超薄金属焊缝检测系统及其检测方法

摘要

本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，其包括扫查组件以及图像分析组件，所述扫查组件用于对超薄金属焊缝进行扫查，获取焊缝成像并发送至所述图像分析组件，所述图像分析组件用于对接收到的焊缝成像进行分析判断，所述扫查组件包括轨道、超声相控阵扫查架、超声时差衍射检测探头以及多个超声探头，所述超声相控阵扫查架能够卡设在所述轨道上并在所述轨道上滑动，本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，其同时采用超声相控阵PAUT、超声时差衍射法TOFD、常规成像超声UT三种方法结合对焊缝进行检测，更直观地检测未焊透缺陷，防止焊缝在使用过程中产生裂纹。

权利要求

1.一种超薄金属焊缝检测系统，包括扫查组件以及图像分析组件，所述扫查组件用于对超薄金属焊缝进行扫查，获取焊缝成像并发送至所述图像分析组件，所述图像分析组件用于对接收到的焊缝成像进行分析判断，其特征在于：所述扫查组件包括轨道、卡设在所述轨道上并在所述轨道上滑动的超声相控阵扫查架、超声时差衍射检测探头以及多个超声探头，所述超声相控阵扫查架设置有超声相控阵检测探头，所述超声相控阵扫查架包括与所述轨道连接的驱动机构、第一编码器、连接机构以及探头加载臂，所述驱动机构包括驱动支架、驱动轮以及滚轮，所述驱动支架的两侧各设有两个滚轮，所述驱动支架借助于滚轮能沿轨道滑动，所述驱动轮调整所述驱动支架的宽度以及所述滚轮的角度以适应不同曲率的工件表面，所述驱动支架的第一侧部与所述第一编码器固定连接，所述连接机构包括横向连接板、纵向连接板以及调节连接板，所述横向连接板的第一端部固定在所述驱动支架的第二侧部上，所述横向连接板的第二端部通过弹性件与所述纵向连接板的上部固定连接，所述纵向连接板的下部固定有所述调节连接板，所述调节连接板连接有所述探头加载臂；以及所述超声探头、超声相控阵检测探头或超声时差衍射检测探头分别与所述图像分析组件通讯连接。

2.根据权利要求1所述的超薄金属焊缝检测系统，其特征在于：所述驱动支架的第一侧部的两个所述滚轮之间的距离小于第二侧部的两个所述滚轮之间的距离，所述滚轮通过中部的凹槽卡接在所述轨道板的两侧并能沿所述轨道板滑动。

3.根据权利要求2所述的超薄金属焊缝检测系统，其特征在于：所述轨道包括轨道支架以及轨道板，所述轨道支架包括底座、调节件以及轨道连接板，所述调节件的上部与所述轨道连接板固定连接，所述调节件的下部与所述底座固定连接并将底座吸附固定在平面上，所述调节件配置用于调整所述轨道支架的高度，所述轨道板的两端分别与所述轨道连接板固定。

4.根据权利要求3所述的超薄金属焊缝检测系统，其特征在于：所述轨道板为直轨道板或弧形轨道板。

5.根据权利要求4所述的超薄金属焊缝检测系统，其特征在于：所述弧形轨道板的弧度大于60°。

6.一种超薄金属焊缝检测方法，其特征在于：其包括以下步骤，

S1、根据金属板的厚度及形状选取超声相控阵检测探头、超声时差衍射检测探头以及常规成像超声探头的一种、两种或三种方式进行检测，具体选择方式如下：①当焊缝大于6mm时，利用超声相控阵检测探头和超声时差衍射检测探头对焊缝进行检测；

②当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测，将单探头发射45°的超声波束入射到工件根部的端角区域时,会接收到较强的端角反射信号,信号深度与根部区域深度一致；

S2、当焊缝大于6mm时，将超声相控阵检测探头安装在超声相控阵扫查架上，将超声时差衍射检测探头安装在手持架上，分别利用超声相控阵扫查架以及手持架对焊缝进行检测，并将获取的扫描图像分别发送到图像分析组件；

当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测，获取焊缝成像，并将成像发送至图像分析组件，超声检测时探头置于距离焊缝中心线某一固定值的位置，探头沿平行于焊缝方向移动，探头置于偏转角为90°或270°的位置；

S3、对焊缝成像进行分析，判断焊缝的焊接状况，具体包括：

对于大于6mm的焊缝，将超声相控阵检测探头获取的图像与第一缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量A，将将超声时差衍射检测探头获取的图像与第二缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量B及焊缝差值A-B，当焊缝差值A-B范围处于-2至2时，判断此次检测有效，输出缺陷结果，当差值范围处于-2至2之外时，判断此次检测无效；

对于小于6mm的焊缝，当焊缝成像输出为红线时，则金属焊缝未焊透；当焊缝成像输出红点时，则金属焊缝焊接度过大，当焊缝成像未输出红线或红点时，则金属焊缝焊接正常。

7.根据权利要求6所述的超薄金属焊缝检测方法，其特征在于：所述超声相控阵检测探头为弧形晶片，所述弧形晶片安装有内外弧度楔块。

8.根据权利要求6所述的超薄金属焊缝检测方法，其特征在于：超声时差衍射检测探头的频率为20MHz。

9.根据权利要求6所述的超薄金属焊缝检测方法，其特征在于：S2中利用常规成像超声探头对焊缝进行检测时，检测过程中常规成像超声探头通过时间扫查成像或通过探头加装编码器扫描成像。

10.根据权利要求6所述的超薄金属焊缝检测方法，其特征在于：S1中，当需要检测工件根部焊接情况时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测。

说明书

超薄金属焊缝检测系统及其检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属焊缝检测领域，具体地涉及一种超薄金属焊缝检测系统及其检测方法。

背景技术

[0002] 超声波检测钢焊缝国家有专用的标准GB/T11345-2013。在船舶行业也有相应标准CB/T3559-2011，但是超薄金属对接焊缝的检验没有专用的标准，这样对于DAC曲线、探头频率选择以及缺陷的评定造成了一定上技术难度，使检测不能正常进行，在检测时工作人员不知道选择哪种探头以及检测方法进行检测，造成浪费了大量的时间，而且检测结果也不准确。

[0003] 另一方面，在金属薄板检测领域，还尚未有人使用相控阵以及常规的超声探头进行检测，而且目前的扫查装置主要针对磁性材料的超声检测，缺乏针对非磁性金属薄板进行超声无损检测的扫查装置，并且现有的扫查装置设计结构普遍较复杂，不便于拆卸和维护，无法保证高精度地扫查检测，限制其在复杂工况条件下的使用。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，其同时采用超声相控阵PAUT、超声时差衍射法TOFD、常规成像超声UT三种方法结合对焊缝进行检测，更直观的检测未焊透缺陷，防止焊缝在使用过程中产生裂纹。

[0005] 本发明是这样实现的：

[0006] 本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，包括扫查组件以及图像分析组件，所述扫查组件用于对超薄金属焊缝进行扫查，获取焊缝成像并发送至所述图像分析组件，所述图像分析组件用于对接收到的焊缝成像进行分析判断，所述扫查组件包括轨道、卡设在所述轨道上并在所述轨道上滑动的超声相控阵扫查架、超声时差衍射检测探头以及多个超声探头，所述超声相控阵扫查架设置有超声相控阵检测探头，所述超声相控阵扫查架包括与所述轨道连接的驱动机构、第一编码器、连接机构以及探头加载臂，所述驱动机构包括驱动支架、驱动轮以及滚轮，所述驱动支架的两侧各设有两个滚轮，借助于滚轮能沿轨道滑动，所述驱动轮用于调整所述驱动支架的宽度以及所述滚轮的角度以适应不同曲率的工件表面，所述驱动支架的第一侧部与所述第一编码器固定连接，所述连接机构包括横向连接板、纵向连接板以及调节连接板，所述横向连接板的第一端部固定在所述驱动支架的第二侧部上，所述横向连接板的第二端部通过弹性件与所述纵向连接板的上部固定连接，所述纵向连接板的下部固定有所述调节连接板，所述调节连接板连接有所述探头加载臂；所述超声探头、超声相控阵检测探头或超声时差衍射检测探头分别与所述图像分析组件通讯连接。

[0007] 优选地，所述驱动支架的第一侧部的两个所述滚轮之间的距离小于第二侧部的两个所述滚轮之间的距离，所述滚轮通过中部的凹槽卡接在所述轨道板的两侧并能沿所述轨道板滑动。

[0008] 优选地，所述包括轨道支架以及轨道板，所述轨道支架包括底座、调节件以及轨道连接板，所述调节件的上部与所述轨道连接板固定连接，所述调节件的下部与所述底座固定连接并将底座吸附固定在平面上，所述调节件配置用于调整所述轨道支架的高度，所述轨道板的两端分别与所述轨道连接板固定。

[0009] 优选地，所述轨道板为直轨道板或弧形轨道板。

[0010] 优选地，所述轨道板的弧度大于60°。

[0011] 本发明还提供一种超薄金属焊缝检测方法，其包括以下步骤：

[0012] S1、根据金属板的厚度及形状选取超声相控阵检测探头、超声时差衍射检测探头以及常规成像超声探头的一种、两种或三种方式进行检测，具体选择方式如下：

[0013] ①当焊缝大于6mm时，利用超声相控阵检测探头和超声时差衍射检测探头对焊缝进行检测；

[0014] ②当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测，将单探头发射45°的超声波束入射到工件根部的端角区域时,会接收到较强的端角反射信号,信号深度与根部区域深度一致；

[0015] S2、当焊缝大于6mm时，将超声相控阵检测探头安装在超声相控阵扫查架上，将超声时差衍射检测探头安装在手持架上，分别利用超声相控阵扫查架以及手持架对焊缝进行检测，并将获取的扫描图像分别发送到图像分析组件；

[0016] 当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测，获取焊缝成像，并将成像发送至图像分析组件，超声检测时探头置于距离焊缝中心线某一固定值的位置，探头沿平行于焊缝方向移动，探头可以置于偏转角为90°或270°的位置；

[0017] S3、对焊缝成像进行分析，判断焊缝的焊接状况，具体包括：

[0018] 对于大于6mm的焊缝，将超声相控阵检测探头获取的图像与第一缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量A，将将超声时差衍射检测探头获取的图像与第二缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量B及焊缝差值A-B，当焊缝差值A-B范围处于-2至2时，判断此次检测有效，输出缺陷结果，当差值范围处于-2至2之外时，判断此次检测无效；

[0019] 对于小于6mm的焊缝，当焊缝成像输出为红线时，则金属焊缝未焊透；当焊缝成像输出为红点时，则金属焊缝焊接度过大。

[0020] 优选地，所述超声相控阵检测探头为弧形晶片，所述弧形晶片安装有内外弧度楔块。

[0021] 优选地，超声时差衍射检测探头的频率为20MHz。

[0022] 优选地，S2中利用常规成像超声探头对焊缝进行检测时，检测过程中常规成像超声探头可以通过时间扫查成像，也可以通过探头加装编码器扫描成像。

[0023] 优选地，S1中，当需要检测工件根部焊接情况时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0025] ①本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，其同时采用超声相控阵PAUT、超声时差衍射法TOFD、常规成像超声UT三种方法结合对焊缝进行检测，更直观的检测未焊透缺陷，防止焊缝在使用过程中产生裂纹。

[0026] ②常规超声检测针对＞6mm板不适用，在本领域内，一般技术人员只能利用常规超声检测探头检测厚度大于6mm的金属板，检测厚度小于6mm的金属板获得的测量结果是不准确的，本发明创造性的将常规探头变小，不仅能够检测厚度小于6mm的金属板，并且检测结果非常准确，解决了本领域的技术偏见。

[0027] ③采用探头结合成像显示，相比传统超声方法的成波显示，通过波形判断检测结果，成像显示更加直观、准确，如果未焊透，图像成红线；如果存在气孔，图像成红点。能够直观判断焊缝底部是否存在未焊透的问题。

[0028] ④本发明在小于4mm的薄板锁底焊缝检测中引入高频20MHz的超声时差衍射法，利用该方法对裂纹类缺陷的高灵敏度(可达0.1mm)，针对可放置该方法探头结构处的焊缝内的裂纹缺陷进行检测，极大提高了裂纹的检出率，保证了结构的安全。

附图说明

[0029] 图1为本发明的结构示意图；

[0030] 图2为本发明的扫查架的结构示意图；

[0031] 图3为本发明的另一实施例的手动扫查的第二编码器的连接示意图；

[0032] 图4为本发明的轨道机构的侧视图；

[0033] 图5为实施例中薄板工件根部端角反射示意图；

[0034] 图6为实施例中检测工件及焊缝形式示意图

[0035] 图7为实施例中薄板对接焊缝全焊透时超声波束示意图；

[0036] 图8为实施例中焊缝不存在根部未焊透时的超声成像视图；

[0037] 图9为实施例中薄板对接焊缝未焊透时超声波束示意图；

[0038] 图10为实施例中焊缝存在根部未焊透时的超声成像视图。

具体实施方式

[0039] 以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

[0040] 本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，如图1所示，其包括扫查组件100以及图像分析组件200，扫查组件100用于对超薄金属焊缝进行扫查，获取焊缝成像并发送至图像分析组件200，图像分析组件200用于对接收到的焊缝成像进行分析判断。

[0041] 图像分析组件200包括第一图像分析单元201、第二图像分析单元202以及第三图像分析单元203，第一图像分析单元201用于对超声相控阵获取的扫描图像进行分析，第二图像分析单元202用于对超声时差衍射检测探头获取的扫描图像进行分析，第三图像分析单元203用于对普通超声探头获取的扫描图像进行分析。

[0042] 如图2-图4所示，扫查组件100包括轨道1、超声相控阵扫查架2、超声时差衍射检测探头以及多个超声探头，所述超声相控阵扫查架能够卡设在所述轨道上并在所述轨道上滑动，

[0043] 轨道1包括轨道支架11以及轨道板12，轨道支架11包括底座111、调节件112以及轨道连接板113，调节件112的上部与轨道连接板113固定连接，调节件112的下部与底座111固定连接并将底座11吸附固定在平面上，调节件112配置用于调整轨道支架11的高度，轨道板12的两端分别与轨道连接板113固定，轨道板113的底部设有调整地脚121，调节件112将轨道支架的高度调整到合适位置、底座11固定于待检工件表面上后，轨道板12底部的调整地脚121自动调整，使整个轨道板12保持水平状态，便于金属薄板直焊缝的扫查。超声相控阵扫查架2包括与轨道板12连接的驱动机构21、第一编码器22、连接机构23以及探头加载臂
24，驱动机构21包括驱动支架211、驱动轮212以及滚轮213，驱动支架211的两侧各设有两个滚轮213，驱动支架211第一侧部的两个滚轮之间的距离小于第二侧部的两个滚轮之间的距离，四个滚轮呈等腰梯形分布设置，滚轮213通过中部的凹槽卡接在轨道板12的两侧，驱动支架211内的驱动装置可以驱动扫查器沿轨道板12滑动，驱动轮212配置用于调整驱动支架
211的宽度以及滚轮213的角度以适应不同曲率的工件表面，驱动支架211的第一侧部与第一编码器22固定连接，连接机构23包括横向连接板231、纵向连接板232以及调节连接板
233，横向连接板231的第一端部固定在驱动支架211的第二侧部上，横向连接板231的第二端部通过弹性件与纵向连接板232的上部固定连接，纵向连接板232能够沿纵向上下活动，纵向连接板232的下部固定有调节连接板233，调节连接板233连接有探头加载臂24，调节连接板233能够调整探头加载臂24的角度，进而调节探头的位置，纵向连接板232与调节连接板233配合使探头能全方位转动，灵活性更好，能更好地与待检工件贴合，高精度完成扫查工作。

[0044] 优选地，本实施例的弹性件为两个弹簧，各分布在纵向连接板232的左右两侧，起固定且调整纵向连接板的作用，从而使探头与待检工件更加贴合。

[0045] 优选地，本实施例的底座11为橡胶吸盘，调节件112可将吸盘内空气排出，将底座11牢牢固定于待检工件表面上，保持整个轨道机构的稳定且使整个轨道板保持水平状态。

[0046] 轨道板12为能更换的轨道板，轨道板可以为直轨道板或弧形轨道板，轨道板的长短也可以根据工况条件进行选择。当检测管对接的环焊缝时，使用弧形轨道板，轨道板12的弧度可以调节，一般弧度大于60°，检测时，将弧形轨道板调整到所需弧度时，调节件112将底座111内的空气排出使其吸附在待检工件的表面上，通过驱动机构21的驱动轮212调整同侧滚轮之间的距离与角度，使其适应工件表面的曲率，将滚轮的凹槽卡接在轨道板上，开启驱动装置，超声相控阵扫查架2在被检测曲面工件上稳定、顺畅地行走，提高检测质量。

[0047] 以上，驱动机构21与轨道1的结合可实现扫查器的自动扫查。

[0048] 在另一实施例中，当工况条件较复杂不适合自动扫查时，可无需轨道机构，采用手持式扫查方式，如图2所示，调节连接板233的外侧部连接固定有第二编码器25，此时，采用第二编码器25记录距离，完成待检工件的手动扫查。

[0049] 本发明还提供一种超薄金属焊缝检测方法，其包括以下步骤：

[0050] S1、根据金属板的厚度及形状选取超声相控阵检测探头、超声时差衍射检测探头以及常规成像超声探头的一种、两种或三种方式进行检测，具体选择方式如下：

[0051] ①当焊缝大于6mm时，利用超声相控阵检测探头和超声时差衍射检测探头对焊缝进行检测；

[0052] ②当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测；

[0053] S2、当焊缝大于6mm时，将超声相控阵检测探头安装在超声相控阵扫查架上，将超声时差衍射检测探头安装在手持架上，分别利用超声相控阵扫查架以及手持架对焊缝进行检测，并将获取的扫描图像分别发送到图像分析组件；

[0054] 当焊缝小于6mm时，利用常规成像超声探头对焊缝进行检测，获取焊缝成像，并将B成像发送至图像分析组件；

[0055] S3、对焊缝成像进行分析，判断焊缝的焊接状况，具体包括：

[0056] 对于大于6mm的焊缝，将超声相控阵检测探头获取的图像与第一缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量A，将将超声时差衍射检测探头获取的图像与第二缺陷图谱对比，获取焊缝的缺陷数量B，将缺陷数量A与缺陷数量B做差，当差值范围处于-2至2时，判断此次检测有效，输出缺陷结果，当差值范围处于-2至2之外时，判断此次检测无效；

[0057] 对于小于6mm的焊缝，当焊缝成像输出为红线时，则金属焊缝未焊透；当焊缝成像输出为红点时，则金属焊缝焊接度过大。

[0058] 优选地，所述超声相控阵检测探头为弧形晶片，所述弧形晶片安装有内外弧度楔块。

[0059] 优选地，超声时差衍射检测探头的频率为20MHz。

[0060] 具体实施例

[0061] 薄壁焊缝单探头超声B扫描成像检测应用案例

[0062] 薄板焊缝根部未焊透缺陷检测原理：单探头302发射45°超声波束入射到工件300根部90°的端角区域301时,会接收到较强的端角反射信号,信号深度与根部区域深度一致，如图5所示，其中波束路径如303所示。

[0063] 检测工件及检测过程描述：

[0064] 本检测案例的工件壁厚为4mm，材质为碳钢，焊缝形式为对接焊缝，探头为5MHz单探头，超声检测时探头置于距离焊缝中心线某一固定值(步进偏移)的位置，探头沿平行于焊缝方向移动，检测过程中超声B扫描检测仪可以通过时间扫查成像，也可以通过探头加装编码器扫描成像，探头可以置于偏转角为90°或270°的位置，工件及探头位置、方向等信息如图6所示，其中0为扫查起点，箭头所示为扫查方向。

[0065] 薄板焊缝根部未焊透缺陷超声B扫描成像检测应用：

[0066] 1)焊缝中不存在根部未焊透

[0067] 薄板对接焊缝中不存在根部未焊透时，焊缝根部熔合较好，超声波束入射到根部位置，不会存在较强的反射信号，因此，在超声成像A扫描及B扫描视图中4mm相应位置不存在较高的反射波幅及红线，如图7和图8所示。

[0068] 2)焊缝中存在根部未焊透

[0069] 薄板对接焊缝中存在根部未焊透时，焊缝根部会形成图1中的端角，超声波束入射到根部90°端角位置时，会接收到较强的根部端角反射信号，因此，在超声成像A扫描及B扫描视图中4mm相应位置存在较高的反射波幅及红线，见图9及图10。

[0070] 因此，利用薄壁焊缝单探头超声B扫描成像检测具有以下优点：

[0071] 1.利用端角反射原理结合超声B扫描成像检测方法能够成功检测出板厚4mm对接焊缝的根部未焊透缺陷；

[0072] 2.将单探头超声B扫描成像方法应用于薄板对接焊缝根部未焊透缺陷检测，方法简单易行，检测灵活，缺陷显示直观，更易于判断。

[0073] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0074] ①本发明提供一种超薄金属焊缝检测系统，其同时采用超声相控阵PAUT、超声时差衍射法TOFD、常规成像超声UT三种方法结合对焊缝进行检测，更直观的检测未焊透缺陷，防止焊缝在使用过程中产生裂纹。

[0075] ②常规超声检测针对＞6mm板不适用，在本领域内，一般技术人员只能利用常规超声检测探头检测厚度大于6mm的金属板，检测厚度小于6mm的金属板获得的测量结果是不准确的，本发明创造性的将常规探头变小，不仅能够检测厚度小于6mm的金属板，并且检测结果非常准确，解决了本领域的技术偏见，具有突出的实质性特点。

[0076] ③采用探头结合成像显示，相比传统超声方法的成波显示，通过波形判断检测结果，成像显示更加直观、准确，如果未焊透，图像成红线；如果存在气孔，图像成红点。能够直观判断焊缝底部是否存在未焊透的问题。

[0077] 最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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。