CN204679453U - 一种高速焊声发射裂纹检测系统 - Google Patents

Abstract

一种高速焊声发射裂纹检测系统，它包括压力施加单元、焊接单元、声发射检测单元、焊件，压力施加单元包括压力施加台体模块、焊件装夹模块、压力施加模块、压力监测模块；焊件经焊件装夹模块固定安装于压力施加台体模块上，压力施加模块相对于焊件设置并与压力施加台体模块固定连接，焊接单元相对于压力施加台体模块上的焊件设置以及设有具体操作流程的技术方案；它克服了现有对焊接凝固热裂纹进行数值模拟仿真存在的无法定量区分机械应变和材料应变，无法精确模拟熔池内部流体流动状态对温度场的影响等缺陷；实现了快速方便测定焊接冷却过程中热力参数及应力的变化规律；广泛适于焊接件凝固热裂纹在线检测及模拟仿真试验的配套使用。

Description

一种高速焊声发射裂纹检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种高速焊声发射裂纹检测系统。

背景技术

焊接凝固裂纹是焊接构件中危害最大的缺陷之一，是冷裂纹、再热裂纹、疲劳裂纹等的产生因素,而且它的存在也可能会直接导致焊接结构在运行中破断，焊接冷却过程结构热力学特性是焊接凝固热裂纹产生与扩展的关键因素，焊接冷却过程结构呈现出来的热力参数变化规律直接可以表征凝固热裂纹产生与扩展状态；因此，实现对焊接过程热力参数、应力应变的有效测量与获取，是实现分析凝固热裂纹产生与扩展的物理本质和预测焊接凝固热裂纹的重要手段，进而为焊接凝固热裂纹的抑制提供重要基础数据和依据。

高速焊凝固热裂纹在线检测的关键在于寻找和选择能够全面表征焊接过程凝固热裂纹形成与扩展运动状态产生的物理信息，可调拘束试验方法不仅能够比较直观的反映出材料凝固裂纹敏感性的裂纹总长度，条数等参数，还能够定量的测出材料产生裂纹的临界变量、脆性区间、描绘出凝固塑形曲线，同时我们也能够通过信号来掌握焊接凝固裂纹的动态过程；可调拘束试验在20世纪60年代中期创始于美国，然后在日本及西欧改进，它被广泛运用于评定材料热裂纹敏感性，20世纪80年代以来一些学者采用摄像法研究了熔池裂纹萌生和扩展过程中凝固裂纹尖端附近的局部延展性，通过可调拘束试验利用红外线相机接受高温区发出的大波红外线来观察熔池区，然后测量凝固裂纹很小范围内的材料的凝固塑性；或者通过夹具的作用对薄板试件施加一个大小可调的预加载和根据试件是否发生裂开来确定材料在此条件下的极限应力，用极限应力作为衡量材料敏感性的定量判据；随着计算机技术的发展，人们通过有限元技术结合可调可拘束试验的实际情况对焊接凝固热裂纹进行数值模拟仿真，取得了较为显著的效果；但是至今为止由于很难将机械应变和材料应变分开，熔池尾部温度很高等原因造成无法用试验的方法定量测量，而在数值模拟技术中也存在较多的不足，比如我们对焊接凝固裂纹研究的过程中无法精确模拟熔池内部流体流动状态对温度场的影响，对焊接凝固裂纹的研究过程中对凝固热处理不够精确，这是由于数值模拟技术对某些因素的考虑太过理想化与试验室现实情况的偏差所导致，但又无法避免的。

发明内容

针对上述情况，本实用新型的目的在于提供一种高速焊声发射裂纹检测系统，它既能以声发射信号为监测对象又能在可调拘束试验中进行试验；还能在焊接的过程中给焊件施加稳定的压力并实时记录、储存压力施加过程中焊件发生折弯所产生的焊接凝固裂纹及声发射信号，且能用于焊接凝固裂纹的形成与扩展研究；其结构科学合理，操作流程简便，生产工艺简单，制造成本较低，易于普及推广。

为了实现上述目的，一种高速焊声发射裂纹检测系统，它包括压力施加单元、焊接单元、声发射检测单元、焊件，所述压力施加单元包括压力施加台体模块、焊件装夹模块、压力施加模块、压力监测模块；所述焊件经焊件装夹模块固定安装于压力施加台体模块上，压力施加模块相对于焊件设置并与压力施加台体模块固定连接，该压力施加模块能够在焊接过程中稳定的给焊件施加压力；所述焊接单元相对于压力施加台体模块上的焊件设置。

为了实现结构、效果优化，其进一步的措施是：所述压力监测模块包括压力电阻应变片、压力信号采集主机箱、试验用计算机；该压力监测模块能在焊接过程中压力施加单元对焊件施加的压力进行实时监测；所述压力电阻应变片设置于压力施加模块内并经压力信号采集主机箱与试验用计算机相连；所述声发射检测单元包括声发射传感器、前置信号放大器、声发射主机箱、计算机单元以及信号传输线缆；所述声发射传感器安置于焊接件上并与前置放大器输入端相连，前置放大器输出端通过信号线缆与声发射主机箱输入端相连，声发射主机箱输出端经以太网线与计算机单元相连；所述声发射传感器为耐高温传感器，该声发射传感器与焊件之间涂有耦合介质；所述前置放大器包括模拟电路，接收和输出模拟信号电路。

为了实现结构、效果优化，其进一步的措施是：所述系统的具体操作步骤流程如下：

步骤A：分别将压力施加单元、焊接单元、声发射检测单元三个独立模块组装形成工作模式；

步骤B：按照要求将焊件装夹固定在压力施加单元上，同时布置压力施加单元与焊接单元的相对位置，从而使焊接过程按照要求进行，然后合理地将声发射传感器布置在焊件上；

步骤C：将焊接单元、声发射检测单元分别接通电源设备并且进行相关参数设置，包括物理参数、电气参数、功能参数，硬件系统初始化设置；

步骤D：焊接单元开始工作，并且在此过程中通过压力施加单元稳定地给焊件施加压力，同时通过声发射检测单元采集此焊接过程中的声发射信号；

步骤E：采集完成，储存相关声发射信号于指定文件夹。

本实用新型一种高速焊声发射裂纹检测系统，它包括压力施加单元、焊接单元、声发射检测单元、焊件，所述压力施加单元包括压力施加台体模块、焊件装夹模块、压力施加模块、压力监测模块；所述焊件经焊件装夹模块固定安装于压力施加台体模块上，压力施加模块相对于焊件设置并与压力施加台体模块固定连接，该压力施加模块能够在焊接过程中稳定的给焊件施加压力；所述焊接单元相对于压力施加台体模块上的焊件设置以及设有具体操作流程的技术方案；它克服了现有对焊接凝固热裂纹进行数值模拟仿真存在的无法定量区分机械应变和材料应变，无法精确模拟熔池内部流体流动状态对温度场的影响等缺陷；实现了快速方便测定焊接冷却过程中热力参数及应力的变化规律，为制定合理的焊接工艺参数及技术条件提供科学依据；并且操作使用方便，结构科学合理，生产工艺简便，制造成本较低，易于普及推广。

本实用新型相比现有技术所产生的有益效果：

（Ⅰ）本实用新型能够在焊接的同时进行跟踪监测，能够更加全面的提供焊件凝固裂纹产生前后的所有动态信息；

（Ⅱ）本实用新型将可调拘束试验以及声发射信号检测相结合起来，以焊件凝固裂纹形成扩展过程中产生的声发射信号作为监测对象，通过对采集到的信号进行分析，能够得到更加真实的裂纹形成扩展的动态情况；

（Ⅲ）本实用新型将压力施加单元与压力监测模块结合，能在焊接的过程中给焊件施加稳定的压力并且实时记录下压力的变化情况，经对信号进行分析就能够更加全面、科学的掌握焊接凝固裂纹的形成与扩展机理研究；

（Ⅳ）本实用新型能快速方便测定焊接冷却过程中热力参数及应力的变化规律，为制定合理的焊接工艺参数及技术条件提供科学依据；并且操作使用方便，整体结构科学合理，生产工艺简便，制造成本较低，无环境污染，易于普及推广。

本实用新型广泛适于焊接件凝固热裂纹在线检测及模拟仿真试验配套使用。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1为本实用新型整体结构安装示意图。

图2为本实用新型的工作流程图。

图3为本实用新型压力施加单元结构示意图。

图4为本实用新型声发射检测单元信号处理示意图。

图5为本实用新型网络接口电路图。

图6为本实用新型压力监测模块信号处理示意图。

图7为本实用新型的信号调理单元和数据采集单元连接示意图。

图中：1-压力施加单元，11-压力施加台体模块，12-焊件装夹模块，13-压力施加模块，14-压力监测模块，141-压力电阻应变片，142-压力信号采集主机箱，143-试验用计算机，2-焊接单元，3-声发射检测单元，31-声发射传感器，32-前置信号放大器，33-声发射主机箱，34-计算机单元， 4-焊件，41-焊缝。

具体实施方式

由附图所示，本实用新型的工作原理：一种高速焊声发射裂纹检测系统，它结合可调拘束试验、声发射信号监测的特点，设计一套以声发射信号为监测对象并在可调拘束试验中进行试验；在焊接的过程中给焊件施加稳定的压力并且实时记录、储存压力的变化状态，同时在压力施加过程中焊件发生折弯并且产生焊接凝固裂纹，在凝固裂纹的产生与扩展过程中会伴着声发射信号的产生，通过实时监测焊接凝固裂纹产生声发射信号，并且将相关的声发射信号记录并储存；经对该试验中采集到的信号进行分析，以便能更加全面、科学的掌握焊接凝固裂纹的形成与扩展，为提高焊接质量提供科学可靠的理论基础和工艺参数；并且操作、使用方便，结构科学合理，生产工艺简单，制造成本较低，易于普及推广。

参照附图，本实用新型是这样实现的：一种高速焊声发射裂纹检测系统，它包括压力施加单元1、焊接单元2、声发射检测单元3、焊件4，所述压力施加单元1包括压力施加台体模块11、焊件装夹模块12、压力施加模块13、压力监测模块14；所述焊件4经焊件装夹模块12固定安装于压力施加台体模块11上，压力施加模块13相对于焊件4设置并与压力施加台体模块11固定连接，该压力施加模块13能够在焊接过程中稳定的给焊件4施加压力；所述焊接单元2相对于压力施加台体模块11上的焊件4设置。

如图1所示，本实用新型分为压力施加单元1、焊接单元2、声发射检测单元3三个独立单元；焊件4通过焊件装夹模块12安装在压力施加台体模块11上，焊接单元2对焊件4进行焊接的过程中压力施加单元1将会给焊件4稳定的施加压力，随着压力的施加在焊缝区会形成凝固裂纹，通过压力电阻应变片141能够将压力的变化情况转变成为电流模拟信号，传递给压力信号采集主机箱142，最终传递给试验用计算机143进行显示以及储存；同时声发射传感器31布置于焊件4上，在试验进行过程中将采集到的声发射信号转变成为电流信号，传递给前置信号放大器32，前置信号放大器32将信号放大后并且会转变成为数字信号传递给声发射主机箱33，该声发射主机箱33采集信号最后传递给计算机单元34进行显示与储存；其中压力电阻应变片141、压力信号采集主机箱142、试验用计算机143共同组成压力监测模块14；声发射传感器31、前置信号放大器32、信号传输线缆、声发射主机箱33、计算机单元34共同组成声发射检测单元3。

如图2所示，本实用新型的工作流程：焊机开始工作的同时，压力施加单元1给焊件4施加稳定压力，同时我们通过压力电阻应变片141采集压力信号，将采集到的信号通过模拟电流信号传递出来，再经过压力信号采集主机箱142进行相关信号处理后以数字信号的形式传递出来，最终输送到试验用计算机143进行显示与储存；在焊接及压力监测的同时，也会对试验过程中凝固裂纹产生的声发射信号通过声发射传感器31转换成为电流模拟信号，由于采集到的声发射信号是十分微弱的，然后由前置信号放大器32进行放大处理并且转换成为数字模拟信号，再经过声发射主机箱33进行消噪、放大处理后输送给计算机单元34。

如图3所示，本实用新型的压力施加单元1包括压力施加模块13、焊件装夹模块12、压力施加台体模块11、压力监测模块14，在工作的过程中焊件装夹模块12将焊件4装夹在压力施加台体模块11上，在焊接过程中施加压力是经压力施加模块13的杠杆带动螺杆旋转将螺旋运动转换成为直线运动，从而对焊件4施加压力；而在此过程中安装在压力施加模块13内的压力电阻应变片141会将焊接过程中压力变化动态情况反映出来。

如图4所示，本实用新型的声发射传感器31将采集到的声发射信号以电流模拟信号的形式传递出来通过前置信号放大器32放大并且进行初步的滤波，同时将电流模拟信号转化成为数字模拟信号，声发射主机箱33以双通道的形式将信号收入，经过采集卡增益、5阶高通可选滤波、5阶低通可选滤波、放大电路、采样保持电路、以及16位以上10MB A/D芯片，整个过程有ARM处理器控制处理完成，最后经以太网口传递给计算机单元34，其中选用16位以上10MB A/D芯片能够大大的提高A/D转换数据，同时选用以太网线作为数据传输线接口能够加大数据传输量的同时加强系统的抗干扰能力。

如图5所示，本实用新型的网络接口电路图，由以太网控制器DM9000AEP以及RJ45接口组成；DM9000AEP是DAVICOM公司设计的一款完全集成和符合成本效益的单芯片快速以太网MAC控制器，具有通用处理器接口，低功耗和高处理性能，外围电路的设计非常简单；DM9000AEP符合Ethernet标准，支持IEEE802.3全双工流量控制模式和半双工CSMA/CD流量控制模式；集成10/100Mbps自适应全双工数据收发器；内置16KB的SRAM，其中13KB用作接收缓冲区，3KB用作发送缓冲区；支持8/16位数据总线，中断申请以及I/O基地址选择，对内部寄存器的操作简单；以太网接口采用集成网络变压器的RJ45连接器，通过双绞线连接到计算机单元34，实现声发射主机箱33与计算机单元34的数据传输。

如图6所示，本实用新型的压力监测模块14包括压力电阻应变片141、压力信号采集主机箱142、试验用计算机143；耐高温抗磁性的压力电阻应变片141布置于压力施加模块13内，同时从压力电阻变片141引出的电线端口通过线缆与压力信号采集主机箱142接线口相连接，在正常工作时，压力信号采集主机箱142为压力电阻应变片141提供电流，随着焊件4压力变化，压力电阻应变片141的尺寸也将发生相应的变化，从而输出电流发生变化，这就是电流模拟信号，压力信号采集主机箱142通过线缆接收到电流模拟信号，同时通过AD转换器将电流信号转化成为数字信号，再经过ARM处理器处理后经以太网接口(RJ)把信号传递给试验用计算机143；网络接口(RJ)的电路采用以太网控制器DM9000AEP为核心器件，其中A/D转换器、ARM处理器、以太网络接口共同构成了压力信号采集主机箱142；压力信号采集主机箱142将采集单元传送过来的数据按TCP/IP协议打包并通过以太网传送给试验用计算机143进行记录与存储，试验用计算机143包括参数设置、数据采集、数据示波以及数据存储等模块。

如图7所示，本实用新型的信号调理单元主要对两路电流信号和两路电压信号进行滤波和放大处理，信号调理单元输出端与数据采集单元输入端相连接；数据采集单元主要实现两电流信号和两路电压信号的模数(A/D)转换，数据采集单元具有四路独立的16位采样保持功能的A/D转换器，最大采样频率200K，经A/D转换后的数据按照FPGA分配的地址存入存储单元，FPGA作为数据采集单元的逻辑控制核心器件，负责地址总线和数据总线的切换，A/D转换的启动，将转换结果写入存储器，以及在转换完成后产生中断请求由ARM读取存储器中的数据进行处理，ARM以32位微控制LPC2119作为数据采集单元的核心，负责程序调用和数据处理。

结合附图，本实用新型一种高速焊声发射裂纹检测系统的操作流程如下：

步骤A：分别将压力施加单元1、焊接单元2、声发射检测单元3三个独立模块组装起来形成工作模式；

步骤B：按照需求将焊件4装夹固定在压力施加单元1上，同时布置好压力施加单元1与焊接单元2的相对位置，从而使焊接过程能够按照需求进行，然后合理地将声发射传感器31布置在焊件4上；

步骤C：将焊接单元2、声发射检测单元3，分别接通电源设备并且进行相关参数设置，包括物理参数、电气参数、功能参数，硬件系统初始化；

步骤D：焊接单元开始工作，并且在此过程中通过压力施加单元1稳定地给焊件4施加压力，同时通过声发射检测单元3采集此焊接过程中的声发射信号；

步骤E: 采集完成，储存相关声发射信号于指定文件夹。

Claims (7)

1.一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于包括压力施加单元(1)、焊接单元(2)、声发射检测单元(3)、焊件(4)，所述压力施加单元(1)包括压力施加台体模块(11)、焊件装夹模块(12)、压力施加模块(13)、压力监测模块(14)；所述焊件(4)经焊件装夹模块(12)固定安装于压力施加台体模块(11)上，压力施加模块(13)对应焊件(4)设置并与压力施加台体模块(11)固定连接，所述焊接单元(2)对应压力施加台体模块(11)上的焊件(4)设置。

2.根据权利要求1所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述压力监测模块(14)包括压力电阻应变片(141)、压力信号采集主机箱(142)、试验用计算机(143)。

3.根据权利要求1所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述声发射检测单元(3)包括声发射传感器(31)、前置信号放大器(32)、声发射主机箱(33)、计算机单元(34)以及信号传输线缆。

4.根据权利要求2所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述压力电阻应变片(141)设置于压力施加模块(13)内并经压力信号采集主机箱(142)与试验用计算机(143)连接。

5.根据权利要求3所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述声发射传感器(31)安置于焊件(4)上并与前置放大器(32)输入端相连，前置放大器(32)输出端通过信号线缆与声发射主机箱(33)输入端相连，声发射主机箱(33)输出端经以太网线与计算机单元(34)相连。

6.根据权利要求3所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述声发射传感器(31)为耐高温传感器，该声发射传感器(31)与焊件(4)之间涂有耦合介质。

7.根据权利要求3所述的一种高速焊声发射裂纹检测系统，其特征在于所述前置放大器(32)包括模拟电路，接收和输出模拟信号电路。