CN115389632A - 搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法，检测系统包括检测装置、工控机和显示器；检测装置与工控机通讯连接，显示器设置在工控机上，工控机包括控制器、信号激励单元、信号采集单元和功率放大器。检测装置包括支撑架、第一导轨固定块、丝杠、燕尾导轨、导块、连接块、提块、T型导轨、缓冲升降导杆、缓冲升降杆、U型架、第二导轨固定块、转轮、激励超声探头、接收超声探头、楔块、超晶格滤板和滑块。本发明具有集成度高、便携性好和操作简便的优点，且耦合稳定性好，可用于不同厚度的待检工件微缺陷工程化现场检测，楔块中超晶格滤板的引入，能够降低检测系统非线性对缺陷检测的影响。

Description

搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法
技术领域
本发明涉及材料无损检测领域，特别涉及一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，具有机械性能好，变形小，焊接过程绿色、环保，耗材少，可焊接一些熔焊方法难以焊接金属材料，在航空、航天、船舶、机车车辆等制造领域具有广阔的应用前景。
由于搅拌摩擦焊过程复杂，影响因素多，在某些情况下焊接接头容易产生各种焊接缺陷。吻接缺陷是搅拌摩擦焊接特有的焊接缺陷，被连接材料件紧密接触但未形成有效的物理结合，基本位于焊缝根部，从试件对接处向焊核区延伸，类似微裂纹。吻接缺陷的存在将显著降低工件的疲劳性能，是搅拌摩擦焊接接头较严重的缺陷之一。研究表明，超声、射线、CT、涡流等常规无损检测方法无法有效检测出搅拌摩擦焊接接头的吻接缺陷。为保证设备安全平稳运行，亟需开展吻接缺陷检测方法研究及相关检测系统开发。
非线性超声检测检测方法利用有限振幅超声波与材料中微缺陷相关作用产生的谐波、混频、谐振频率漂移等非线性效应，可对材料中微小缺陷进行有效检测。目前，谐波检测方法的理论和实验研究最为深入。从操作性、经济性等角度来看，与混频、谐振频率漂移等其他非线性超声检测技术相比，谐波检测技术是一种最适合工程化应用的非线性超声检测技术。
然而，由于谐波非线性效应微弱，谐波检测技术易受多种因素影响。在谐波检测技术工程化应用进程中，存在以下几个问题亟需解决：(1)耦合不稳定性影响，传统接触式超声检测方法容易受工件表面粗糙度、接触力不稳定、耦合剂不均匀等因素影响，致使耦合不稳定，影响谐波检测；(2)耦合非线性影响，超声波经过耦合剂和耦合界面时产生显著的非线性效应，与缺陷非线性效应融合在一起，对检测产生影响；(3)高集成专用非线性超声模块缺乏，现有非线性超声检测多采用RETEC 5000系统，或由信号发生器、功放、示波器等连接组成的系统，体积庞大，专用性不强；(4)便携性的工装缺乏，工程现场搅拌摩擦焊接接头多为单测可达，焊缝区域较粗糙，为保证检测的可靠性，提高检测效率，需要开发相应的工装。
以上四大问题严重制约谐波检测技术工程化应用，也是非线性超声检测技术至今无法广泛应用的重要因素，已成为搅拌摩擦焊吻接缺陷谐波检测的技术瓶颈。因此，针对搅拌摩擦焊接接头吻接缺陷检测问题，亟需开发一套可工程化应用的谐波检测装置。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，针对搅拌摩擦焊接接头吻接缺陷检测需求，本发明提供一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法，检测系统其提供了一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，方便使用，能够解决搅拌摩擦焊接接头吻接缺陷检测难点，并能够保证最终检测结果的可靠性，提高了整体的检测效率，为搅拌摩擦焊吻接缺陷提出了一种新思路，为提高搅拌摩擦焊接制件质量提供有力支撑。
本发明提供了一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其包括检测装置、工控机和显示器；所述检测装置与所述工控机通讯连接，所述显示器设置在所述工控机上，所述工控机包括控制器、信号激励单元、信号采集单元和功率放大器；
所述检测装置包括支撑架、第一导轨固定块、丝杠、燕尾导轨、导块、连接块、提块、T型导轨、缓冲升降导杆、缓冲升降杆、U型架、第二导轨固定块、转轮、激励超声探头、接收超声探头、楔块、超晶格滤板和滑块；
第一导轨固定块和第二导轨固定块分别设置在两侧支撑架的顶部，所述丝杠的第一端和所述燕尾导轨的第一端分别与所述第一导轨固定块的中间位置连接，所述丝杠的第二端以及所述燕尾导轨的第二端穿过所述导块后分别连接所述第二导轨固定块的上方和中间位置；
所述导块设置在所述丝杠和所述燕尾导轨上，所述连接块设置在所述导块的下方，所述提块借助于所述连接块与所述导块连接，所述T型导轨的上部与所述提块的下部连接，所述滑块放置在所述T型导轨内部，所述T型导轨下方两侧分别设置有缓冲升降导杆，两侧所述缓冲升降导杆的内侧均设置有缓冲升降杆，两个U型架的顶部分别与一个缓冲升降杆连接，两个U型架的底部分别设置有一个楔块，所述楔块内部设置有超晶格滤板，所述第一导轨固定块或者第二导轨固定块的外侧设置有转轮；
每一个楔块上均各自设置有注水孔和出水孔，注水孔和出水孔分别与相应的进水管和出水管连接；所述两侧楔块上分别设置所述激励超声探头或所述接收超声探头，所述激励超声探头与功率放大器的输出端连接，所述接收超声探头与所述信号采集单元的输入端连接；
所述信号激励单元发出频率为f的激励信号，经功率放大器后对所述激励超声探头进行激励，所述激励超声探头发出的纵波经水和超晶格滤板后在水和被检工件界面发生波型转换，并在待检工件内产生横波，在工件底部发生反射后，被接收超声探头接收并发送至所述信号采集单元，所述信号采集单元接收并传输至所述控制器；
所述控制器内部设置时域闸门框选直达波信号，对框选的直达波信号进行频谱分析，在频谱分析中，通过设置第一频域闸门和第二频域闸门分别在频域上选择频率为f和2f的信号，分别提取两个闸门内的峰值A1和A2；按照公式(1)计算该检测位置处的非线性指标，并将计算的非线性指标值与设置的超标缺陷对应的非线性指标阈值进行判断，当某一非线性指标超出非线性指标阈值时，则该非线性指标所在检测位置存在超标缺陷；
Figure BDA0003816349520000031
式中，A1、A2分别为直达波频谱中频率为f和2f的信号峰值；h为待测工件厚度；β为待测工件中横波的折射角，其角度根据以下公式进行计算：
Figure BDA0003816349520000032
式中，CL1是水中纵波声速，CS2是待检工件中横波声速，α为楔块倾角；以经过解剖金相分析验证的焊接合格区域的非线性指标γ为阈值，
楔块倾角α的范围为[α1,α2]；
Figure BDA0003816349520000041
Figure BDA0003816349520000042
式中，CL1是水中纵波声速，CL2、CS2分别为待检工件中纵波、横波的声速。
优选地，所述第一导轨固定块和第二导轨固定块均包括底部的两个通孔、上方的丝杠盲孔和中间的燕尾导轨盲孔，所述支撑架分别与第一导轨固定块和第二导轨固定块底部的两个通孔连接，所述丝杆和燕尾导轨的第一端分别插入第一导轨固定块的上方的丝杠盲孔和中间的燕尾导轨盲孔，所述导块设有上方螺纹通孔、中间燕尾导轨通孔和底部两个螺纹盲孔，导块上方螺纹通孔和中间燕尾导轨通孔分别套入丝杠和燕尾导轨；丝杆和燕尾导轨的第二端分别插入第二导轨固定块的上方的丝杠通孔和中间的燕尾导轨盲孔。
优选地，所述转轮包括转盘和把手，所述把手固定在所述转盘的外侧，所述转盘上设有盲孔和固定孔，转轮盲孔套入丝杠的一端并利用连接件进行固定。
优选地，所述连接块及所述提块在上方和侧部分别设置有通孔，所述导块和提块分别借助于连接件与所述连接块连接。
优选地，所述T型导轨侧面设置有刻度且上方设有两个螺纹通孔，T型导轨与提块借助于连接件连接。
优选地，所述缓冲升降导杆上方设有顶部通孔，且下方设有导槽，所述导槽内安装弹簧，所述升降导杆下方侧面开有挡块槽，所述滑块中间开有螺纹通孔，将滑块放入T型导轨内，利用螺钉和滑块将升降导杆与T型导轨相连接，所述缓冲升降杆下方设有通孔，且上侧方设有导块，所述缓冲升降杆导块从缓冲升降导杆下方插入装有弹簧的缓冲升降导杆的导槽内，所述挡块插入所述挡块槽。
优选地，通过拧松升降导杆与T型导轨之间的连接件，能够改变激励超声探头和接收超声探头之间的距离，从而适应不同厚度待检工件的焊缝检测。
优选地，所述U型架的顶部和两侧的底部均开设有通孔，所述U型架和缓冲升降杆通过连接件连接，所述楔块内部下方设置有内沉槽，内沉槽周围开有固定盲孔，通过压板和连接件将超晶格滤板固定在内沉槽中。
优选地，所述超晶格滤板为六层等间隔玻璃板，玻璃板之间填充水，所述楔块中间两侧开有侧盲孔以及探头孔，借助于螺钉将楔块侧盲孔与U型架下方两通孔连接，所述激励超声探头和接收超声探头分别插入探头孔内部。
本发明的另一方面，提供一种基于单侧局部水浸谐波非线性超声检测系统的检测方法，其包括以下步骤：
S1、安装激励超声探头和接收超声探头并完成与工控机的连接；
S2、在工控机的控制器中设置激励、采集和闸门的相关参数；
S3、移动整个检测装置，使焊缝与检测装置丝杠平行；
S4、调节激励超声探头和接收超声探头之间的距离使时域闸门内峰值达到最高；
S5、旋转转盘，使激励超声和接收超声探头沿焊缝进行一维线性扫查检测；之后沿T型导轨同时移动激励超声和接收超声探头的位置，对焊缝区域进行二维扫查检测；
S6、接收超声探头将直达波信号借助于信号采集单元发送至控制器，控制器内部设置时域闸门框选直达波信号，对框选的信号进行频谱分析，在频谱分析中，通过设置第一频域闸门和第二频域闸门分别在频域上选择频率为f和2f的信号，提取两个闸门内的峰值A1和A2；按照下述公式计算该检测位置处的非线性指标，并将计算的非线性指标值与设置的超标缺陷对应的非线性指标阈值进行判断；
Figure BDA0003816349520000051
式中，A1、A2分别为直达波频谱中频率为f和2f的信号峰值；h为待测工件厚度；β为待测工件中横波的折射角，其角度根据以下公式进行计算：
Figure BDA0003816349520000052
式中，CL1是水中纵波声速，CS2是待检工件中横波声速，α为楔块倾角；
当某一非线性指标超出非线性指标阈值时，则该非线性指标所在检测位置存在超标缺陷。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的检测装置能够通过局部水浸超声耦合方式和缓冲升降杆设计，实现谐波非线性超声检测稳定耦合，有效保证超声探头耦合的稳定性，从而能够保证结果的准确度，并能够提高整体的检测效率。
(2)本发明的楔块中超晶格滤板的引入，可过滤超声在楔块空腔水中传播时产生的高次谐波信号，降低检测系统非线性对缺陷检测的影响；采用本发明的装置可以实现横波检测，从而有效抑制材料非线性对微裂纹、弱接合、弱粘接等接触非线性检测的影响。
(3)本发明整体结构集成度高，便携性好，方便携带，操作简便，方便调节，适合多场景下的应用，能够适用于不同厚度待检工件的工程现场微缺陷检测，满足不同工况的需求。
(4)本发明在使用时，通过拧松升降导杆与T型导轨之间的螺钉，可相应改变激励和接收超声探头之间的距离，以适用不同厚度待检工件焊缝检测。通过旋转转盘，激励和接触探头可沿焊缝进行一维线性扫查检测。进一步沿T型导轨同时移动激励和接触探头的位置，可对焊缝区域进行二位扫查检测。同时，根据待检工件表面曲率和粗糙情况，可对缓冲升降导杆中弹簧的弹性系数进行调整，以适应对待检工稳定耦合检测。
附图说明
图1为本发明的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统及方法的整体结构示意图；
图2为本发明第一导轨固定块的结构示意图；
图3为本发明导块的结构示意图；
图4为本发明连接块的结构示意图；
图5为本发明提块的结构示意图；
图6为本发明缓冲升降导杆的结构示意图；
图7为本发明缓冲升降杆的结构示意图；
图8为本发明U型架的结构示意图；
图9为本发明第二导轨固定块的结构示意图；
图10为本发明转轮的结构示意图；
图11为本发明楔块的结构示意图；
图12为本发明超晶格滤板的结构示意图；
图13为本发明控制器内部界面的示意图。
部分附图标记如下：
待检工件1，支撑架2，第一导轨固定块3，第一导轨固定块上方丝杠盲孔301，第一导轨固定块中间燕尾导轨盲孔302，第一导轨固定块底部通孔303，丝杠4，燕尾导轨5，导块6，导块丝杠螺纹孔601，导块燕尾槽602，导块底部螺纹孔603，连接块7，连接块上通孔701，连接块侧通孔702，提块8，提块上通孔801，提块底部通孔802，T型导轨9，缓冲升降导杆10，缓冲升降导杆挡块1001，缓冲升降导杆弹簧1002，缓冲升降导杆挡槽1003，缓冲升降导杆导槽1004，缓冲升降导杆顶部通孔1005，缓冲升降杆11，缓冲升降杆通孔1101，缓冲升降杆导块1102，U型架12，U型架侧通孔1201，U型架顶部通孔1202，第二导轨固定块13，第二导轨固定块丝杠通孔1301，第二导轨固定块燕尾导轨盲孔1302，第二导轨固定块底部通孔1303，转轮14，转轮盲孔1401，转轮固定孔1402，转轮转盘1403，转轮把手1404，激励超声探头1501，接收超声探头1502，楔块16，楔块压板1601，楔块固定螺纹盲孔1602，楔块侧螺纹盲孔1603，出水孔1604，注水孔1605，探头孔1606，楔块固定螺纹通孔1607，楔块内沉槽1608，超晶格滤板17，滑块18，显示器19，工控机20，导线21。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
具体地，本发明提供一种单侧局部水浸谐波非线性超声检测系统，如图1所示，其包括检测装置、显示器19和工控机20。检测装置中的激励超声探头1501和接收超声探头1502分别通过导线21与工控机20的信号激励单元和信号采集单元连接。显示器用于整个检测系统控制和软件操作的显示。检测装置用于激励探头和接收探头的对中、稳定耦合和扫查检测。工控机20包括控制器、信号激励单元、信号采集单元和功率放大器。信号激励单元、信号采集单元和功率放大器分别与控制器通讯连接，激励超声探头1501与信号激励单元通讯连接，接收超声探头1502与信号采集单元通讯连接。
检测装置包括支撑架2、第一导轨固定块3、丝杠4、燕尾导轨5、导块6、连接块7、提块8、T型导轨9、缓冲升降导杆10、缓冲升降杆11、U型架12、第二导轨固定块13、转轮14、超声探头15、楔块16、超晶格滤板17和滑块18。
第一导轨固定块3和第二导轨固定块13分别设置在两侧支撑架2的顶部，丝杠4的第一端和燕尾导轨的第一端分别与第一导轨固定块3的中间位置连接，丝杠4的第二端以及燕尾导轨的第二端穿过导块后分别连接第二导轨固定块13的上方和中间位置。
导块6设置在丝杠4和燕尾导轨5上，连接块设置在导块6的下方，提块8借助于连接块7与导块6连接，T型导轨的上部与提块的下部连接，滑块18放置在T型导轨9内部，T型导轨9下方两侧分别设置有缓冲升降导杆10，两侧缓冲升降导杆10的内侧均设置有缓冲升降杆11，两个U型架12的顶部分别与一个缓冲升降杆连接，两个U型架的12底部分别设置有一个楔块16，楔块16内部设置有超晶格滤板17，第一导轨固定块3或者第二导轨固定块13的外侧设置有转轮14。
两侧楔块16上分别设置有注水孔和出水孔，注水孔和出水孔分别与相应的进水管和出水管连接；两侧楔块16上设置激励超声探头以及接收超声探头，激励超声探头借助于导线与信号激励单元的输出端连接，接收超声探头借助于导线与信号采集单元的输入端连接。
信号激励单元发出频率为的f激励信号，经功率放大器后经过导线对激励超声探头1501进行激励，激励超声探头1501发出的纵波经水和超晶格滤板17后在水和被检工件界面发生波型转换，并在待检工件内产生横波，在工件底部发生反射后，被接收超声探头1502接收并发送至信号采集单元，被信号采集单元接收并传输至控制器。
在控制器内部设置时域闸门框选直达波信号，对框选的信号进行频谱分析，在频谱分析中，通过设置第一频域闸门和第二频域闸门分别在频域上选择频率为f和2f的信号，提取两个闸门内的峰值A1和A2；按照公式(1)计算该检测位置处的非线性指标，并将计算的非线性指标值与设置的超标缺陷对应的非线性指标阈值进行判断(超标缺陷对应的非线性指标阈值根据需要进行设定)，当某一非线性指标超出非线性指标阈值时，则该非线性指标所在检测位置存在超标缺陷；
Figure BDA0003816349520000091
式中，A1、A2分别为直达波频谱中频率为f和2f的信号峰值；h为待测工件厚度；β为待测工件中横波的折射角，其角度根据以下公式进行计算：
Figure BDA0003816349520000092
式中，CL1是水中纵波声速，CS2是待检工件中横波声速，α为楔块倾角。以经过解剖金相分析验证的焊接合格区域的非线性指标γ为阈值。
楔块倾角α的范围为[α1,α2]；
Figure BDA0003816349520000093
Figure BDA0003816349520000094
式中，CL1是水中纵波声速，CL2、CS2分别为待检工件中纵波、横波的声速。
如图2所示，第一导轨固定块3的上方开有丝杠盲孔301，中间开设有燕尾导轨盲孔302，底部开设有底部通孔303。丝杠盲孔301和燕尾导轨盲孔302分别与丝杠4和燕尾导轨5的左端配合；底部通孔303与支撑架2上方的通孔通过螺栓装配。
如图3所示，导块6上方开设有导块丝杠螺纹孔601，中部有导块燕尾槽602，底部有导块底部螺纹孔603。杠螺纹孔601和导块燕尾槽602分别与丝杠4和燕尾导轨5配合从而使丝杠4和燕尾导轨5分别穿过导块6。本实施例中，导块底部螺纹孔603与连接块7的连接块上通孔701通过螺钉装配实现导块6和连接块7的连接。
如图4所示，连接块7上方开设有连接块上通孔701，连接块7底部开设有连接块侧通孔702。本实施例中，连接块侧通孔702与提块上通孔801通过螺栓装配实现连接块和提块8的连接。
如图5所示，提块8上方开设有提块上通孔801，提块底部开设有提块底部通孔802。本实施例中，提块底部通孔802与T型导轨9上方的两个螺纹孔通过螺钉装配。
如图6所示，缓冲升降导杆10包括缓冲升降导杆挡块1001、缓冲升降导杆弹簧1002、缓冲升降导杆挡槽1003、缓冲升降导杆导槽1004和缓冲升降导杆顶部通孔1005。本实施例中，通过缓冲升降导杆顶部通孔1005、滑块18以及螺钉可实现缓冲升降导杆10与T型导轨9的连接。
如图7所示，缓冲升降杆11下方设有缓冲升降杆通孔1101，上方设有缓冲升降杆导块1102。缓冲升降导杆弹簧1002置于导槽1004内，缓冲升降杆导块1102滑入升降导杆导槽1004内，缓冲升降导杆挡块1001插入缓冲升降导杆挡槽1003内，实现缓冲升降杆11与缓冲升降导杆10的连接。
如图8所示，U型架12侧部设置有U型架侧通孔1201，顶部设置有U型架顶部通孔1202。本实施例中，U型架顶部通孔1202通过螺栓与缓冲升降杆11的通孔1101进行安装；两个侧通孔1201分别通过螺钉与楔块16两个侧螺纹盲孔1603进行安装。
如图9所示，第二导轨固定块13的结构与第一导轨固定块3的结构相同。第二导轨固定块13设置有第二导轨固定块丝杠通孔1301、第二导轨固定块燕尾导轨盲孔1302和第二导轨固定块底部通孔1303。第二导轨固定块丝杠通孔1301和第二导轨固定块燕尾导轨盲孔1302分别与丝杠4和燕尾导轨5的第二端配合；第二导轨固定块底部通孔1303与支撑架2上方的通孔通过螺栓装配。
如图10所示，转轮14包括转轮盲孔1401、转轮固定孔1402、转轮转盘1403和转轮把手1404。左侧盲孔1401与丝杠4配合，通过螺钉和固定孔1402将丝杠4和转轮14进行固定。
如图11所示，楔块16包括楔块压板1601、楔块固定螺纹盲孔1602、楔块侧螺纹盲孔1603、出水孔1604、注水孔1605、探头孔1606、楔块固定螺纹通孔1607和楔块内沉槽1608。出水孔1604和注水孔1605分别与出水管和注水管相连；内沉槽1608用于放置超晶格滤板17，并通过压板1601、螺纹盲孔1602和螺钉固定超晶格滤板17和楔块16。探头孔1606与超声探头配合，通过螺钉和进行固定。
如图12所示，超晶格滤板17由周期性等间距的玻璃板组成，玻璃板制件由水填充。超晶格滤板17为六层等间隔玻璃板，玻璃板之间填充水，楔块中间两侧开有侧盲孔以及探头孔，借助于螺钉将楔块侧盲孔与U型架下方两通孔连接，激励超声探头和接收超声探头分别插入探头孔内部。
如图13所示，软件界面包括激励、采集和闸门参数设置区以及时域信号、频谱和等非线性指标显示区组成。
以下结合实施例对本发明单侧局部水浸谐波非线性超声检测系统做进一步描述。利用本发明单侧局部水浸谐波非线性超声检测系统对搅拌摩擦焊接接头弱接合缺陷检测的具体操作步骤如下：
(1)进行支撑架2安装：根据待检工件1待检位置，将支撑架2固定在搅拌摩擦焊接接头焊缝位置上方。
(2)第一导轨固定块3和第二导轨固定块13安装：通过两个螺栓将第一导轨固定块3和第二导轨固定块13底部分别于支撑架2连接。
(3)丝杠4和燕尾导轨5安装：首先将丝杠4和燕尾导轨5左侧分别插入第一导轨固定块3的上方的丝杠盲孔301和中间的燕尾导轨盲孔302，之后导块丝杠螺纹孔601和导块燕尾槽602分别套入丝杠4和燕尾导轨5，然后将丝杆4和燕尾导轨5右侧分别插入第二导轨固定块13的上方的丝杠通孔1301和中间的燕尾导轨盲孔1302。
(4)转盘14安装：转轮左侧盲孔1401套入丝杠4右端，并利用螺钉旋入固定孔1402进行固定。
(5)连接块7和提块8安装：连接块7与导块8通过两个螺钉进行连接，提块8和导块6通过螺栓进行连接。
(6)T型导轨安装：利用螺钉将T型导轨9与提块8连接。
(7)缓冲升降导杆10安装：将滑块18放入T型导轨9内，利用螺钉和滑块18将缓冲升降导杆10与T型导轨9相连接。
(8)缓冲升降杆11安装：缓冲升降杆导块1102从缓冲升降导杆10下方插入装有弹簧1002的缓冲升降导杆导槽1004内，挡块1001插入挡块槽1003，完成缓冲升降杆11与缓冲升降导杆10的连接。
(9)U型架12安装：利用螺栓将U型架12和缓冲升降杆1进行连接。
(10)超晶格滤板17安装：超晶格滤板17轻放置在楔块内沉槽1608中，通过楔块压板1601、螺钉和楔块内沉槽1608周围的固定螺纹盲孔1602，将超晶格滤板17固定在内沉槽1608中。
(11)楔块16安装：通过两个螺钉将楔块16与U型架底部通孔1202连接，楔块16的注水孔1605和出水孔1604分别与相应的进水管和出水管连接。
(12)将激励超声探头1501插入楔块探头孔1606，通过螺钉和楔块固定螺纹通孔1607固定探头，本实施例中，激励超声探头1501通过BNC导线21与工控机20的信号激励单元连接。
(13)重复以上(5)～(12)步骤，完成接收超声探头1502的安装。本实施例中，接收超声探头1502通过BNC导线21与工控机20的信号激励单元连接。
(14)打开工控机20和显示器19。
(15)打开工控机中控制器的系统软件，设置相关激励、采集和闸门的相关信息，控制器的软件界面参见图13。
(16)移动整个检测装置，使焊缝与检测装置丝杠4平行。
(17)通过接收探头对应拧松升降导杆与T型导轨之间的螺钉，改变激励和接收超声探头之间的距离，当软件界面中时域闸门内峰值达到最高，拧紧接收探头对应拧松升降导杆与T型导轨之间的螺钉。
(18)旋转转盘，激励和接收探头15沿焊缝进行一维线性扫查检测；进一步沿T型导轨9同时移动激励和接触探头15的位置，对焊缝区域进行二维扫查检测。
(19)当检测出的非线性指标超出指标阈值，则当前待检区域存在超标缺陷。
由以上搅拌摩擦焊过程可知，本发明提供的检测系统具有集成度高、便携性好和操作简便的优点，且耦合稳定性好，可用于不同厚度的待检工件微缺陷工程化现场检测。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：其包括检测装置、工控机和显示器；所述检测装置与所述工控机通讯连接，所述显示器设置在所述工控机上，所述工控机包括控制器、信号激励单元、信号采集单元和功率放大器；
所述检测装置包括支撑架、第一导轨固定块、丝杠、燕尾导轨、导块、连接块、提块、T型导轨、缓冲升降导杆、缓冲升降杆、U型架、第二导轨固定块、转轮、激励超声探头、接收超声探头、楔块、超晶格滤板和滑块；
第一导轨固定块和第二导轨固定块分别设置在两侧支撑架的顶部，所述丝杠的第一端和所述燕尾导轨的第一端分别与所述第一导轨固定块的中间位置连接，所述丝杠的第二端以及所述燕尾导轨的第二端穿过所述导块后分别连接所述第二导轨固定块的上方和中间位置；
所述导块设置在所述丝杠和所述燕尾导轨上，所述连接块设置在所述导块的下方，所述提块借助于所述连接块与所述导块连接，所述T型导轨的上部与所述提块的下部连接，所述滑块放置在所述T型导轨内部，所述T型导轨下方两侧分别设置有缓冲升降导杆，两侧所述缓冲升降导杆的内侧均设置有缓冲升降杆，两个U型架的顶部分别与一个缓冲升降杆连接，两个U型架的底部分别设置有一个楔块，所述楔块内部设置有超晶格滤板，所述第一导轨固定块或者第二导轨固定块的外侧设置有转轮；
每一个楔块上均各自设置有注水孔和出水孔，注水孔和出水孔分别与相应的进水管和出水管连接；所述两侧楔块上分别设置所述激励超声探头或所述接收超声探头，所述激励超声探头与功率放大器的输出端连接，所述接收超声探头与所述信号采集单元的输入端连接；
所述信号激励单元发出频率为f的激励信号，经功率放大器后对所述激励超声探头进行激励，所述激励超声探头发出的纵波经水和超晶格滤板后在水和被检工件界面发生波型转换，并在待检工件内产生横波，在工件底部发生反射后，被接收超声探头接收并发送至所述信号采集单元，所述信号采集单元接收并传输至所述控制器；
所述控制器内部设置时域闸门框选直达波信号，对框选的直达波信号进行频谱分析，在频谱分析中，通过设置第一频域闸门和第二频域闸门分别在频域上选择频率为f和2f的信号，分别提取两个闸门内的峰值A1和A2；按照公式(1)计算该检测位置处的非线性指标，并将计算的非线性指标值与设置的超标缺陷对应的非线性指标阈值进行判断，当某一非线性指标γ超出非线性指标阈值时，则该非线性指标所在检测位置存在超标缺陷；
Figure FDA0003816349510000021
式中，A1、A2分别为直达波频谱中频率为f和2f的信号峰值；h为待测工件厚度；β为待测工件中横波的折射角，其角度根据以下公式进行计算：
Figure FDA0003816349510000022
式中，CL1为水中纵波声速，CS2为待检工件中横波声速，α为楔块倾角；
楔块倾角α的范围为[α1,α2]；
Figure FDA0003816349510000023
Figure FDA0003816349510000024
式中，CL1为水中纵波声速，CL2、CS2分别为待检工件中纵波、横波的声速。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述第一导轨固定块和第二导轨固定块均包括底部的两个通孔、上方的丝杠盲孔和中间的燕尾导轨盲孔，所述支撑架分别与第一导轨固定块和第二导轨固定块底部的两个通孔连接，所述丝杆和燕尾导轨的第一端分别插入第一导轨固定块的上方的丝杠盲孔和中间的燕尾导轨盲孔，所述导块设有上方螺纹通孔、中间燕尾导轨通孔和底部螺纹通孔，导块上方螺纹通孔和中间燕尾导轨通孔分别套入丝杠和燕尾导轨；丝杆和燕尾导轨的第二端分别插入第二导轨固定块上方的丝杠通孔和中间的燕尾导轨盲孔。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述转轮包括转盘和把手，所述把手固定在所述转盘的外侧，所述转盘上设有盲孔和固定孔，转轮盲孔套入丝杠的一端并利用连接件进行固定。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述连接块及所述提块在上方和侧部分别设置有通孔，所述导块和提块分别借助于连接件与所述连接块连接。
5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述T型导轨侧面设置有刻度且上方设有两个螺纹通孔，T型导轨与提块借助于连接件连接。
6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述缓冲升降导杆上方设有顶部通孔，且下方设有导槽，所述导槽内安装弹簧，所述升降导杆下方侧面开有挡块槽，所述滑块中间开有螺纹通孔，将滑块放入T型导轨内，利用螺钉和滑块将升降导杆与T型导轨相连接，所述缓冲升降杆下方设有通孔，且上侧方设有导块，所述缓冲升降杆导块从缓冲升降导杆下方插入装有弹簧的缓冲升降导杆的导槽内，所述挡块插入所述挡块槽。
7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：通过拧松升降导杆与T型导轨之间的连接件，能够改变激励超声探头和接收超声探头之间的距离，从而适应不同厚度待检工件的焊缝检测。
8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述U型架的顶部和两侧的底部均开设有通孔，所述U型架和缓冲升降杆通过连接件连接，所述楔块内部下方设置有内沉槽，内沉槽周围开有固定盲孔，通过压板和连接件将超晶格滤板固定在内沉槽中。
9.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统，其特征在于：所述超晶格滤板为六层等间隔玻璃板，玻璃板之间填充水，所述楔块中间两侧开有侧盲孔以及探头孔，借助于螺钉将楔块侧盲孔与U型架下方两通孔连接，所述激励超声探头和接收超声探头分别插入探头孔内部。
10.一种基于权利要求1所述的搅拌摩擦焊吻接缺陷的单侧局部水浸谐波检测系统的检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、安装激励超声探头和接收超声探头并完成与工控机的连接；
S2、在工控机的控制器中设置激励、采集和闸门的相关参数；
S3、移动整个检测装置，使焊缝与检测装置丝杠平行；
S4、调节激励超声探头和接收超声探头之间的距离使时域闸门内峰值达到最高；
S5、旋转转盘，使激励超声和接收超声探头沿焊缝进行一维线性扫查检测；之后沿T型导轨同时移动激励超声和接收超声探头的位置，对焊缝区域进行二维扫查检测；
S6、接收超声探头将直达波信号借助于信号采集单元发送至控制器，控制器内部设置时域闸门框选直达波信号，对框选的信号进行频谱分析，在频谱分析中，通过设置第一频域闸门和第二频域闸门分别在频域上选择频率为f和2f的信号，提取两个闸门内的峰值A1和A2；按照下述公式计算该检测位置处的非线性指标，并将计算的非线性指标值与设置的超标缺陷对应的非线性指标阈值进行判断；
Figure FDA0003816349510000041
式中，A1、A2分别为直达波频谱中频率为f和2f的信号峰值；h为待测工件厚度；β为待测工件中横波的折射角，其角度根据以下公式进行计算：
Figure FDA0003816349510000042
式中，CL1是水中纵波声速，CS2是待检工件中横波声速，α为楔块倾角；
当某一非线性指标超出非线性指标阈值时，则该非线性指标所在检测位置存在超标缺陷。
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