CN103245729B - 一种焊缝内部缺陷的检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊缝内部缺陷的检测方法和装置,首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，然后在焊接试块的表面进行超声波检测，通过检测的超声波回波特征与特征波形库峰度系数比对分析来判断焊缝内部是否有缺陷.实施该方法的装置包括依次连接的试验台、待测试块、超声波探伤仪、探头、耦合液组成的试块超声波检测装置和安装MATLAB软件的PC机***。本发明技术方案简单、快捷、有效，可应用于焊缝缺陷的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及焊缝缺陷的无损检测。
背景技术
目前焊缝质量的无损检测方法主要有磁粉检测法、射线检测法、电磁涡流法、渗透检测法以及超声探伤检测法。磁粉检测法观察缺陷直观快速，能确定缺陷的大小、范围和形状，具有比较高的灵敏度，但只适用于铁磁性材料，；射线检测法能直观的显示缺陷的影像，便于定性、定量分析；电磁涡流法检测速度快，对近表面缺陷有较高的灵敏度，能在高温状态下进行探伤，可用于异形材料和小零件检测；渗透检测法使用方法简单，成本低廉、现实直观、检测灵敏度高，但是只能检出零件表面开口缺陷，不适用于多孔性材料的检测，且污染材料；超声探伤检测方法，它相比以上几种检测方法而言，具有灵敏度高、指向性好、穿透力强、检测速度快、对人体没有伤害以及对试件和环境没有污染，能对缺陷进行定位和定量，适用范围广，且基于超声波的检测方法广泛应用于工业生产，医疗卫生、国防科技等领域，技术成熟。
超声波用于研究物体内部结构的方法开始于1930年，到1944年和1946年，分别在美国和英国研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，随后超声波探伤广泛进入工业检测领域，成为一种重要的无损检测方法。超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的赌约时间的，来确定缺陷和表面间的距离，测量回波信号的幅度和发射换能器的位置来确定缺陷的大小和位置。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，并成为其广泛应用的条件
激光焊接具有能量高度集中，加热冷却过程极其迅速，焊缝深宽比大，可实现高精密防污染的真空环境焊接，还能适用于其他许多传统焊接工艺方法无法完成的技术场合。在高档汽车车身与底座、飞机机翼、航天器等一些特种材料和微小接触点的焊接中，激光焊接正在取代传统的焊接。激光焊接主要分为热导焊和深熔焊两种，前者的激光功率密度等级为105W/cm2，深熔焊的功率密度等级为106W/cm2。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种焊缝内部缺陷的检测方法和装置，提供简单快捷有效的焊接件内部缺陷的无损检测技术。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种焊缝内部缺陷的检测方法，特征在于首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，然后在焊接试块的表面进行超声波检测，通过检测的超声波回波特征来判断焊缝内部是否有缺陷，具体步骤如下：
(1) 用砂纸将厚度尺寸为5 mm~15 mm之间的金属焊接件表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；
(2) 设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、探头类型(单晶或者双晶探头)、探头频率、阻尼大小、扫描范围，延迟时间、检波模式、脉冲类型等，其次准备好偶合液；
(3) 对超声波探伤仪探头进行校准，获得超声波在金属焊接件中的传播速度；此时，用超声波在金属焊接件中的传播速度和金属焊接件的厚度，计算出超声波在试块中传播时间；
(4) 采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块焊缝区域进行探伤，获得金属焊接件的超声波波形图，并记录测量位置；
(5) 采用线切割沿测量各处垂直于焊缝切割，获得的焊缝横截面先用由粗到细颗粒的砂纸依次对垂直于焊缝的侧面进行打磨；用丙酮清洗打磨后的表面，除去表面的氧化膜、污垢、毛刺等杂物，按照标准金相试样制备工序对焊缝横截面用砂纸打磨、抛光、镶嵌，放于激光共聚焦显微镜下拍摄焊缝截面图；
(6) 利用经验波形分析法，对波形图进行分析，建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，获得典型焊缝内部结构的超声波回波特征；利用超声波探伤仪对其他金属焊接件进行探伤，根据探伤精度需要，沿金属焊接件焊缝方向等距检测，获得焊接试块沿焊缝方向的波形图集合，与典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征对比分析，判断金属焊接件的焊缝是否存在缺陷。
所述经验波形分析法是指通过对超声波的第一次、第二次和第三次回波的波幅和脉宽，超声波在有缺陷的试块中传播特性以及接收波频率实质上是衰减值的一个表征来判断焊缝质量和缺陷类型的。
所述的金属焊接件为同种金属材料。
所述典型超声波回波特征是用以时间为采样点的幅值计算得出的峰度系数特征值KU来表征，KU是时间采样点幅值的统计学数值，由MATLAB手段计算得出。
将待检测金属焊接件的波形峰度系数与特征波形库进行的峰度系数比对分析，判别是否与典型超声波回波特征相符，从而确定是否存在缺陷。
所述金属焊接件厚度尺寸确定是根据超声探头的聚焦范围为参考，在聚焦范围之内。
一种实现所述焊缝内部缺陷的检测方法的装置，其特征在于：包括试验工作台1、位于试验工作台1上的金属焊接件2、检测***；所述的检测***包括安装MATLAB软件的PC机***10、超声波探伤仪9、耦合液3、双晶直探头4、超声波回波5、位于金属焊接件2上的焊缝6、焊接区域7和热影响区8；其中双晶直探头是双晶纵波探头，探头同时为发射探头和接收探头，既发射超声脉冲，又接收超声脉冲，双晶直探头和金属焊接件之间是采用通用耦合液进行耦合。
本发明具有原理创新和技术创新，根据特定材料金属焊接件建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，获得典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征，然后根据探伤精度需要，沿金属焊接件焊缝方向等距检测，获得焊接试块沿焊缝方向的波形图集合，与典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征对比分析，判断金属焊接件的焊缝是否存在缺陷，即无损探伤和焊缝截面金相组织相关联，可以获得金属焊接件焊缝内部微观结构特征，形成一种新的超声波回波无损检测新原理和技术。
本发明具有有益效果。本发明基于超声波回波探伤焊缝内部缺陷的检测方法，是在获得特定材料金属焊接件典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征的基础上沿金属焊接件焊缝方向进行无损探伤的新方法，是现有金属焊接件内部缺陷检测方法的一种补充，采用超声波对对接焊试块进行探伤，简单容易操作，具有灵敏度高、指向性好、穿透力强、检测速度快、对人体没有伤害以及对试件和环境没有污染。
附图说明
图1为金属对接焊试块的超声波检测装置
图2为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部无缺陷的焊缝截面图
图3为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部无缺陷的超声波波形图
图4为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部有缩孔缺陷的焊缝截面图
图5为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部有缩孔缺陷的超声波波形图
图中，1. 试验平台 2. 金属焊接件 3. 耦合液 4. 双晶直探头 5. 工件中超声波回波 6. 焊缝 7.对接焊区域 8. 热影响区域 9. 超声波探伤仪显示装备 10. 安装MATLAB程序的PC机***。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
实施例一：
一种基于所述超声波回波探伤的焊缝内部缺陷的检测方法，具体操作步骤如下：
1. 用砂纸将金属焊接件表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；
2. 设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、探头类型(单晶或者双晶探头)、探头频率、阻尼大小、扫描范围，延迟时间、检波模式、脉冲类型等，其次准备好偶合液；
3. 对超声波探伤仪探头进行校准，并可以获得超声波在金属焊接件中的传播速度；此时，用超声波在金属焊接件中的传播速度和金属焊接件的厚度，可以计算出超声波在试块中传播时间；
4. 采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块焊缝区域进行探伤，获得金属焊接件的超声波波形图，并记录测量位置；
5. 采用线切割沿测量各处垂直于焊缝切割，获得的焊缝横截面先用200#、500#、800#、1200#、1500#砂纸依次对垂直于焊缝的侧面进行打磨；用丙酮清洗打磨后的表面，除去表面的氧化膜、污垢、毛刺等杂物，按照标准金相试样制备工序对焊缝横截面用砂纸打磨、抛光、镶嵌，放于OLYMPUS OSL3000型激光共聚焦显微镜下拍摄焊缝截面图；
6. 利用经验波形分析法，对波形图进行分析，建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，选取内部结构存在气孔、夹渣和裂纹缺陷的焊缝的超声波回波，以及焊缝内部结构良好的超声波回波作为特征波形；
7. 将超声波探伤仪提取的四个特征波形数据导入安装MATLAB软件的PC机***中，建立起特征波形库用MATLAB计算出四个波形的峰度值系数KU；
8. 利用超声波探伤仪对其他金属焊接件进行探伤，根据探伤精度需要，沿金属焊接件焊缝方向等距检测，获得焊接试块沿焊缝方向的波形图集合，计算出波形的峰度值系数KU，与典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征对比分析，判断金属焊接件的焊缝是否存在缺陷以及缺陷的类型。
实施例二：
用本发明进行金属激光对接焊焊缝内部缺陷超声波检测装置，包括：依次相连的试验工作台1、金属焊接件2、检测***，其中检测***包括超声波探伤仪9、双晶直探头4、耦合液3、超声波回波5、安装MATLAB软件的PC机***10、焊缝6、焊接区域7和热影响区8。使用试块超声波检测***对对接焊完成金属焊接件2进行探伤，使用双晶直探头4对试块进行扫描，探头和试块之间使用耦合液3进行耦合，扫描结果在超声波探伤仪显示屏9上面显示，将超声波探伤仪储存的数据导出到PC机***10，用MATLAB软件编程计算出峰度值系数KU，与特征波形库进行比对分析，确定是否存在缺陷以及缺陷的类型。
以下为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部缺陷检测方法和装置的实例，采用激光对7075-T6铝合金进行激光对接焊试验，利用超声波探伤仪对接焊试块进行探伤并获得焊接试块的波形图，并对波形分析，制备金相组织观察试样，放于OLYMPUS OSL3000型激光共聚焦显微镜拍摄焊缝截面图。
图3为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部无缺陷的超声波波形图，图2为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部无缺陷的焊缝截面图。图2表明超声波回波清晰可见，相邻的回波间距几乎相等，并且多次回波幅值呈递减时对应的焊缝没有明显的裂纹和缩孔，焊接质量高；
图5为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部有缺陷的超声波波形图，图4为7075-T6铝合金激光对接焊焊缝内部有缺陷的焊缝截面图。图4表明超声波的第一次、第二次、第三次回波的波形与图5中无缺陷的超声波波形图相比幅度很低、首波平缓、幅值小、向后延迟，从第三次回波之后出现了回波检测不到的现象，这表明超声波在试块传播中遇到了较大的缺陷，出现了很明显的散射和频率衰减。观察发现，对应的金相组织图有明显的宽而深的裂纹和缩孔。
实验表明，激光对接焊焊缝的显微金相组织特征可以在对应的超声回波图上反应出来，且不同的缺陷回波具有自己独特的波形特征，存在一定程度上的对应关系。
Claims (7)
1.一种焊缝内部缺陷的检测方法，特征在于首先建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，然后在焊接试块的表面进行超声波检测，通过检测的超声波回波特征来判断焊缝内部是否有缺陷，具体步骤如下：
(1) 用砂纸将厚度尺寸为5 mm~15 mm之间的金属焊接件表面打磨平整，并用丙酮清洗打磨表面，以去除氧化膜、污垢、毛刺等杂物；
(2) 设置超声波探伤仪参数，分别设置扫描方式、探头角度、单晶或者双晶类型的探头、探头频率、阻尼大小、扫描范围、延迟时间、检波模式、脉冲类型，其次准备好偶合液；
(3) 对超声波探伤仪探头进行校准，获得超声波在金属焊接件中的传播速度；此时，用超声波在金属焊接件中的传播速度和金属焊接件的厚度，计算出超声波在试块中传播时间；
(4) 采用双晶直探头对试块进行探伤，将探头放在试块上面，利用超声波探伤仪对焊接试块焊缝区域进行探伤，获得金属焊接件的超声波波形图，并记录测量位置；
(5) 采用线切割沿测量各处垂直于焊缝切割，获得的焊缝横截面先用由粗到细颗粒的砂纸依次对垂直于焊缝的侧面进行打磨；用丙酮清洗打磨后的表面，除去表面的氧化膜、污垢、毛刺等杂物，按照标准金相试样制备工序对焊缝横截面用砂纸打磨、抛光、镶嵌，放于激光共聚焦显微镜下拍摄焊缝截面图；
利用经验波形分析法，对波形图进行分析，建立典型的超声波回波特征与对应的焊缝截面金相组织的对应关系，获得典型焊缝内部结构的超声波回波特征；利用超声波探伤仪对其他金属焊接件进行探伤，根据探伤精度需要，沿金属焊接件焊缝方向等距检测，获得焊接试块沿焊缝方向的波形图集合，与典型缺陷焊缝内部结构的超声波回波特征对比分析，判断金属焊接件的焊缝是否存在缺陷。
2.一种如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述经验波形分析法是指通过对超声波的第一次、第二次和第三次回波的波幅和脉宽，超声波在有缺陷的试块中传播特性以及接收波频率实质上是衰减值的一个表征来判断焊缝质量和缺陷类型的。
3.一种如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述的金属焊接件为同种金属材料。
4.一种如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述典型超声波回波特征是用以时间为采样点的幅值计算得出的峰度系数特征值KU来表征，KU是时间采样点幅值的统计学数值，由MATLAB手段计算得出。
5.一种如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法，其特征在于：将待检测金属焊接件的波形峰度系数与特征波形库进行的峰度系数比对分析，判别是否与典型超声波回波特征相符，从而确定是否存在缺陷。
6.一种如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述金属焊接件厚度尺寸确定是根据超声探头的聚焦范围为参考，在聚焦范围之内。
7.一种实现如权利要求1所述的焊缝内部缺陷的检测方法的装置，其特征在于：包括试验工作台(1)、位于试验工作台(1)上的金属焊接件(2)、检测***；所述的检测***包括安装MATLAB软件的PC机***(10)、超声波探伤仪(9)、耦合液(3)、双晶直探头(4)、超声波回波(5)、位于金属焊接件(2)上的焊缝(6)、焊接区域(7)和热影响区(8)；其中双晶直探头是双晶纵波探头，探头同时为发射探头和接收探头，既发射超声脉冲，又接收超声脉冲，双晶直探头和金属焊接件之间是采用通用耦合液进行耦合。
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