基于特征导波的焊缝缺陷检测方法与流程

1.本发明涉及超声导波无损检测技术领域，特别涉及一种基于特征导波的焊缝缺陷检测方法。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊是大型铝合金火箭贮箱的重要工艺，在长期服役过程中，由于火箭贮箱不可避免会受到应力腐蚀和周期性载荷作用，导致其的搅拌摩擦焊焊缝处成为贮箱服役过程中的薄弱区域。换言之，搅拌摩擦焊焊缝处容易出现孔洞、腐蚀等缺陷，进而会影响到贮箱质量与使用寿命等。
3.传统的超声检测技术主要采用的是逐点扫查法，该方法不仅费时费力，而且存在一定的检测盲区，导致不良后果的产生。
4.超声导波检测是近年来发展起来的无损检测新方法，由于超声波在横截面不变的窄长结构中传播会形成超声导波，而当超声导波沿着焊缝方向传播时，能量主要集中在焊缝中，沿传播路径衰减小，可以形成特定的导波模态——焊缝特征导波。利用这一特性可以将其应用于搅拌摩擦焊焊缝的缺陷检测。因此，如何借助此特性应用于搅拌摩擦焊焊缝的缺陷检测，是本领域的技术问题之一。
5.中国专利cn205210025u公开了一种检测焊缝缺陷的超声波检测系统，其包括信号发生机构、信号接收机构和用于信号处理的计算机，其中信号发生机构由信号发生器和功率放大器组成，信号接收机构由三维扫描平台和数字示波器组成；该系统三维扫描平台和数字示波器的使用增加了硬件成本，且通过计算机将所测量信号与之前实验中得出的结果对比，可判断金属是否存在焊缝缺陷，而不能得到具体焊缝缺陷的定量信息。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中不能得到具体焊缝缺陷的定量信息的不足，本发明提供一种基于特征导波的焊缝缺陷检测方法，可对焊缝缺陷进行定量化识别，实现焊缝缺陷大小的智能化诊断，且过程高效，成本较低。
7.本发明提供的一种基于特征导波的焊缝缺陷检测方法，包括下列步骤：在焊接板结构上设置激励传感器和接收传感器，通过接收传感器接收激励传感器发出的特征导波信号获得焊接板结构的无损包络图；在焊接板结构上布置缺陷，依据特征导波信号获得有损包络图；比对无损包络图与有损包络图中的波包，确定有损包络图中的缺陷波包；改变缺陷的尺寸，比较缺陷波包的幅值大小，以获得缺陷定量化识别曲线。
8.在一实施例中，所述在焊接板结构上设置激励传感器和接收传感器的步骤是依据焊接板结构的几何特征进行设置。优选的，激励传感器和接收传感器可设置在焊接板结构的焊缝处。
9.在一实施例中，所述比对无损包络图与有损包络图中的波包，确定有损包络图中的缺陷波包的步骤是依据群速度比值进行判断。
10.在一实施例中，所述缺陷定量化识别曲线是通过拟合各缺陷的尺寸与各缺陷波包的幅值数据获得。进一步的，所述缺陷定量化识别曲线的公式为：f(x)＝mx2 nx z，其中，f(x)是缺陷波包幅值，x是缺陷的尺寸，m、n、z是通过拟合数据方式得到的对应系数。
11.在一实施例中，所述基于特征导波的焊缝缺陷检测方法还包括下列步骤：依据缺陷定位公式定位未知缺陷的位置，所述缺陷定位公式如下：
[0012][0013]
其中，t
ad
是指缺陷波包的波峰时刻，t
ab
是指特征导波端面回波波包的波峰时刻，t
off
是指特征导波信号的飞行时间，l1是激励传感器到接收传感器的距离，l2是特征导波到端面的距离。
[0014]
在一实施例中，所述激励传感器和所述接收传感器是采用压电片。
[0015]
在一实施例中，所述激励传感器和所述接收传感器是使用粘性耦合剂耦合于焊接板结构上。
[0016]
在一实施例中，所述改变缺陷的尺寸的步骤，是以1mm的间隔尺寸逐步增大缺陷。
[0017]
在一实施例中，通过脉冲回波监测模式，并对特征导波回波信号进行模态分析和信号处理得到各包络图。
[0018]
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的基于特征导波的焊缝缺陷检测方法，借由缺陷定量化识别曲线，可以对焊缝上的缺陷进行定量化识别，识别焊缝缺陷大小等信息，且过程高效，成本较低；借由缺陷定位公式，可以快速定位未知缺陷的位置。整体而言，本发明利用特征导波的特性，无需逐点扫描，便可实现长距离、大范围的缺陷检测，对焊缝缺陷进行定位与定量化识别，缩短检修维护的时间和经济成本，提高结构的安全性和可靠性，保证火箭安全服役。
[0019]
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
[0021]
图1是本发明基于特征导波的焊缝缺陷检测方法的流程示意图；
[0022]
图2是焊接板结构、传感器及缺陷的布置结构示意图；
[0023]
图3是焊接板结构的无损包络示意图；
[0024]
图4是焊接板结构的有损包络示意图；
[0025]
图5是幅值与缺陷孔径的拟合示意图；
[0026]
图6为激励信号的包络示意图；
[0027]
图7为接收特征导波的包络示意图。
[0028]
附图标记：
[0029]
10
‑
焊接板结构
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
上端面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14
‑
下端面
[0030]
16
‑
侧端面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18
‑
激励传感器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20
‑
接收传感器
[0031]
22
‑
缺陷
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
24
‑
焊缝
具体实施方式
[0032]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
[0034]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035]
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
[0036]
请参阅图1，图1是本发明基于特征导波的焊缝缺陷检测方法的流程示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种基于特征导波的焊缝缺陷检测方法。该方法包括下列步骤：
[0037]
s100：在焊接板结构上设置激励传感器和接收传感器，通过接收传感器接收激励传感器发出的特征导波信号获得焊接板结构的无损包络图；
[0038]
s200：在焊接板结构上布置缺陷，依据特征导波信号获得有损包络图；
[0039]
s300：比对无损包络图与有损包络图中的波包，确定有损包络图中的缺陷波包；
[0040]
s400：改变缺陷的尺寸，比较缺陷波包的幅值大小，以获得缺陷定量化识别曲线。
[0041]
一般而言，步骤s100中的激励传感器和接收传感器是设置在焊接板结构的焊缝处，便于在窄长的焊缝中传播声波形成焊缝的特征导波。此外，还可获得无损包络图中各波包的属性，构建出焊接板结构的基准信号，以利于步骤s300中确定缺陷波包。在一实施例中，可根据焊接板结构的几何特征设置激励传感器和接收传感器，保证数据的可靠性。
[0042]
步骤s200中的缺陷是布置于焊接板结构的焊缝处，以保证后续得到的缺陷定量化识别曲线的精准性。所述有损包络图是指带有缺陷信息的包络图。
[0043]
在步骤s300中，可以是依据群速度的比值来确定有损包络图中的缺陷波包。所述群速度是指包络图中的波包上任一恒定相位点的推进速度。
[0044]
在步骤s400中，可以是通过将各缺陷的尺寸与对应的各缺陷波包的幅值数据拟合于matlab中，从而得出缺陷定量化识别曲线。优选的，所述缺陷定量化识别曲线的公式为：f(x)＝mx2 nx z，其中，f(x)是缺陷波包幅值，x是缺陷的尺寸，m、n、z是通过拟合数据方式得到的对应系数。具体来说，m为拟合曲线的开口方向及开口程度，
‑
n/2m为拟合曲线的对称轴，z为拟合曲线与y轴的交点。
[0045]
请参阅图2、图3和图4，图2是焊接板结构10、传感器及缺陷22的布置结构示意图，图3是焊接板结构10的无损包络示意图，图4是焊接板结构10的有损包络示意图。为了清楚阐述基于特征导波的焊缝缺陷22检测方法，现结合图2至图4举例说明，此举例说明仅仅是便于理解，并非用以限定本发明。
[0046]
焊接板结构10是采用铝2219搅拌摩擦焊焊接板，其尺寸为620mm*300mm。焊接板结构10具有上端面12、下端面14、侧端面16以及焊缝24，焊缝24上设置有激励传感器18、接收传感器20以及缺陷22。上端面12与下端面14的尺寸相同，都是620mm，侧端面16的尺寸为300mm，焊缝24是由下端面14延伸至上端面12，焊缝24的宽度为20mm。激励传感器18与接收传感器20本体的长度为12mm，激励传感器18的中心点与接收传感器20的中心点的距离是18mm，设置的缺陷22到激励传感器18的中心点的距离是240mm。
[0047]
首先，在还未设置缺陷22的时候，通过激励传感器18发射特征导波与接收传感器20接收特征导波形成焊接板结构10的无损包络图(如图3)，构建出基准信号。其中，特征导波到上端面12的反射距离l1＝(300
‑
6) (300
‑
18
‑
6)＝570mm，特征导波经上端面12反射再经下端面14反射至接收传感器20的距离l2＝570 24 24＝618mm，特征导波到侧端面16的反射距离为l3＝300 300＝600mm。关于特征导波的采样率为48m/s，采样点数为12000，采样时间＝采样点数/采样率＝250μs。本实施例是在160khz下，激发的s0特征导波速度c
p_s0
为5390m/s，a0特征导波速度c
p_a0
为3250m/s，激励信号时间为t0＝18μs，激励信号时间也就是特征导波的飞行时间。
[0048]
以图中波包
①
为例，波包
①
的时间为:
[0049][0050]
群速度为:
[0051]
[0052][0053]
此群速度与160khz下s0特征导波速度的相对误差为:
[0054][0055][0056]
由于上端面12与侧端面16距离较近，回波信号发生混叠现象，通过与s0特征导波速度比较，相对误差较小，因此，可确定波包
①
是s0特征导波在上端面12与侧端面16一次反射的信号波包。
[0057]
根据下端面14及已知s0特征导波速度，可以预判出下端面14的一次反射信号波包位置，通过计算可得出波包
②
的群速度为4409m/s，与实际计算上端面12的群速度4866m/s对比，其误差为9.39％，因此确定波包
②
为s0特征导波在下端面14的一次反射信号波包。同理，上端面12与侧端面16距离较近，回波信号发生混叠现象，通过计算，波包
③
的群速度分别为3064m/s和3225m/s，根据频散曲线a0特征导波的群速度为3250m/s，两者的相对误差为9.72％和4.16％，波包
③
为a0特征导波在上端面12与侧端面16的一次反射信号波包；波包
④
的群速度为3022m/s，与a0特征导波的群速度3250m/s对比，其误差为7.02％，因此波包
④
为a0特征导波在下端面14处的一次反射信号波包。通过该过程，构建出焊接板结构10的基准信号。
[0058]
接着，在焊缝24处设置缺陷22，缺陷22的直径为2mm。特征导波到缺陷22的反射距离l
s
＝240 (240
‑
18)＝462mm。通过激励传感器18发射特征导波与接收传感器20接收特征导波形成焊接板结构10的有损包络图(如图4)。此波包的时间为：
[0059][0060]
群速度为：
[0061][0062]
与s0特征导波的相对误差为：
[0063][0064]
因而可确定此波包为s0特征导波的缺陷22波包。
[0065]
后续，逐步扩大缺陷22的尺寸(每次增加1mm)，并记录每次扩大缺陷22后对应的缺陷22波包幅值，以表1与图5为例，表1是缺陷22扩大损伤统计表，图5为幅值与缺陷22孔径的拟合示意图。其中，y即f(x)是缺陷22波包幅值，x是缺陷22的尺寸。
[0066]
表1
[0067] 无损状态2mm3mm4mm5mm6mmx/mm023456y/v0.0092160.052740.06010.075150.080430.09018
[0068]
通过在matlab中进行数据拟合，最终得到的缺陷定量化识别曲线为：f(x)＝
‑
0.001513x2 0.2209x 0.01037。该曲线的均方误差re＝0.9909。通过得到的缺陷定量化识别曲线便可对焊缝24上的缺陷22进行定量化识别，将缺陷22波包的幅值代入曲线公式，即可求得该缺陷22的尺寸大小。
[0069]
在一实施例中，基于特征导波的焊缝缺陷检测方法还包括以下步骤：
[0070]
s500：依据缺陷定位公式定位未知缺陷的位置。
[0071]
其中，所述缺陷定位公式如下：
[0072][0073]
t
ad
是指缺陷波包的波峰时刻，t
ab
是指特征导波端面回波波包的波峰时刻，t
off
是指特征导波信号的飞行时间，l1是激励传感器到接收传感器的距离，l2是特征导波到端面的距离。
[0074]
具体来说，请参阅图6和图7，图6为激励信号的包络示意图，图7为接收特征导波的包络示意图。需要说明的是，本实施例是采取pules
‑
echo(脉冲回波)监测模式，特征导波回波信号携带了焊缝的结构信息和缺陷信息，并对回波信号进行模态分析和信号处理，得到激励信号的包络图与接收特征导波的包络图，图6与图7的0点坐标时刻是同一时刻，是采用飞行时间法计算位置关系。通过pules
‑
echo监测模式，可解决特征导波在传播过程与端面、缺陷综合作用，发生反射、散射和透射以及模态转换，具有多模态、波包混叠的问题。
[0075]
如图中所示，波包
⑤
是激励信号波包，其设置的飞行时间为t
off
，也就是特征导波的飞行时间；波包
⑥
是特征导波在缺陷的反射波包，其波峰时刻为t
ad
；波包
⑦
是特征导波在端面的回波，若是对应于图2的话，则是特征导波在上端面12的回波，其波峰时刻为t
ab
；l1是激励传感器18到接收传感器20的距离，若是对应于图2的话，则是18mm，需要说明的是，此距离并非间距，而是激励传感器18中心到接收传感器20中心的距离；l2是特征导波到端面的距离，若是对应于图2的话，则是570mm；v
a
是特征导波的速度。
[0076]
波包
⑥
对应的缺陷位置为：
[0077]
l
d
＝[v
a
*(t
dd
‑
t
off
) l1]/2波包
⑦
对应的端面位置为：
[0078]
l2＝[v
a
*(t
ab
‑
t
off
) l1]/2
[0079]
结合上述二式，得最终的缺陷定位公式：
[0080][0081]
进一步说明，结合步骤s400中的缺陷定量化识别曲线与s500的缺陷定位公式便可对焊缝上的新增缺陷进行定位与定量化识别。换言之，先通过缺陷定位公式定位此新增缺陷的位置，再将此缺陷波包的幅值代入缺陷定量化识别曲线，得到此缺陷的尺寸大小。
[0082]
在一实施例中，所述激励传感器18和所述接收传感器20可以是采用压电片。进一步的，所述激励传感器18和所述接收传感器20可以是使用粘性耦合剂耦合于焊接板结构10上，确保紧密连接，提升准确度。
[0083]
在一实施例中，本案是通过脉冲回波监测模式，并对特征导波回波信号进行模态分析和信号处理得到各包络图。
[0084]
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于特征导波的焊缝缺陷检测方法，借
由缺陷定量化识别曲线，可以对焊缝上的缺陷进行定量化识别，识别焊缝缺陷大小等信息，且过程高效，成本较低；借由缺陷定位公式，可以快速定位未知缺陷的位置。整体而言，本发明利用特征导波的特性，无需逐点扫描，便可实现长距离、大范围的缺陷检测，对焊缝缺陷进行定位与定量化识别，缩短检修维护的时间和经济成本，提高结构的安全性和可靠性，保证火箭安全服役。
[0085]
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
[0086]
尽管本文中较多的使用了诸如特征导波、群速度、飞行时间等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0087]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。