CN114113326B - 一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，提供一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，包括以下步骤：基于待测部件设置对比样件；确认所述对比样件的扫查区的数量M和位置，使所述对比样件的扫查区的数量M和位置均与所述待测部件相同；在所述对比样件的扫查区上设置人工缺陷；对所述对比样件的每个扫查区进行检测；对待测部件的每个扫查区进行检测；将所述对比样件的检测结果与所述待测部件的检测结果进行比对，根据比对的结果评估所述待测部件的缺陷，本发明解决了扫查面与复合连接面存在夹角、带涂层及其组合复杂外形的复合连接结构的定量超声无损检测难题，并具有可操作性强和扫查效率高的优点。

Description

一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置。
背景技术
随着医疗新型诊断技术的发展，对CT机中X射线管(简称CT球管)的核心部件提出了更高的性能要求，特别是作为X射线产生源的旋转阳极靶部件。通过专门成型工艺将两种或两种以上异质、异形、异构的材料复合而成的新型旋转阳极靶，该新型旋转阳极靶具有高温强度高、抗热冲击性能好、抗热震性好、散热快、热容更高及重量更轻等优异性能。为了保证该部件在真空、高温及高速旋转的恶劣服役环境中安全可靠的工作，有必要对此类部件复合连接结构的连接质量状态进行无损检测和评估。
目前，针对复合连接结构，常见的无损检测方法主要有：射线检测法、红外检测法、超声检测法等。射线检测法成本高，同时对于复合连接界面的平面型缺陷的检测灵敏度较低；红外检测法对表面缺陷敏感，对内部缺陷检测困难，同时检测灵敏度较低；超声检测法对平面型缺陷比较敏感，通过脉冲反射法可实现复合连接界面缺陷的高灵敏度定量和定位。但是，由于复合连接结构部件的几何形状和结构限制，当复合连接面与部件外表面存在夹角时，超声波垂直入射工件表面后的声束方向改变，导致复合连接结构平面反射回波幅度明显降低，影响缺陷检测灵敏度；同时，当复合连接结构带涂层时，多层结构中不同材料对超声波的折射与反射使得部件内部声束传播路径更加复杂，缺陷定量评估困难；另外，当一个部件同时存在多种外形结构时，需采用多种超声探头结合不同扫查方式实现部件的超声检测，检测操作复杂，可操作性不强且扫查效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，实现了对复合连接构件的快速准确的检测。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，所述复合连接结构具有复合连接面和扫查面，包括以下步骤：S1：基于待测部件设置对比样件；S2：确认所述对比样件的扫查区的数量M和位置，使所述对比样件的扫查区的数量M和位置均与所述待测部件相同；S3：在所述对比样件的扫查区上设置人工缺陷；S4：对所述对比样件的每个扫查区进行检测；S5：对待测部件的每个扫查区进行检测；S6：将所述对比样件的检测结果与所述待测部件的检测结果进行比对，根据比对的结果评估所述待测部件的缺陷。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法中，所述对比样件和所述待测部件的外形、结构和材质均相同；所述复合连接结构至少由两种异形的材料、异构的材料或异质的材料复合而成。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法中，所述步骤S2包括：S21：根据所述扫查面与所述复合连接面之间的夹角将所述扫查面分为相应的坡度分区；S22：确认每个所述坡度分区内所述复合连接结构的种类，将每个所述坡度分区按照所述复合连接结构的种类分为相应材质分区；S23：每个所述材质分区均设置有一个所述扫查区，所述扫查区的数量与所述材质分区的总数量相同。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法中，所述人工缺陷的数量O≥2*N*M，其中N为所述人工缺陷的种类数；每个所述对比样件的扫查区上均设置有所有种类的所述人工缺陷，且每个种类的所述人工缺陷的数量不少于2。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法中，所述步骤S4包括：S41：通过至少二种不同的聚焦法则对所述人工缺陷进行检测；
S42：对每个所述聚焦法则所检测出的结果进行分析；S43，根据步骤S42的分析结果确认所述待测部件的每个扫查区所应用的所述聚焦法则；所述聚焦法则检测出的结果包括所述人工缺陷的超声脉冲反射信号的幅度和波形。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法中，所述聚焦法则的参数包括样品的声学参数、相控阵探头的参数、聚焦声场声束的参数、聚焦声场焦点的参数、相控阵探头晶片的参数、聚焦声场楔块的声学参数及控制所述相控阵探头的运动机构的移动参数；所述运动机构的每次运动的间距不大于40mm。
另一方面，提供了一种复合连接结构的相控阵超声检测装置，包括：扫查机构，所述扫查机构用于固定待测部件；相控阵超声换能器，所述相控阵超声换能器用于对待测部件进行检测；运动机构，所述相控阵超声换能器设于所述运动机构上，所述运动机构能够带动所述相控阵超声换能器运动；控制机构，所述控制机构与所述相控阵超声换能器和所述运动机构连接，所述控制机构用于控制所述相控阵超声换能器和所述运动机构。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测装置中，所述控制机构包括主控制器和相控阵超声信号控制器；其中，所述相控阵超声信号控制器与所述相控阵超声换能器连接，所述相控阵超声信号控制器用于激励所述相控阵超声换能器发射和接收相控阵超声信号；所述主控制器与所述运动机构和所述相控阵超声信号控制器连接，所述主控制器通过所述运动机构对所述相控阵超声换能器的运动进行控制。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测装置中，所述扫查机构包括滚动连接装置、旋转平台和固定嵌入装置；所述滚动连接装置与所述旋转平台连接，用于带动所述旋转平台旋转；所述旋转平台用于摆放所述待测部件；所述固定嵌入装置安装于所述旋转平台上，所述固定嵌入装置用于固定所述待测部件。
进一步地，在上述的一种复合连接结构的相控阵超声检测装置中，所述相控阵超声换能器的晶片数量为64-128。
分析可知，本发明公开一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置，本发明解决了扫查面与复合连接面存在夹角、带涂层及其组合复杂外形的复合连接结构的定量超声无损检测难题，并具有可操作性强和扫查效率高的优点。
附图说明
构成本申请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。其中：
图1为本发明一实施例的对比样件的结构剖视示意图。
图2为本发明一实施例的对比样件的结构俯视示意图。
图3为本发明一实施例的对比样件的模拟的聚焦法则检测示意图。
图4为本发明一实施例的复合连接结构的相控阵超声检测的结构框图。
图5为本发明一实施例的滚动连接装置的结构示意图。
图6为本发明一实施例的旋转平台和固定嵌入装置的结构示意图。
图7为本发明一实施例的待测部件的结构示意图。
图8为本发明一实施例的对比样件的扫查区M4对比样件的第一成像结果图。
图9为本发明一实施例的对比样件的扫查区M5的第一超声成像结果图。
图10为本发明一实施例的对比样件的复合连接面正常位置的超声脉冲反射信号结果图。
图11为本发明一实施例的对比样件的复合连接面人工缺陷处的超声脉冲反射信号结果图。
图12为本发明一实施例的待测部件的扫查区M4的第二超声成像结果图。
图13为本发明一实施例的待测部件的扫查区M5的第二超声成像结果图。
附图标记说明：1第一结构；2第二结构；21第一次级结构；22第二次及结构；23第三次级结构；31扫查机构；311滚动连接装置；312旋转平台；313固定嵌入装置；32相控阵超声换能器；33相控阵超声信号控制器；34运动机构；35主控制器；351声场模拟模块；352系统控制与成像模块；353数据分析模块；353缺陷面积评估模块；4待测部件。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
根据本发明的实施例，提供了一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，所述复合连接结构至少由两种异形的材料、异构的材料或异质的材料复合而成，所述复合连接结构具有复合连接面和扫查面，包括以下步骤：S1：基于待测部件设置对比样件；S2：确认所述对比样件的扫查区的数量M和位置，使所述对比样件的扫查区的数量M和位置均与所述待测部件相同；所述S2包括：S21：根据所述扫查面与所述复合连接面之间的夹角将所述扫查分为相应的坡度分区；S22：确认每个所述坡度分区内所述复合连接结构的种类，将每个所述坡度分区按照所述复合连接结构的种类分为相应材质分区；S23：每个所述材质分区均设置有一个所述扫查区，所述扫查区的数量与所述材质分区的总数量相同。S3：在所述对比样件的扫查区上设置人工缺陷；S4：对所述对比样件的每个扫查区进行检测；所述步骤S4包括：S41：通过至少二种不同的聚焦法则对所述人工缺陷进行检测；S42：对每个所述聚焦法则所检测出的结果进行分析；S43，根据步骤S42的分析结果确认所述待测部件的每个扫查区所应用的所述聚焦法则；S5：对待测部件的每个扫查区进行检测；S6：将所述对比样件的检测结果与所述待测部件的检测结果进行比对，根据比对的结果评估待测部件的缺陷。
优选地，所述对比样件和所述待测部件的外形、结构和材质均相同，对比样件制备步骤。采用与待测部件相同制备工艺制作对比样件，对比样件与待测部件的外形、结构和材质均相同。对比样件结构为复合连接结构，且至少由两种异形或异构或异质的材料复合而成；图1举出了一种复合连接结构的可能构造，对比样件为第一结构和第二结构组成的复合连接结构；第二结构可为多层结构，图1中复合连接结构示出的第二结构由第一次级结构、第二次级结构和第三次级结构组合而成。第一结构的材质为第一材料，第一次级结构、第二次级结构和第三次级结构的材质分别为第二材料、第三材料和第四材料，第一材料、第二材料、第三材料和第四材料均不相同。
以图1至图3所展示出的复合连接结构为例，不同扫查区基于对比样件的外形、结构和材质确定，扫查区数量为M，其中M为≥1的自然数。具体地，扫查区数量基于扫查面与复合连接面的夹角、复合连接结构组成和复合连接结构中的材质综合确定，扫查面为复合连接结构在进行扫描时的上表面，复合连接面是指第一结构和第二结构的连接面，首先，对比样件扫查面和复合连接面夹角为2种，初步确定扫查区为2个，分别为斜面区和平面区(即两个坡度区)；同时，斜面区复合连接结构为单一结构，单一结构即斜面区只有一种复合连接结构，平面区复合连接结构为2层结构，即平面区有两种复合连接结构；最后，斜面区复合连接结构材质为第二材料，平面区复合连接结构由于存在两种不同材质，即第三材料和第四材料；因此，综合确定该对比样件的扫查区数量M＝3(M1、M2和M3)。
优选地，所述人工缺陷的数量O≥2*N*M，其中N为所述人工缺陷的种类数；对比样件不同扫查区均预设有人工缺陷，用于模拟复合连接结构中复合连接面的工艺缺陷，人工缺陷位于复合连接面，并通过预先在第一结构中打孔，然后第一结构与第二结构复合而成对比样件。人工缺陷总数量O基于扫查区数量M和人工缺陷种类数N确定，人工缺陷总数量O≥2*N*M，人工缺陷种类数N基于人工缺陷的直径大小确定。如图1所示，人工缺陷N1、人工缺陷N2和人工缺陷N3直径大小均不相同，因此，该对比样件的人工缺陷种类数N＝3，该对比样件的人工缺陷总数量O≥18，因此每个所述对比样件的扫查区上均设置有所有种类的所述人工缺陷，且每个种类的所述人工缺陷的数量不少于2。
优选地，所述聚焦法则检测出的结果包括所述人工缺陷的超声脉冲反射信号的幅度和波形，基于不同扫查区的聚焦法则，分别完成对比样件不同扫查区的相控阵超声自动扫查并成像，获得对比样件不同扫查区的第一超声成像结果。采用不同聚焦法则对不同扫查区进行自动扫查如图2所示。
优选地，所述聚焦法则的参数包括样品的声学参数、相控阵探头的参数、聚焦声场声束的参数、聚焦声场焦点的参数、相控阵探头晶片的参数、聚焦声场楔块的声学参数及控制所述相控阵探头的运动机构的扫查参数；所述运动机构的扫查间距不大于40mm；分析不同扫查区第一超声成像结果中人工缺陷的超声脉冲反射信号的幅度和波形，确定不同扫查区的优选聚焦法则。当对比样件某一个扫查区的第一超声成像结果中人工缺陷的超声脉冲反射信号幅度和波形均可有效识别时，则将获得该第一超声成像结果所对应的聚焦法则确定为该扫查区的优选聚焦法则，基于不同扫查区的优选聚焦法则，完成待测部件的相控阵超声检测，获得待测部件不同扫查区的第二超声成像结果。缺陷面积评估步骤，对比分析待测部件不同扫查区的第二超声成像结果和所述对比样件相应扫查区的第一超声成像结果，结合超声脉冲反射信号的幅度和波形，定量分析确定待测部件不同扫查区的复合连接缺陷大小，并计算待测部件中复合连接缺陷的面积占比。
本发明还公开了一种复合连接结构的相控阵超声检测装置，包括：扫查机构，所述扫查机构用于固定待测部件；相控阵超声换能器，所述相控阵超声换能器用于对待测部件进行检测；运动机构，所述相控阵超声换能器设于所述运动机构上，所述运动机构能够带动所述相控阵超声换能器运动；控制机构，所述控制机构与所述相控阵超声换能器和所述运动机构连接，所述控制机构用于控制所述相控阵超声换能器和所述运动机构。
优选地，所述控制机构包括主控制器和相控阵超声信号控制器；其中，所述相控阵超声信号控制器与所述相控阵超声换能器连接，所述相控阵超声信号控制器用于激励所述相控阵超声换能器发射和接收相控阵超声信号；所述主控制器与所述运动机构和所述相控阵超声信号控制器连接，所述主控制器通过所述运动机构对所述相控阵超声换能器的运动进行控制。
优选地，所述扫查机构包括滚动连接装置、旋转平台和固定嵌入装置；所述滚动连接装置与所述旋转平台连接，用于带动所述旋转平台旋转；所述旋转平台用于摆放所述待测部件；所述固定嵌入装置安装于所述旋转平台上，所述固定嵌入装置用于固定所述待测部件。
优选地，所述相控阵超声换能器的晶片数量为64-128。
复合连接结构的相控阵超声检测装置的如图3所示，包括有扫查机构、相控阵超声换能器、相控阵超声信号控制器、运动机构和主控制器。扫查机构与运动机构连接，用于实现待测部件的摆放、固定和自动扫查；相控阵超声换能器安装于运动机构上，并与相控阵超声信号控制器连接，用于相控阵超声信号的发射与接收，相控阵超声换能器的晶片数量为64-128；相控阵超声信号控制器用于激励相控阵超声换能器发射和接收相控阵超声信号；运动机构用于相控阵超声检测装置的运动执行，结合扫查机构可同时实现待测部件的旋转扫查和栅格扫查；主控制器分别与相控阵超声信号控制器和运动机构连接，用于相控阵超声检测装置的运动控制和基于检测参数的相控阵超声成像，检测参数包括优选的聚焦法则和扫查参数；扫查参数中步进值最大可达40mm。
如图4所示，主控制器包括：声场模拟模块、系统控制与成像模块、数据分析模块和缺陷面积评估模块；声场模拟模块用于生成聚焦法则；系统控制与成像模块用于整体控制整体的相控阵
超声检测装置和生成超声成像结果；数据分析模块用于分析超声成像结果和超声信号；缺陷面积评估模块用于计算缺陷面积。
如图5和图6所示，扫查机构包括：滚动连接装置、旋转平台和固定嵌入装置；滚动连接装置与旋转平台连接，用于带动旋转平台旋转；旋转平台用于摆放待测部件；固定嵌入装置安装于旋转平台上，用于固定待测部件。旋转平台在执行旋转扫查时作旋转运动，在执行栅格扫查时静止不动。
待测部件的外形、结构和材质如图7所示，利用相控阵超声检测装置对待测部件进行相控阵超声检测，具体过程如下：
对比样件的制备：基于待测部件的外形、结构和材质确定扫查区数量为两个，分别为扫查区M4和扫查区M5；根据质量验收要求确定人工缺陷直径分别为Φ2.0mm、Φ3.0mm、Φ4.0mm，即人工缺陷种类数N＝3；按照人工缺陷总数量O≥12的要求，制备的对比样件中人工缺陷数量为12；
聚焦法则的模拟：利用声场模拟模块，分别针对扫查区M4和扫查区M5模拟聚焦法则；其中扫查区M4模拟聚焦法则包括：样品声速为5800m/s～6500m/s、相控阵超声换能器的晶片数为128、入射角度为4°～7°、焦点位置8mm～12mm、激发晶片数量为16～32、激发晶片起点为1、激发晶片终点为97～113、楔块声速1480m/s～1483m/s、楔块厚度10mm～30mm、扫查方式为线性扫查；扫查区M5模拟聚焦法则包括：样品声速为6000m/s～6500m/s、相控阵超声换能器晶片数为128、入射角度为0°、焦点位置8mm～10mm、激发晶片数量为16～32、激发晶片起点为1、激发晶片终点为97～113、楔块声速1480m/s～1483m/s、楔块厚度10mm～30mm、扫查方式为线性扫查；
对比样件检测：将对比样件放置于旋转平台上，并利用固定嵌入装置固定好；基于扫查区M4和扫查区M5的模拟的聚焦法则，并采用相控阵超声换能器、运动机构和主控制器实现对比样件的相控阵超声自动扫查；同时利用系统控制和成像模块完成扫查区M4和扫查区M5的相控阵超声检测成像，获得对比样件扫查区M4和扫查区M5的第一超声成像结果如图8和图9所示，其中8为扫查区M4的第一超声成像结果图，图9为扫查区M5的第一超声成像结果图，图8和图9中人工缺陷直径分别为Φ2.0mm、Φ3.0mm和Φ4.0mm；
聚焦法则优化：利用数据分析模块分析第一成像结果，复合连接面正常位置和人工缺陷的超声脉冲反射信号如图10和图11所示，其中10为复合连接面正常位置的超声脉冲反射信号，图11为人工缺陷的超声脉冲反射信号；分析超声脉冲反射信号的幅度和波形，当人工缺陷的超声脉冲反射信号可有效区分识别时，即确定该模拟的聚焦法则为优选的聚焦法则(应用于待测部件的聚焦法则)；
待测部件检测：基于扫查区M4和扫查区M5的优选聚焦法则，利用相控阵超声检测装置3完成待测部件的相控阵超声检测，获得待测部件扫查区M4和扫查区M5的第二成像结果如图12和图13所示，其中图12为扫查区M4的第二超声成像结果图，图13为扫查区M5的第二超声成像结果图；
缺陷面积评估：通过数据分析模块分析待测部件扫查区M4和扫查区M5的第二超声成像结果，结合对比样件扫查区M4和扫查区M5的第一超声成像结果中超声脉冲反射信号的幅度和波形，定量分析待测部件第二成像结果中工艺缺陷的大小，该待测部件工艺缺陷当量约为Φ2.0mm；同时，采用缺陷面积评估模块354计算工艺缺陷的面积占比，该待测部件复合连接面工艺缺陷面积占比约为37.5％。
与现有技术相比，本发明解决了扫查面与复合连接面存在夹角、带涂层及其组合复杂外形的复合连接结构的定量超声无损检测难题，并具有可操作性强和扫查效率高的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (2)

1.一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，所述复合连接结构具有复合连接面和扫查面，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于待测部件设置对比样件；
S2：确认所述对比样件的扫查区的数量M和位置，使所述对比样件的扫查区的数量M和位置均与所述待测部件相同；
所述步骤S2包括：
S21：根据所述扫查面与所述复合连接面之间的夹角将所述扫查面分为相应的坡度分区；
S22：确认每个所述坡度分区内所述复合连接结构的种类，将每个所述坡度分区按照所述复合连接结构的种类分为相应材质分区；
S23：每个所述材质分区均设置有一个所述扫查区，所述扫查区的数量与所述材质分区的总数量相同；
S3：在所述对比样件的扫查区上设置人工缺陷；
S4：对所述对比样件的每个扫查区进行检测；
S5：对待测部件的每个扫查区进行检测；
S6：将所述对比样件的检测结果与所述待测部件的检测结果进行比对，根据比对的结果评估所述待测部件的缺陷；
所述对比样件和所述待测部件的外形、结构和材质均相同；
所述复合连接结构至少由两种异形的材料、异构的材料或异质的材料复合而成；
所述人工缺陷的数量O≥2*N*M，其中N为所述人工缺陷的种类数，M为扫查区的数量；
每个所述对比样件的扫查区上均设置有所有种类的所述人工缺陷，且每个种类的所述人工缺陷的数量不少于2；
所述步骤S4包括：
S41：通过至少二种不同的聚焦法则对所述人工缺陷进行检测；
S42：对每个所述聚焦法则所检测出的结果进行分析；
S43，根据步骤S42的分析结果确认所述待测部件的每个扫查区所应用的所述聚焦法则；
所述聚焦法则检测出的结果包括所述人工缺陷的超声脉冲反射信号的幅度和波形。
2.根据权利要求1所述的一种复合连接结构的相控阵超声检测方法，其特征在于，所述聚焦法则的参数包括样品的声学参数、相控阵探头的参数、聚焦声场声束的参数、聚焦声场焦点的参数、相控阵探头晶片的参数、聚焦声场楔块的声学参数及控制所述相控阵探头的运动机构的移动参数；
所述运动机构的每次运动的间距不大于40mm。
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