CN110231400A - 面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法 - Google Patents

面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，由RAM‑5000‑SNAP***激发出高能量的单频RF脉冲信号，在经过衰减、经滤波后，驱动固定于被测试样一端的超声换能器，向试样中输入单一频率的超声波。输入的超声波在试样内传播过程中与被测试样发生相互作用，使得超声波发生畸变，产生高频成分的超声波。而固定在被测试样另一端的超声换能器将釆集到穿过试样的超声波信号，然后对采集到的信号进行快速傅里叶变换分析，得到基波幅值和二次谐波幅值。本发明方法具有更高的时域分辨率和缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。

Description

面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法。
背景技术
在航天、核工业、压力容器等现代工业装备结构中，存在着大量的焊缝。由于在该类型结构中的焊缝受力状况复杂、焊接条件差，焊接时易出现裂纹、未熔合等缺陷；而服役运行期间也容易萌发疲劳裂纹，产生重大安全隐患，因此为了确保焊缝结构的安全性，必须对此类焊缝质量进行控制。
目前对于焊缝微小缺陷检测的研究几乎都停留在线性声学层次，无法对微裂纹做到有效检测，微裂纹检测必须用到非线性超声技术，它对于结构中疲劳裂纹的检测非常敏感，能够十分准确的判断出结构中是否有微裂纹的存在。采用通用超声检测设备，并结合高通滤波技术，获取了非线性超声的高次谐波信号，并将其用于焊缝微小缺陷检测。较之传统的超声检测方法，采用高通滤波技术获取非线性超声高次谐波信号检测的技术，具有更高的时域分辨率和缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，具有更高的时域分辨率和缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，该方法包括以下步骤，步骤1：***激发高能单频RF脉冲信号(由RAM-5000-SNAP***激发高能(高能射频(RF)声脉冲群输出，频率为7MHz时，功率可达5kW)单频RF脉冲信号，可以是单频正弦波信号)经衰减、滤波后，驱动被测试样一端的超声换能器，向试样中输入单一频率的超声波。
步骤2：输入的超声波在试样内传播过程中与被测试样发生相互作用，使超声波发生畸变，产生高频成分的超声波。
步骤3：设置在被测试样另一端的超声换能器釆集到穿过试样的超声波信号。
步骤4：对采集到的信号进行快速傅里叶变换分析，得到基波幅值和二次谐波幅值。
按上述技术方案，在步骤1之前根据缺陷试件的参数信息分别确定相匹配的超声探头的参数和相匹配的超声换能器的参数。
通过缺陷试件的参数确定相匹配的超声探头和超声换能器，以便更好的激发单一频率正弦波信号，便于驱动超声换能器信号输出的有效进行，便于后续根据采集到的回波信号进行FFT变换，从而计算出材料的非线性系数β。
按上述技术方案，所述缺陷试件的参数信息包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声波传播速度和微裂纹的缺陷范围，所述超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声换能器的参数包括探头的孔径大小和中心频率。
通过缺陷试件的尺寸、材料、声波传播速度和微裂纹的缺陷范围，便于确定更精确的激励信号，通过超声探头的孔径大小、中心频率和采样频率，便于确定更匹配的超声探头，通过超声换能器的探头的孔径大小和中心频率，便于确定更匹配的超声换能器，从而便于确定更好进行信号的激励和收集，提高焊缝微小缺陷的检测精度。
按上述技术方案，所述步骤1中滤波处理具体为：由于高次谐波幅值和基波幅值相比较小，高次谐波信号存在完全被基波幅值掩盖的可能，采用数字高通滤波的信号处理方法，提取高次谐波信号。通过数字高通滤波的信号处理方法，可以有效识别并提取高次谐波信号。
按上述技术方案，所述步骤3中信号采集具体步骤为：
步骤31：在发射换能器前加5MHz低通滤波器，以减小高频信号对发射信号的影响，使发射换能器产生的信号尽量单一；
步骤32：在接收换能器和信号接收端口之间，连接10MHz的带通滤波器，能保存10MHz左右的频谱信息进行增益，使用这种方式，可以有效解决高次谐波能量小，提取困难的问题。
按上述技术方案，所述步骤4中具体实现为：
固体介质都具有非线性的特征，比如微结构缺陷引起的非线性特征等，固体介质的非线性特征一般通过高阶弹性常数来描述。材料的非线性系数β计算公式为：
式中k为波数，与声波频率和波速有关，x为声波传播距离。
当声波频率和超声波传播距离一定时，由上式可知，测量出基波和二次谐波幅值A1和A2的值，就可确定材料的超声非线性系数，由此可进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。
本发明还提供一种用于面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法的装置，包括信号发生器单元、滤波器单元、压电传感器单元、信号采集单元、快速傅里叶变换单元、基波和二次谐波幅值及非线性系数获取单元；信号发生器单元，用于产生单一频率(正弦波)射频信号；滤波器单元，用于(采用美国RETIC公司的高能低通滤波器来)滤除功率放大器射频门产生的高频干扰；压电传感器单元，用于被驱动后，向试件中输入单频超声波和采集被测试件中传来的包含有高频成分的超声波信号；信号采集单元，用于采集所述单频正弦波信号与所述焊缝微小缺陷相互作用的回波信号；FFT变换单元，用于实现非线性信号的时频域转换；基波和二次谐波幅值单元，用于非线性系数的测量计算；非线性系数获取单元，用于进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。
料性能退化总是会伴随着某种材料非线性力学行为，即材料本构方程会出现非线性项，从而引起了超声导波在固体介质中传播表现出非线性，实验研究上表现为发射一个谐波信号，通过接收仪器可以获得高次谐波，并且谐波频率为基频频率的整数倍。所以超声非线性检测的基本方法就是把材料退化后的性质同有限一次和二次谐波幅值A1和A2联系起来。
按上述技术方案，还包括汉宁窗调制单元；汉宁窗调制单元用于减少自身和随机因素产生的谐波干扰，使信号边频带平滑，减少射频信号中高次谐波成分；焊缝微小缺陷试件的参数包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和微裂纹缺陷范围，低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声换能器的参数包括孔径大小和中心频率。汉宁窗在大多数场合很有效，由于它具有良好的频率分辨率，并降低了频率泄漏，当不了解信号的特性时，可以从汉宁窗开始。在实验中根据这些窗函数的特性，对于连续正弦波选用的是矩形窗函数，而射频脉冲波采用的是汉宁窗。
本发明产生的有益效果是：通过测量穿过固体介质产生畸变的超声波的基波幅值A1和二次谐波幅值A2，来得到材料的非线性系数，由此可进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。较之传统的超声检测方法，采用高通滤波技术获取非线性超声的高次谐波信号检测技术，具有更高的时域分辨率和缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测技术的流程示意图；
图2为本发明的基于汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：如图1所示，为面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测技术，包括以下步骤：
S1：由SNAP***激发高能单频RF脉冲信号，经衰减、滤波后，驱动被测试样一端的超声换能器，向试样中输入单一频率的超声波；
S2：输入的超声波在试样内传播过程中与被测试样发生相互作用，使超声波发生畸变，产生高频成分的超声波；
S3：固定在被测试样另一端的超声换能器将釆集到穿过试样的超声波信号；
S4：对采集到的信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析，最终得到基波幅值和二次谐波幅值。
本实施例采用的是规格为300mm*300mm*16mm，材质为Q235的自然焊缝缺陷试件。本实施例中通过测量穿过固体介质产生畸变的超声波的基波幅值A1和二次谐波幅值A2，来得到材料的非线性系数，由此可进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。较之传统的超声检测方法，采用非线性检测技术具有更高的时域分辨率及缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。
优选地，采用Abaqus有限元软件计算焊缝微小缺陷长度、数量和宽度对超声非线性系数的影响。计算结果表明，材料疲劳产生的微小缺陷是产生二次谐波的原因。有限元方法可以有效模拟焊缝微小缺陷的超声非线性效应。试验结果表明,超声非线性系数可以表征材料的疲劳退化过程,特别是对疲劳早期损伤非常敏感。有限元计算结果与试验结果相吻合。
实施例二：如图2所示，为面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测技术的结构示意图，包括SNAP信号激发***、低通滤波器、超声换能器、焊缝微小缺陷试件、带通滤波器、信号采集装置、信号分析成像***。
所述SNAP***激发出高能量的单频正弦波信号；所述信号在经过衰减、经滤波后，驱动固定于被测试样一端的超声换能器，向试样中输入单一频率的超声波；所述输入的超声波在试样内传播过程中与被测试样发生相互作用，使得超声波发生畸变，产生高频成分的超声波。而所述固定在被测试样另一端的超声换能器将釆集到穿过试样的超声波信号，然后对采集到的信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析，最终得到基波幅值和二次谐波幅值。滤波器单元采用美国RETIC公司的高能低通滤波器。
优选地，通过测量穿过固体介质产生畸变的超声波的基波幅值A1和二次谐波幅值A2，来得到材料的非线性系数。由此可进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。本发明提出面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测技术，较之传统的超声检测方法，采用非线性检测技术具有更高的时域分辨率及缺陷敏感度，能更加准确地确定焊缝内部微小缺陷的位置和尺寸。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤1：***激发高能单频RF脉冲信号经衰减、滤波后，驱动被测试样一端的超声换能器，向试样中输入单一频率的超声波；
步骤2：输入的超声波在试样内传播过程中与被测试样发生相互作用，使超声波发生畸变，产生高频成分的超声波；
步骤3：设置在被测试样另一端的超声换能器釆集到穿过试样的超声波信号；
步骤4：对采集到的信号进行快速傅里叶变换分析，得到基波幅值和二次谐波幅值。
2.根据权利要求1所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，在步骤1之前根据缺陷试件的参数信息分别确定相匹配的超声探头的参数和相匹配的超声换能器的参数。
3.根据权利要求2所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，所述缺陷试件的参数信息包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声波传播速度和微裂纹的缺陷范围，所述超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声换能器的参数包括探头的孔径大小和中心频率。
4.根据权利要求1或2或3所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，所述步骤1中滤波处理具体为：采用数字高通滤波的信号处理方法，提取高次谐波信号。
5.根据权利要求1或2或3所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，所述步骤3中信号采集具体步骤为：
步骤31：在发射换能器前加5MHz低通滤波器；
步骤32：在接收换能器和信号接收端口之间，连接10MHz的带通滤波器。
6.根据权利要求1或2或3所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法，其特征在于，所述步骤4中具体实现为：
材料的非线性系数β计算公式为：
式中k为波数，x为声波传播距离，当声波频率和声波传播距离一定时，测量出基波和二次谐波幅值A1和A2的值，就可确定材料的超声非线性系数，由此可进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。
7.一种用于面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测方法的装置，其特征在于，包括信号发生器单元、滤波器单元、压电传感器单元、信号采集单元、快速傅里叶变换单元、基波和二次谐波幅值及非线性系数获取单元；
信号发生器单元，用于产生单一频率射频信号；
滤波器单元，用于滤除功率放大器射频门产生的高频干扰；
压电传感器单元，用于被驱动后，向试件中输入单频超声波和采集被测试件中传来的包含有高频成分的超声波信号；
信号采集单元，用于采集所述单频正弦波信号与所述焊缝微小缺陷相互作用的回波信号；
FFT变换单元，用于实现非线性信号的时频域转换；
基波和二次谐波幅值单元，用于非线性系数的测量计算；
非线性系数获取单元，用于进一步了解材料的力学性能变化以及材料的微观结构变化情况。
8.根据权利要求7所述的面向汽车焊缝微小缺陷的高清晰度非线性检测装置，其特征在于，还包括汉宁窗调制单元；汉宁窗调制单元用于减少自身和随机因素产生的谐波干扰，使信号边频带平滑，减少射频信号中高次谐波成分；焊缝微小缺陷试件的参数包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和微裂纹缺陷范围，低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声换能器的参数包括孔径大小和中心频率。
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