耦合面；12、耦合区域；2、试块；21、仿真凸面；22、仿真凹面；23、仿缺陷孔；24、验证槽。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法进行说明。所述曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，包括以下步骤：
根据曲面型材结构型式确定扫查面的曲率参数；
利用相控阵超声探伤仪进行声场模拟，确定声束经过相控阵超声探伤仪的探头楔块1的区域范围(即声束区域10)，并将声束覆盖探头楔块1的耦合面11的区域标记为耦合区域12；
根据曲率参数对耦合面11进行修磨，修磨区域覆盖耦合区域12；
根据耦合面11的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数；
将修磨后的耦合区域12对准扫查面上的焊缝进行沿线扫查，其中，耦合区域12与扫查面之间的间隙小于或等于0.5mm。
应当理解的是，在相控阵超声探伤仪对扫查面焊缝进行扫查检测之前，应当首先通过试块测试获得TCG曲线，且该TCG曲线会显示在焊缝扫查结束后相控阵超声探伤仪自动生成的图像上，根据图像上所显示的缺陷与TCG曲线的相对位置关系即可准确定位焊缝内部缺陷的具体位置；由于在进行耦合面11修磨时需要参照耦合区域12的边界，因此首先需要在耦合面11上将耦合区域12确定并标记出来，在确定耦合区域12时，可以根据相控阵超声探伤仪的激发阵元数量和声波入射角度模拟声场，从而确定声束经过耦合面11的区域范围，即为耦合区域12。
本实施例提供的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，与现有技术相比，以曲面型材的扫查面的曲率参数为依据对探头楔块1的耦合面11进行修磨，并在对扫查面上的焊缝进行沿线扫查之前，针对探头楔块1的修磨尺寸对相控阵超声探伤仪的晶片高度参数进行修正，能够避免因探头楔块1的修磨产生的尺寸变化对扫查结果的影响，且由于修磨后的探头楔块1能够与扫查面(焊缝附近的区域)保持不超过0.5mm的基本一致的间隙，因此能够提高探头楔块1与扫查面之间的耦合效果，从而提高焊缝内部缺陷的定位精度，进而方便后序对于焊缝缺陷进行针对性修复。
在一种可能的实现方式中，参见图3和图4，根据曲率参数对耦合面11进行修磨，修磨范围覆盖耦合区域12包括：若扫查面为凸面，则对耦合面11进行局部修磨，局部修磨区域完全覆盖耦合区域12；若扫查面为凹面，则对耦合面11进行整体修磨。
针对曲面型材的多样化，其焊缝所在的位置可能是凸面型式，也可能是凹面型式，若扫查面为凸面，那么探头楔块1的耦合面11应当修磨为与该凸面的曲率参数一致或略小的凹面型式，此时由于探头楔块1的耦合面11的尺寸远远小于扫查面的面积，因此，只要修磨区域能够覆盖用于扫查焊缝的耦合区域12即可，无需对整个耦合面11进行修磨，一方面能够减少修磨工作量，另一方面能够减小探头楔块1的修磨尺寸，从而避免因修磨尺寸过大而导致晶片高度参数的修正尺度过大，甚至导致探头楔块1无法匹配使用的情况；若扫查面为凹面，那么探头楔块1的耦合面11应当修磨为与该凹面的曲率参数一致或略大的凸面型式，而为了保证检测时耦合区域12能够与扫查面之间的间隙一致性，需要将耦合面11进行整体修磨，从而避免耦合面11的边缘与扫查面之间产生干涉，进而导致耦合区域12无法接近扫查面而导致无法可靠耦合的情况。
一些实施例中，参见图1、图5至图7，根据耦合面11的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：
制备试块2，根据曲率参数在试块2的两相对面上分别修磨仿真凹面22和仿真凸面21，仿真凹面22和仿真凸面21之间的距离大于或等于焊缝的两倍厚度值；
在试块2内部加工与仿真凹面22或仿真凸面21平行的仿缺陷孔23，并记录仿缺陷孔23与仿真凹面22或仿真凸面21之间的实际距离值；
将耦合面11靠近仿真凹面22或仿真凸面21，并使耦合区域12对准仿缺陷孔23进行扫查，获得仿缺陷孔23与仿真凹面22或仿真凸面21之间的扫查距离值；
根据扫查距离值和实际距离值之间的偏差值修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数。
由于曲面型材的扫查面通常既有凹面也有凸面，因此在试块2上兼设了仿真凹面22和仿真凸面21，以能够分别模拟两种扫查面的结构型式，从而提高试块2的通用性；而且由于仿真凹面22和仿真凸面21的间距(即试块2的厚度)至少为两倍焊缝厚度值(采用搅拌摩擦焊的焊缝厚度与曲面型材的厚度一致，试块2的厚度具体可以是若曲面型材的厚度不超过5mm，则试块2厚度采用10mm，若曲面型材的厚度大于5mm，则试块2厚度为曲面型材厚度的两倍)，因此能够避免在仿真凹面22或仿真凸面21上进行扫查时另外一面产生干扰影响；由于仿缺陷孔23在试块2内部距离仿真凹面22或仿真凸面21的距离值时已知量，因此能够作为晶片高度参数的修正基准，即在对仿缺陷孔23进行扫查后得到的扫查距离值与实际距离值之间的偏差值就是晶片高度参数的修正值。
具体的，根据扫查距离值和实际距离值之间的偏差值修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：若扫查距离值小于实际距离值，则晶片高度参数加上偏差值；若扫查距离值大于实际距离值，则晶片高度参数减去偏差值。
在一种可能的实现方式中，参见图1、图8至图10，仿真凹面22和仿真凸面21上分别加工有验证槽24；在根据耦合面11的修磨尺寸修正相控阵超声探伤仪的晶片高度参数之前还包括：将耦合面11靠近仿真凹面22或仿真凸面21，并使耦合区域12对准验证槽24进行扫查，根据扫查结果验证相控阵超声探伤仪的灵敏度。
在本实施例中，根据扫查结果验证相控阵超声探伤仪的灵敏度包括：若扫查结果能够显示验证槽24，则相控阵超声探伤仪的灵敏度正常，无需调试；若扫查结果无法显示验证槽24，则需调高相控阵超声探伤仪的增益，直至扫查结果能够正常显示验证槽24。
验证槽24的深度和宽度均可设置为0.5mm，验证槽24的作用在于模拟焊缝与曲面型材的结合线，通过扫查位于仿真凹面22或仿真凸面21表面的验证槽24，能够判断相控阵超声探伤仪能否准确捕捉扫查面上焊缝，若扫查结果无法显示验证槽24则说明灵敏度不足，需要调高增益，直至验证槽24能够清晰显示在成像画面上，当然，若调高增益仍然无法显示验证槽24，这就说明该探头楔块1无法进行匹配检测(声波入射角度不匹配，探头楔块1的斜面角度与探头发射的声束入射角相关)，应当重新制备探头楔块1。
一些实施例中，参见图1、图5至图7，试块2内部加工有多个仿缺陷孔23，在将修磨后的耦合区域12对准扫查面上的焊缝进行沿线扫查之前还包括：在修正了晶片高度参数后将耦合面11靠近仿真凹面22或仿真凸面21，并使耦合区域12依次对准各个仿缺陷孔23进行扫查；将扫查结果与各个仿缺陷孔23的实际距离值进行对比，并根据对比结果对相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线。
根据曲面型材的扫查面形式选择靠近仿真凸面21或者仿真凹面22进行仿缺陷孔23的扫查，然后将扫查结果与各个仿缺陷孔23的实际距离值进行比较，若扫查值和实际值之间的偏差在合理范围内，则无需校准修正参数，若两者偏差超出合理范围，则代表扫查探测精度不足，应对增益补偿参数进行校准，从而使得获得的TCG曲线满足精度要求，以保证在对焊缝进行扫查后获得焊缝内部缺陷的准确位置，提高缺陷定位精度。
具体的，将扫查结果与各个仿缺陷孔23的实际距离值进行对比，并根据对比结果对相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线包括：分别获得各个仿缺陷孔23的声波反射信号并确认标定；对比各个标定点的数据和相应的仿缺陷孔23的实际距离值之间的偏差，并针对偏差校准相控阵超声探伤仪的增益补偿参数；校准完成后获得TCG曲线。
当声束到达仿缺陷孔23时发生反射产生回波(即反射信号)，该回波产生的位置便代表了仿缺陷孔23在试块2内的位置，而TCG曲线的原理在于通过补偿使各个仿缺陷孔23的反射回波幅度趋于一致，而回波幅度在未经补偿的情况下与仿缺陷孔23的位置直接相关，在此通过比对相控阵超声探伤仪的扫查值和实际距离值的偏差情况，并针对偏差情况对补偿参数进行校准，能够使得仿缺陷孔23的扫查值接近甚至等于实际值，从而能够提高最终获得的TCG曲线的准确度，进而提高焊缝内部缺陷的定位精度。
进一步地，试块2内部加工有至少三个仿缺陷孔23，且至少三个仿缺陷孔23与仿真凹面22或仿真凸面21之间的距离依次增加，且最大距离值与最小距离值之间的差值大于焊缝厚度。另外，若扫查面为凸面，则将耦合面11靠近仿真凸面21并依次对各个仿缺陷孔23进行扫查，且优先扫查距离仿真凸面21距离最近的仿缺陷孔23；若扫查面为凹面，则将耦合面11靠近仿真凹面22并依次对各个仿缺陷孔23进行扫查，且优先扫查距离仿真凹面22距离最近的仿缺陷孔23。确保三个仿缺陷孔23垂直于扫查面的最大间距大于焊缝厚度，从而能够确保能够对焊缝整个厚度方向上的缺陷进行扫查，避免遗漏，从而提高检测可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据曲面型材结构型式确定扫查面的曲率参数；
利用相控阵超声探伤仪进行声场模拟，确定声束经过所述相控阵超声探伤仪的探头楔块的区域范围，并将所述声束覆盖所述探头楔块的耦合面的区域标记为耦合区域；
根据所述曲率参数对所述耦合面进行修磨，修磨区域覆盖所述耦合区域；
根据所述耦合面的修磨尺寸修正所述相控阵超声探伤仪的晶片高度参数；
将修磨后的所述耦合区域对准所述扫查面上的焊缝进行沿线扫查，其中，所述耦合区域与所述扫查面之间的间隙小于或等于0.5mm。
2.如权利要求1所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述根据所述曲率参数对所述耦合面进行修磨，修磨范围覆盖所述耦合区域包括：
若所述扫查面为凸面，则对所述耦合面进行局部修磨，局部修磨区域完全覆盖所述耦合区域；
若所述扫查面为凹面，则对所述耦合面进行整体修磨。
3.如权利要求1所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述根据所述耦合面的修磨尺寸修正所述相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：
制备试块，根据所述曲率参数在所述试块的两相对面上分别修磨仿真凹面和仿真凸面，所述仿真凹面和所述仿真凸面之间的距离大于或等于所述焊缝的两倍厚度值；
在所述试块内部加工与所述仿真凹面或所述仿真凸面平行的仿缺陷孔，并记录所述仿缺陷孔与所述仿真凹面或所述仿真凸面之间的实际距离值；
将所述耦合面靠近所述仿真凹面或所述仿真凸面，并使所述耦合区域对准所述仿缺陷孔进行扫查，获得所述仿缺陷孔与所述仿真凹面或仿真凸面之间的扫查距离值；
根据所述扫查距离值和所述实际距离值之间的偏差值修正所述相控阵超声探伤仪的晶片高度参数。
4.如权利要求3所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述根据所述扫查距离值和所述实际距离值之间的偏差值修正所述相控阵超声探伤仪的晶片高度参数包括：
若所述扫查距离值小于所述实际距离值，则所述晶片高度参数加上所述偏差值；
若所述扫查距离值大于所述实际距离值，则所述晶片高度参数减去所述偏差值。
5.如权利要求3所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述仿真凹面和所述仿真凸面上分别加工有验证槽；在所述根据所述耦合面的修磨尺寸修正所述相控阵超声探伤仪的晶片高度参数之前还包括：
将所述耦合面靠近所述仿真凹面或所述仿真凸面，并使所述耦合区域对准所述验证槽进行扫查，根据扫查结果验证所述相控阵超声探伤仪的灵敏度。
6.如权利要求5所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述根据扫查结果验证所述相控阵超声探伤仪的灵敏度包括：
若扫查结果能够显示所述验证槽，则所述相控阵超声探伤仪的灵敏度正常，无需调试；
若扫查结果无法显示所述验证槽，则需调高所述相控阵超声探伤仪的增益，直至扫查结果能够正常显示所述验证槽。
7.如权利要求3所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述试块内部加工有多个所述仿缺陷孔，在所述将修磨后的所述耦合区域对准所述扫查面上的焊缝进行沿线扫查之前还包括：
在修正了所述晶片高度参数后将所述耦合面靠近所述仿真凹面或所述仿真凸面，并使所述耦合区域依次对准各个所述仿缺陷孔进行扫查；
将扫查结果与各个所述仿缺陷孔的实际距离值进行对比，并根据对比结果对所述相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线。
8.如权利要求7所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述将扫查结果与各个所述仿缺陷孔的实际距离值进行对比，并根据对比结果对所述相控阵超声探伤仪的增益补偿参数进行校准，获得TCG曲线包括：
分别获得各个所述仿缺陷孔的声波反射信号并确认标定；
对比各个标定点的数据和相应的所述仿缺陷孔的实际距离值之间的偏差，并针对偏差校准所述相控阵超声探伤仪的增益补偿参数；
校准完成后获得所述TCG曲线。
9.如权利要求8所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述试块内部加工有至少三个所述仿缺陷孔，且至少三个所述仿缺陷孔与所述仿真凹面或所述仿真凸面之间的距离依次增加，且最大距离值与最小距离值之间的差值大于焊缝厚度。
10.如权利要求9所述的曲面双轴肩搅拌摩擦焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，若所述扫查面为凸面，则将所述耦合面靠近所述仿真凸面并依次对各个所述仿缺陷孔进行扫查，且优先扫查距离所述仿真凸面距离最近的所述仿缺陷孔；
若所述扫查面为凹面，则将所述耦合面靠近所述仿真凹面并依次对各个所述仿缺陷孔进行扫查，且优先扫查距离所述仿真凹面距离最近的所述仿缺陷孔。
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