一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统与流程

1.本发明涉及材料检测技术领域，特别是涉及一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统。


背景技术：

2.掌握氢氧火箭发动机技术是一个国家成为航天强国的标志之一，氢氧发动机制造过程中涉及大量的异种金属材料的焊接，会形成大量的异种金属焊缝。相比于同种材料焊接，异种材料焊接以其异种金属材料熔点差别大、线膨胀系数差别大、热导率和比热容差别大以及微观组织复杂等特点，焊接难度远大于同种材料焊接，容易造成下层进入熔深不足或者熔深过量的问题。
3.焊缝内部质量直接有效检测是焊缝质量可靠性最佳证明。目前国内外通过自动焊、电子焊等工艺实现焊缝质量可靠性的提升，但是焊缝内部质量无法实现检测，焊缝质量可靠性仍是依据焊接全过程的控制得以保证。因此，对焊缝内部质量有必要开展无损检测技术研究。然而目前焊缝无损检测技术研究中，用于验证和测试技术有效性、可靠性的检测实验主要以单层平板焊接为主，针对电铸镍高温合金多层且小厚度焊缝的异种金属焊接结构的无损检测技术研究成果报道很少。
4.一般来说，通常采用射线检测技术进行质量检测，但航空发动机推力室结构复杂，很多焊缝常规x射线无法检测。与此同时，对于目前较多使用的镍与高温合金的焊接，由于高温合金射线吸收系数较大，使检测厚度增加，降低了灵敏度，检测能力大打折扣；而超声检测时，产品声束的影响比较大，针对异种金属焊缝的检测，由于焊缝两侧为不同材料，其声束不同，检测难度大，目前对于此类焊缝的超声检测的方法尚未掌握。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统。通过阵列超声对焊缝进行检测，实现对搭接焊中焊缝下层进入熔深的精确测量。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明一方面提供一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法，包括：
8.对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件；
9.根据所述预处理试件的参数建立仿真模型；
10.对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则；
11.对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，得到校准好的超声相控阵检测设备；
12.利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值；
13.根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深。
14.可选的，所述对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件，包括：
15.对所述待检测试件表面的焊缝余高进行打磨，使焊缝与邻近母材平齐，并确保焊缝表面粗糙度不大于阈值a；
16.对打磨后的试件表面设置耦合剂，得到预处理试件。
17.可选的，所述预处理试件的参数包括上下两块焊板的材料、厚度以及焊缝的上表面宽度。
18.可选的，所述对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则，包括：采用单因素轮换法确定仿真声场最佳的聚焦深度和孔径大小；根据所述最佳的聚焦深度和孔径大小确定设备参数和聚焦法则。
19.可选的，所述对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，包括分别对超声相控阵检测设备进行声速校准、延迟校准和灵敏度校准；
20.所述声速校准包括在设备的回波类型中选择厚度，其中厚度一设置为预处理试件的厚度，厚度二设置为两倍的预处理试件的厚度；分别确定预处理试件底面的一次回波和二次回波，利用设备的闸门框住所述一次回波和二次回波，确定一次回波与二次回波之间的声程和传播时间；根据所述声程和传播时间确定校准后的声速；利用校准后的声速对超声相控阵检测设备进行声速校准。
21.可选的，所述延迟校准包括在设备的回波类型中选择厚度，其中厚度设置为预处理试件的厚度，公差设置为预处理试件的厚度的十分之一；利用设备的闸门框住预处理试件的底面回波，并前后移动设备的探头位置，确定预处理试件的声程；根据所述预处理试件的声程和已知的楔块声速确定楔块延迟；利用所述楔块延迟对所述超声相控阵检测设备进行延迟校准。
22.可选的，所述灵敏度校准包括在pa校准中选择灵敏度校准，回波类型中选择孔波，前后移动设备探头在标准试块上的位置，使包络线平滑，得到探头在标准试块上各角度的回波峰值高低差，给每个角度的声束线补偿不同的增益值，使其回波峰值高度相同，完成灵敏度校准。
23.可选的，所述利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值，包括：
24.利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值；
25.根据所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值与预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值之间的线性关系得到所述预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值；
26.所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值与预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值之间的线性关系如下所示：
27.l＝0.316l 0.122
28.其中，l表示搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值，l表示搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值。
29.可选的，根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深，包括：
30.利用搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值与焊缝下层进入熔深之间的线性关系计
算得到焊缝下层进入熔深，所述搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值与焊缝下层进入熔深之间的线性关系如下：
31.s＝2.927l 0.867
32.其中，s表示焊缝下层进入熔深，l表示搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值。
33.本发明另一方面还提供一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的系统，包括：
34.预处理模块，用于对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件；
35.模型建立模块，用于根据所述预处理试件的参数建立仿真模型；
36.仿真模块，用于对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则；
37.设备校准模块，用于对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，得到校准好的超声相控阵检测设备；
38.熔宽确定模块，用于利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值；
39.熔深确定模块，用于根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深。
40.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
41.本发明提供一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统，其中方法包括：对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件；根据所述预处理试件的参数建立仿真模型；对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则；对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，得到校准好的超声相控阵检测设备；利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值；根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深。本发明首先将声束聚焦在异种金属搭接面焊缝处，测得搭接面焊缝熔宽，再通过分析搭接面焊缝熔宽与下层进入熔深的关系，得到最终下层进入熔深的长度。有效地避免了射线检测时的灵敏度不足和超声检测时材料不同的声束传播等问题，实现了异种金属搭接焊缝连接质量的直接有效检测，提高了焊缝质量的可靠性。并且，本发明采用全覆盖仿真软件仿真模拟，对被检的异种金属搭接焊缝进行模型构建，模拟超声波在焊缝内部的声束路径，确定聚焦深度，确保声束聚焦于异种金属搭接面焊缝，使焊缝搭接面熔宽的检出更加精确，从而提高了下层进入熔深长度检测的准确性。
附图说明
42.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
43.图1为本发明处理流程示意图；
44.图2为本发明检测位置示意图；
45.图3为本发明试件仿真模型示意图；
46.图4为本发明检测界面熔宽示意图；
47.图5为本发明测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的原理示意图；
48.图6为本发明对焊缝下层进入熔深的原理解释示意图；
49.图7为本发明对焊缝熔宽的超声检测值原理解释示意图。
50.符号说明：1探头、2聚焦法则、3检测界面熔宽、4压电晶片、5楔块、6声束、7焊缝边缘、8试件。
具体实施方式
51.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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
52.异种金属搭接焊接相较于同种金属材料搭接焊接相比难度较大。原因在于异种金属材料的熔点差别大，线膨胀系数差别大，导热率和比热容差别大以及微观组织复杂。由于异种金属搭接焊接的上述困难，导致异种金属搭接焊接的焊缝的下层进入熔深不足或熔深过量的问题。对异种金属搭接焊接的焊缝进行测量包括x射线检测和超声检测。其中x射线检测存在的问题是异种金属包括高温合金，而高温合金对x射线的吸收系数较大，这会导致检测厚度比真实厚度大。检测不够准确。超声检测存在的问题是上下两层异种金属厚度小于5mm时，声束无法穿透两层之间非焊缝区域，声束衰减大、可达性差，难以检出焊缝下层进入熔深。对此，本发明提供了一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法及系统。通过阵列超声对焊缝进行检测，实现对搭接焊中焊缝下层进入熔深的精确测量。
53.在此对一些名词做出相应解释，所述焊缝下层进入熔深，是指上下两层的异种金属搭接电子束焊时，焊缝在下层金属中的达到深度，为两层异种金属间界面与焊缝尖端之间的距离。如图6所示，其中s表示焊缝下层进入熔深。
54.焊缝熔宽的金相测量值，是指采用金相法，在显微镜下观察焊缝的截面，测量异种金属间界面上焊缝的宽度，得到的宽度值。
55.焊缝熔宽的超声检测值，是指采用本发明提出的检测方法，进行相控阵线阵扫描检测，在获得的线扫图像上，测量得到的异种金属间界面回波之间的间隙宽度l。如图7所示，其中l即为焊缝熔宽的超声检测值。
56.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
57.实施例1
58.如图1所示，本实施例提供一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的方法，具体包括以下步骤：
59.s1：对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件；
60.具体的处理方法包括对所述待检测试件表面的焊缝余高进行打磨，使焊缝与邻近母材平齐，并确保焊缝表面粗糙度不大于阈值a；对打磨后的试件表面设置耦合剂，得到预处理试件。其中，a值优选为6.3μm，需要注意的使，6.3μm只是本发明提供的一种优选的实施方式，本领域技术人员可以根据实际需要选择其他数值大小的阈值。耦合剂用于确保探头1和试件的紧密接触，并确保探头1在试件上能顺利的进行滑动。
61.s2：根据所述预处理试件的参数建立仿真模型；
62.其中所述预处理试件的参数包括上下两块焊板的材料、厚度以及焊缝的上表面宽度。仿真模块根据焊缝的坡口形状、检测厚度建立仿真模型。以电子束焊缝为例，根据真空电子束焊缝的特点，焊缝形状选择v型。
63.s3：对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则；
64.其中所述对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则，包括：采用单因素轮换法确定仿真声场最佳的聚焦深度和孔径大小；根据所述最佳的聚焦深度和孔径大小确定设备参数和聚焦法则。例如，在三维画图软件中画出试样模型后导入仿真软件，确定探头1参数和聚焦方式，采用单因素轮换法，通过分别改变聚焦深度和孔径大小对搭接面焊缝处声场进行仿真，通过观察仿真声场的主瓣宽度和场强，确定最佳的聚焦深度和孔径大小参数，使得声束在搭接面焊缝处的横向分辨力最高，聚焦效果最好。超声相控阵检测设备使用超声相控阵检测仪，仪器通道为32通道，匹配频率为2-10mhz的16-32个晶片的单线阵\双线阵探头1，探头1阵元尺寸为0.4mm，阵元间距为0.5mm，探头1中心频率为5mhz，楔块选用0
°
楔块，楔块材料为有机玻璃。在相控阵检测设备中输入探头1和楔块参数，进入聚焦法则设置中将扫查方式选择线扫并确定被检测区域的声束覆盖范围，聚焦面选择平面，聚焦深度设置为上层金属板厚度，使声束聚焦在搭接面焊缝处。选择32阵元全激发，孔径大小为4，步进偏置为0。
65.s4：对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，得到校准好的超声相控阵检测设备；
66.其中，对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，包括分别对超声相控阵检测设备进行声速校准、延迟校准和灵敏度校准；声速校准包括在设备的回波类型中选择厚度，其中厚度一设置为预处理试件的厚度，厚度二设置为两倍的预处理试件的厚度；分别确定预处理试件底面的一次回波和二次回波，利用设备的闸门框住所述一次回波和二次回波，确定一次回波与二次回波之间的声程和传播时间；根据所述声程和传播时间确定校准后的声速；利用校准后的声速对超声相控阵检测设备进行声速校准。延迟校准包括在设备的回波类型中选择厚度，其中厚度设置为预处理试件的厚度，公差设置为预处理试件的厚度的十分之一；利用设备的闸门框住预处理试件的底面回波，并前后移动设备的探头1位置，确定预处理试件的声程；根据所述预处理试件的声程和已知的楔块声速确定楔块延迟；利用所述楔块延迟对所述超声相控阵检测设备进行延迟校准。灵敏度校准包括在pa校准中选择灵敏度校准，回波类型中选择孔波，前后移动设备探头1在标准试块上的位置，使包络线平滑，得到探头1在标准试块上各角度的回波峰值高低差，给每个角度的声束线补偿不同的增益值，使其回波峰值高度相同，完成灵敏度校准。在灵敏度校准中可以采用csk-ia型标准试块的深度25mm的φ2横通孔进行校准，在具体实施时，设置焊缝上部宽度与实际宽度一致，深度为检测厚度，即为4mm，并在回波峰值高度相同的前提下使得其回波高度达到80％波高。
67.s5：利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值；
68.具体的利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值，包括利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接
界面处焊缝熔宽的超声检测值；根据所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值与预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值之间的线性关系得到所述预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值；所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值与预处理试件的搭接界面处的焊缝熔宽的金相测量值之间的线性关系如下所示：
69.l＝0.316l 0.122
70.其中，l表示搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值，l表示搭接界面处焊缝熔宽的超声检测值。
71.s6：根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深。
72.具体的，根据所述搭接界面焊缝熔宽计算得到焊缝下层进入熔深，包括利用搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值与焊缝下层进入熔深之间的线性关系计算得到焊缝下层进入熔深，所述搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值与焊缝下层进入熔深之间的线性关系如下：
73.s＝2.927l 0.867
74.其中，s表示焊缝下层进入熔深，l表示搭接界面处焊缝熔宽的金相测量值。
75.以具体实施例进行说明，如图2所示，选用尺寸100x100mm的gh4169和电铸镍试板，厚度分别为4mm和5mm，将两焊接面打磨平整，并用无水乙醇清洗焊板，保证待焊接面干净无油污。以上层gh4169、下层电铸镍的方式搭接，采用真空电子束焊接方法，在板材中心处沿边进行焊接。其中，焊接电压固定60kv,焊接速度为1600mm/min,聚焦方式选择上表面聚焦，焊接电流选择55ma。打磨焊缝表面不规则的焊缝余高使其与临近母材平齐并除去影响探头1移动的粗糙物，使其表面粗糙度小于或者等于6.3μm，使探头1完全耦合并可自由移动。进行焊缝及探头1放置位置的标识并选取合适的耦合剂。
76.如图3所示，将工件模型导入仿真软件。确定探头1参数及聚焦方式，通过单因素轮换法，固定孔径大小，分别设置聚焦深度为1～9mm(步进为1mm)，观察搭接面焊缝处声场主瓣宽度和场长，确定最佳聚焦深度为4mm，再固定聚焦深度，分别设置孔径大小为4，8，16阵元宽度，观察搭接面焊缝处声场主瓣宽度和场强，确定最佳孔径大小为16。于是聚焦深度选择4mm，孔径大小为16阵元宽度。将相控阵检测设备连接计算机，打开相控阵软件连接板卡；采用32阵元的相控阵探头1，阵元尺寸为0.4mm，阵元间距为0.5mm，探头1中心频率为5mhz，选用0
°
楔块，楔块材料为有机玻璃。在相控阵软件中输入探头1和楔块参数。设置工件模型形状为双层板材，尺寸与实际工件比例为1：1。根据电子束焊缝的特点可知焊缝形状为v形，将模型中焊缝形状设置为v型，设置焊缝上部宽度与实际宽度一致，深度为检测厚度，即为4mm。进入聚焦法则计算器设置聚焦法则。选用线阵模式、运用回波法检测，聚焦面选择平面，选择32阵元激发，孔径大小为16，聚焦深度4mm,步进偏置为0。校准时，将探头1放置工件上，在声速校准中回波类型选择厚度，厚度1设置为工件厚度，厚度2设置为两倍工件厚度，找到工件底面的一次回波和二次回波，分别用闸门框住这两个波，点击校准；将探头1放置在工件上，在延迟校准中回波类型选择厚度，厚度设置为工件厚度，公差设置为厚度的十分之一，用闸门框住工件底面回波，前后推拉探头1，使包络线平滑并置于红线框内，点击校准。将探头1放在csk-ia型标准试块的深度25mm的φ2横通孔上方，选择pa校准中的灵敏度校准，回波类型选择孔波，将闸门框住横孔回波后，前后推拉探头1，使包络线平滑，点击校准。校准完成后，在待检测处施加耦合剂，将探头1横跨焊缝，调整增益，使检测界面上出现
异种金属搭接面焊缝熔宽所对应的线扫图像，存储采集的检测数据文件，根据检测数据文件计算得到熔深。此外，还可以通过相控阵超声分析软件对搭接界面熔宽进行分析测量，再根据搭接界面熔宽与下层进入熔深的关系得到下层进入熔深长度。将检测工件从检测位置横向进行线切割，得到焊缝横截面后，对截面进行金相处理得到焊缝清晰图像，对搭接面熔宽和下层进入熔深进行测量，再与超声检测搭接界面熔宽检测长度进行对比。检测结果如图4、5所示，经过测量，检测界面熔宽为1.79mm，经过金相处理后测量的焊缝下层实际进入熔深为2.89mm。而根据线性关系式计算得出预测的下层进入熔深为2.88mm，误差为0.35％。以上结论说明本发明所提出的阵列超声检测方法对于检测异种金属搭接焊缝下层进入熔深是可行的，结果是可靠的。
77.实施例2
78.本实施例提供应用实施例方法的一种测量搭接焊中焊缝下层进入熔深的系统，包括：
79.预处理模块，用于对待检测试件表面进行预处理，得到预处理试件；
80.模型建立模块，用于根据所述预处理试件的参数建立仿真模型；
81.仿真模块，用于对所述仿真模型进行仿真，确定超声相控阵检测设备参数和聚焦法则；
82.设备校准模块，用于对设置好设备参数和聚焦法则的超声相控阵检测设备进行校准，得到校准好的超声相控阵检测设备；
83.熔宽确定模块，用于利用校准好的超声相控阵检测设备检测所述预处理试件的搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值；
84.熔深确定模块，用于根据所述搭接界面处焊缝熔宽的超声测量值计算得到焊缝下层进入熔深。
85.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
86.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。