CN115711944A - 基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法及装置，能够设计水浸检测方案，采用水浸超声相控阵探头进行检测，实现了喷注器电子束焊缝熔深的精确定量。本发明的技术方案包括如下步骤：对电子束焊接工件进行水浸超声相控阵探头线性扫描检测，其中针对焊缝的未熔透区域进行B扫描，B扫描是对与超声入射方向平行的截面的扫描，获得B扫图像。通过B扫图像调取未熔透尖端衍射回波和未熔透根部端角反射回波。电子束焊接工件的焊缝熔深D为：D＝T‑H＝T‑C_T·cosθ·(t₂‑t₁)/2；T为电子束焊接工件的厚度，H为焊缝未熔透高度，C_T为电子束焊接工件中的横波声速，t₁为未熔透尖端衍射回波时间，t₂为未熔透根部端角反射回波时间。

Description

基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法及装置

技术领域

本发明涉及测控技术领域，具体涉及一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法及装置。

背景技术

焊缝熔深是衡量焊缝质量的一项重要指标，是焊接构件承载能力的一个决定性因素。其定义是焊缝金属从焊缝表面向接头内延伸的距离，不包括焊缝余高。如果焊缝熔深达不到要求，会使焊缝强度降低，在高温或高压的恶劣工况下长期使用，容易造成焊缝腐蚀及开裂，导致接头失效，引发安全事故。喷注器是液体火箭发动机的关键部件，由喷注器盘和若干喷注环通过电子束焊焊接而成，其焊缝熔深的合格性对喷注器自身及发动机整体的安全性能起决定性作用。若其焊缝熔深达不到合格性要求，会导致焊缝承载截面面积减小、强度将低，在工作时可能造成氧化剂或燃料从焊接接头处泄漏，影响推进剂混合比，降低推力室比冲，影响发动机效率，同时造成安全隐患。

液体火箭发动机喷注器截面结构复杂，上下两侧均存在凹槽，采用常规超声探头进行检测，检测灵敏度较低，分辨力不足，无法直接获取表征焊缝熔深信息的信号，进而实现定量；其厚度较小，检测区域位于近表面0.5mm～3.2mm之间，采用TOFD方法存在表面盲区问题，对于焊接区域位于盲区范围内(近表面5mm内)的构件，无法实现焊缝熔深的定量；其焊缝分布密集，检测面尺寸有限，由于超声相控阵探头大多尺寸较大，采用有机玻璃斜楔夹持探头进行接触式检测无法避开表面凹槽，进而造成耦合不良，无法完成检测。

因此目前亟需一种针对电子束焊缝熔深的精确检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法及装置，能够设计水浸检测方案，采用水浸超声相控阵探头进行检测，实现了喷注器电子束焊缝熔深的精确定量。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1：对电子束焊接工件进行水浸超声相控阵探头线性扫描检测，其中针对焊缝的未熔透区域进行B扫描，B扫描是对与超声入射方向平行的截面的扫描，获得B扫图像。

步骤2：通过B扫图像调取未熔透尖端衍射回波和未熔透根部端角反射回波。

步骤3：电子束焊接工件的焊缝熔深D为：

D＝T-H＝T-C_T·cosθ·(t₂-t₁)/2

式中：T为电子束焊接工件的厚度，H为焊缝未熔透高度，C_T为电子束焊接工件中的横波声速，t₁为未熔透尖端衍射回波时间，t₂为未熔透根部端角反射回波时间。

进一步地，本发明还提供了基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测装置，包括阵探伤仪、水浸相控阵探头、水楔块、水槽和被检件；被检件为电子束焊接工件；采用该装置实现基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法。

水槽中装有水。

水浸相控阵探头的探头线末端通过标准化接口与探伤仪连接；水浸相控阵探头通过螺钉装夹于水楔块的楔形面上。

水楔块底面固定在被检件上表面，且水楔块底面与被检件上表面完全接触。

水浸相控阵探头、水楔块和被检件均浸没于水槽中的水面之下。

探伤仪通过探头线将电信号传递给水浸相控阵探头，电信号激励水浸相控阵探头发射超声波，以水楔块中的水介质作为耦合剂，将超声波入射至被检件内部，遇到异质界面发生衍射和反射，从而使一部分超声波返回探头被接收，转换成电信号后通过探头线传递给探伤仪，探伤仪内置成像算法生成B扫图像。

进一步地，水浸相控阵探头为一维线阵，参数如下：工作频率为10MHz、阵元数量为64。

进一步地，水楔块选取为专用水楔块SFSW-N45S-WHC，钢中折射角为45°。

有益效果：

1、本发明提供了一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深定量检测方法。针对复杂结构电子束焊缝，采用超声相控阵线性扫描方式对焊缝的未熔透区域进行B扫描，由B扫图像获取熔深信息，结合A扫信号可对熔深进行准确测量，采用水楔块实现水耦合检测，克服了电子束焊接构件复杂外形结构引起的有限检测面难题，采用高频相控阵探头，达到了优于0.15mm的熔深定量检测精度。

2、本发明另外一个实施例还提供了一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测装置，包括阵探伤仪、水浸相控阵探头、水楔块、水槽和被检件；被检件为电子束焊接工件；采用该装置实现上述基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法；采用水楔块夹持高频相控阵探头进行检测，实现了喷注器电子束焊缝熔深的精确定量，定量精度优于0.15mm。

附图说明

图1为实施例1提供的一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深定量检测方法流程图；

图2为喷注器电子束焊缝熔深超声相控阵线性扫描检测原理图；

图3为实施例2提供的一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深定量检测装置组成图；

图4为为焊缝熔深检测B扫图像特征回波获取(8#焊缝)。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本发明提供了一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深定量检测方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：对电子束焊接工件进行水浸超声相控阵线性扫描检测，其中针对焊缝的未熔透区域进行B扫描，B扫描是对与超声入射方向平行的截面的扫描，获得B扫图像。

步骤2：通过B扫图像调取未熔透尖端衍射回波和未熔透根部端角反射回波。

步骤3：电子束焊接工件的焊缝熔深D为：

D＝T-H＝T-C_T·cosθ·(t₂-t₁)/2

式中：T为电子束焊接工件的厚度，H为焊缝未熔透高度，C_T为电子束焊接工件中的横波声速，t₁为未熔透尖端衍射回波时间，t₂为未熔透根部端角反射回波时间。

常规超声探头检测灵敏度较低，分辨力不足，很难采集到可分辨的焊缝未熔透尖端回波信号，进而定量熔深。为了有效增强尖端衍射回波，需要采用具有更好声束可达性和更高分辨力的超声相控阵技术。

本实施例提供的一种基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深定量检测方法。针对喷注器电子束焊缝熔深的检测需求，分析其定量检测原理，为了有效获取用于定量的特征信号，确定采用超声相控阵线性扫描的检测方法，为了克服喷注器检测面尺寸有限且存在凹槽的检测难题，基于上述检测方法，设计水浸检测方案，采用水楔块夹持高频相控阵探头进行检测，实现了喷注器电子束焊缝熔深的精确定量，定量精度优于0.15mm。

采用超声相控阵线性扫描方式，根据同一角度下不同位置的回波信号进行焊缝熔深定量检测。如图2所示，超声相控阵探头位置不变，通过线性扫描方式实现对喷注器被检区域的固定角度扫描，此时尖端衍射回波路径为CD，端角反射回波路径为BA，折射角均为θ。利用B扫图中喷注环端角B点的反射回波信号与未熔透尖端。

本发明实施例中，电子束焊接工件选为：某型航天发动机的喷注器。其材料为不锈钢，整体结构为圆盘形，由喷注器盘和若干喷注环通过电子束焊焊接而成，焊缝形式为对接焊缝，为保证其安全性能，要求每条焊缝的熔深不小于1.5mm。未熔透高度定量采用尖端衍射信号测量技术，超声波在均匀介质中传播时，根据菲涅尔-惠更斯原理，会在缺陷边缘处产生衍射波，对于焊缝未熔透区域，利用包括未熔透尖端的衍射回波以及焊接构件自身和未熔透根部形成的端角反射回波的两个特征回波的传播时间差可以对未熔透高度进行定量，进而实现熔深定量。

喷注器截面结构复杂，上下两侧均存在凹槽，且焊缝分布密集：喷注环径向尺寸为8mm，两侧通过焊缝与喷注器盘连接，相邻环形焊缝之间的距离仅为2mm，检测面尺寸有限。由于超声相控阵探头大多尺寸较大，采用有机玻璃斜楔夹持探头进行接触式检测无法避开表面凹槽，进而造成耦合不良，无法完成检测。

为了解决上述问题，实现高精度的熔深定量检测，在步骤1～3确定的线性扫描检测方法的基础上，设计水浸超声相控阵检测方案。采用水楔块夹持10MHz的高频探头对焊缝的未熔透区域进行B扫描，由B扫图像获取熔深信息，结合A扫信号对熔深进行准确测量。

实施例2：

根据上述检测方案搭建如图3所示的水浸超声相控阵检测装置，主要包括：

阵探伤仪、水浸相控阵探头、水楔块、水槽和被检件；水槽中装有水；被检件为电子束焊接工件；采用该装置实现基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法。

水浸相控阵探头的探头线末端通过标准化接口与探伤仪连接；水浸相控阵探头通过螺钉装夹于水楔块的楔形面上。

水楔块底面固定在被检件上表面，且水楔块底面与被检件上表面完全接触。

水浸相控阵探头、水楔块和被检件均浸没于水槽中的水面之下

探伤仪通过探头线将电信号传递给水浸相控阵探头，电信号激励水浸相控阵探头发射超声波，以水楔块中的水介质作为耦合剂，将超声波入射至被检件内部，遇到异质界面发生衍射和反射，从而使一部分超声波返回探头被接收，转换成电信号后通过探头线传递给探伤仪，探伤仪内置成像算法生成B扫图像。

本发明实施例中，探伤仪选用奥林巴斯相控阵探伤仪OmniScan X3(32/128PR)、水浸相控阵探头选用奥林巴斯水浸相控阵探头10L64-FSW(10MHz、一维线阵、64阵元)、水楔块选用专用水楔块SFSW-N45S-WHC(钢中折射角为45°)、水槽和被检件等。如图3所示，探头线末端通过标准化接口与探伤仪连接，探头通过螺钉装夹于水楔块上，将探头、水楔块和被检件均浸没于水槽中的水中，手持水楔块使其底面与被检件上表面完全接触进行水浸式线性扫查检测。检测时，探伤仪通过探头线(专用电缆)将电信号传递给探头，从而激励探头发射超声波，以水楔块中的水介质作为耦合剂，将超声波入射至被检件内部，遇到异质界面发生衍射和反射，从而使一部分超声波返回探头被接收，转换成电信号后通过探头线传递给探伤仪，最后探伤仪通过内置算法进行分析成像。

研制针对实施例1中某型航天发动机的喷注器的熔深检测模拟试样，该试样采用与喷注器原件相同材料，由6个喷注环和1个喷注器盘通过电子束焊接形成，具有与喷注器原件相同的径向截面结构，从内到外共10条环焊缝。电子束焊接按照标准GJB1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级要求执行。为了使焊缝达到不同熔深，改变焊接过程中采用的电流值，具体焊接参数如表1所示。

表1模拟试样焊接参数

采用步骤1～3的检测方案对喷注器模拟试样的每条焊缝进行水浸超声相控阵线性扫描检测。检测过程中，控制声束沿环焊缝法向入射，得到的从内到外共10条焊缝特定位置处的B扫图像，如图4所示，以8#焊缝为例，由B扫图像获取步骤1的两个特征回波，利用两个特征回波A扫信号确定相应回波幅值深度位置，计算二者的差值得到未熔透高度，进而定量熔深。

为了验证超声相控阵检测结果的准确性，即步骤1～3的检测方案的有效性，对模拟试样的焊缝进行金相检测得到实际熔深，全部的检测结果如表2所示。

表2模拟试样焊缝熔深检测结果

由检测结果可知，除10#焊缝的熔深未检测出之外，其余焊缝的检测熔深(由B扫图像测量得出)均大于金相检测得到的实际熔深，且除2#焊缝之外，两者之间的误差均在0.3mm附近波动。基于上述现象，可以为检测熔深附加一个补偿量Δ(Δ＝-0.3mm)，将补偿熔深D₁作为最终的检测结果，如表3所示。

表3模拟试样焊缝熔深检测结果(补偿后)

由补偿后的检测结果可知，采用步骤3的检测方案可以实现模拟试样焊缝熔深的定量检测，对(0.15-1.58)mm熔深焊缝的定量检测精度优于0.15mm。实际生产中由于工艺保障不会出现熔深小于0.5mm的焊缝，因此，采用水浸超声相控阵线性扫描检测，可以满足喷注器实际生产中熔深不小于1.5mm的检测需求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (4)

1.基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对电子束焊接工件进行水浸超声相控阵探头线性扫描检测，其中针对焊缝的未熔透区域进行B扫描，所述B扫描是对与超声入射方向平行的截面的扫描，获得B扫图像；

步骤2：通过所述B扫图像调取未熔透尖端衍射回波和未熔透根部端角反射回波；

步骤3：电子束焊接工件的焊缝熔深D为：

D＝T-H＝T-C_T·cosθ·(t₂-t₁)/2

式中：T为电子束焊接工件的厚度，H为焊缝未熔透高度，C_T为电子束焊接工件中的横波声速，t₁为未熔透尖端衍射回波时间，t₂为未熔透根部端角反射回波时间。

2.基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测装置，其特征在于，包括阵探伤仪、水浸相控阵探头、水楔块、水槽和被检件；所述被检件为电子束焊接工件；采用该装置实现如权利要求1所述的基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测方法；

所述水槽中装有水；

所述水浸相控阵探头的探头线末端通过标准化接口与所述探伤仪连接；所述水浸相控阵探头通过螺钉装夹于所述水楔块的楔形面上；

所述水楔块底面固定在被检件上表面，且水楔块底面与被检件上表面完全接触；

所述水浸相控阵探头、水楔块和被检件均浸没于水槽中的水面之下；

所述探伤仪通过探头线将电信号传递给所述水浸相控阵探头，所述电信号激励所述水浸相控阵探头发射超声波，以水楔块中的水介质作为耦合剂，将超声波入射至被检件内部，遇到异质界面发生衍射和反射，从而使一部分超声波返回探头被接收，转换成电信号后通过探头线传递给探伤仪，所述探伤仪内置成像算法生成B扫图像。

3.如权利要求2所述的基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测装置，其特征在于，所述水浸相控阵探头为一维线阵，参数如下：工作频率为10MHz、阵元数量为64。

4.如权利要求2所述的基于水浸超声相控阵的电子束焊缝熔深检测装置，其特征在于，所述水楔块选取为专用水楔块SFSW-N45S-WHC，钢中折射角为45°。

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