专利名称：焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法
技术领域：
本发明是用相控阵超声自动检测系统对焊缝横向裂纹进行检测的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法。涉及超声波的测量技术领域。
背景技术：
裂纹是焊接中最危险的缺陷。在焊接中的裂纹大致可分为纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、弧状裂纹和硫裂等五类。对于比较大的裂纹X射线透视尚可发现，但效果不及超声波检测。而对小裂纹及微裂纹，超声检测如不熟悉施工工艺，则有可能漏检。通常，钢的含碳量越高，可焊性越差，越容易产生裂纹，特别是横向裂纹在高强钢管道环焊缝中出现后，用相控阵超声自动检测系统也很难发现。这个问题一直困扰着焊接界，渴望能有解决的技术。
发明内容
本发明的目的是发明一种相控阵超声自动检测系统检测焊缝横向裂纹准确、可靠的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法。
针对现在用相控阵超声自动检测系统对焊缝横向裂纹的检测存在不敏感、常有漏检的不足，本发明通过下述技术方案可以彻底解决此问题。本方法仍然用现在通用的相控阵超声自动检测系统对焊缝进行检测，但其方法是如图1所示，将成“十”字布局的4只发射、接收超声探头1、2、3、4以焊缝为对称轴对称地每边各2只均聚射于焊缝的一点上，一侧的探头发射超声波，另一侧对称的探头接收超声波，调整发射、接收探头至聚射点的距离和接收探头接收窗口接收时间，拾取焊缝横向裂纹的信号，并逐点检测。具体是将4只超声探头1、2、3、4按每只间隔90°安装在一个平面上并以焊缝为对称轴对称地两侧各分列两只，每只探头的发射方向聚射于焊缝的一点上，以焊缝对称分列焊缝两侧的两只探头为一组，每组探头的发射、接收方向与聚射点切面的夹角β相等，即探头1、2发射、接收方向与该聚射点切面的夹角β相等，探头3、4发射、接收方向与该聚射点切面的夹角β也相等；发射方向与焊缝焊接方向同向的位于焊缝两侧的两只测上表面横向裂纹探头1、2距发射、接收位置分别为6倍被焊件厚度，从探头发射信号开始控制接收窗口的开始时间和关闭时间，以接收上表面横向裂纹的信号；发射到接收的距离发射方向与焊缝焊接方向反向的位于焊缝两侧的两只测下表面横向裂纹探头3、4距发射、接收位置分别为5倍被焊件厚度，从探头发射信号开始控制接收窗口的开始时间和关闭时间，以得焊缝下表面横向裂纹的信号；如此逐点检测。这里的4只超声探头1、2、3、4虽然是安装在一个平面上，但超声波的发射和接收方向却并不在这个平面里，是倾斜地射向焊缝，即发射和接收方向与焊缝切面有个夹角β(即入射角)。为能测出裂纹，至少探头1、2的入射角β应相等，探头3、4的入射角β应相等，当然也可4只探头的入射角β均相等。这就是说，4只探头所在平面可以与通过聚射点切面在焊缝方向相交，也可以平行。同时，4只探头中焊缝两边各2只，且以焊缝对称布局，所以4只探头的发射线在通过聚射点切面上的投影与焊缝的夹角也均相等。只有4只探头在焊缝周围空间如此布局，才能测出焊缝的横向裂纹信号。
测上表面横向裂纹探头1、2窗口开始时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间减去一个常数3.1×10-6μs，关闭时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间加上一个常数3.1×10-6μs。这两个时间要事先按上述方法进行计算，具体的计算为探头1、2距发射、接收位置距离分别为6倍被焊件厚度，设T为被焊件厚度，那么发射到接收的距离为L＝(2×6×T)/COSβ，窗口的开始时间ton＝{〔2×6×T/COSβ〕/Cs}-(3.1×10-6)窗口的关闭时间toff＝{〔2×6×T/COSβ〕/Cs}+(3.1×10-6)其中Cs是超声波中横波的传播速度。
测下表面横向裂纹探头3、4窗口开始时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间减去一个常数3.1×10-6μs，关闭时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间加上一个常数3.1×10-6μs。同样，这两个时间也要事先按上述方法进行计算探头3、4距发射、接收位置距离为5倍被焊件厚度，那么发射到接收的距离为L＝(2×5×T)/COSβ窗口的开始时间ton＝{〔2×5×T/COSβ〕/Cs}-(3.1×10-6)窗口的关闭时间toff＝{〔2×5×T/COSβ〕/Cs}+(3.1×10-6)其中Cs是超声波中横波的传播速度。
而每组发射、接收方向与该点切面的夹角β控制在如下范围内0°＜β＜90°。显然，β在0°和90°时不会有裂纹的折射波，就是在接近0°和90°时理论上讲应有折射波，但实际上并不理想，较好的是在0°～90°之间的中段，即45°左右。至于焊缝的逐点检测，在检测时检测点之间距离宜小到近于连续，这样就不会出现漏检。实际上，检测时只要4只探头连续慢慢移动，就可连续测出焊缝的裂纹信号。
由于本方法用两组4只探头且每组探头的发射、接收方向与焊缝交叉，焊缝如有横向裂纹，超声波射到裂纹上就会因界面而产生折射，又因发射、接收方向与射入点切面的夹角相等，故折射的超声波被本组的另一探头接收并在检测系统中有所反应，进而可确的横向裂纹的有无和大小。
图1相控传感器俯视分布图其中 1-相控传感器12-相控传感器23-相控传感器34-相控传感器45-焊缝具体实施方式
实施例.以本实施例说明本发明的具体实施。本例是用相控阵超声自动检测系统对Ф1014mm、壁厚14.6mm的X70钢管道焊缝进行横向裂纹的检测，并事先预制3条横向裂纹。将4只型号为...的超声探头安装在一个平面上以焊缝对称地两侧各分列两只且探头之间的夹角为90°，4只探头的发射方向聚射于焊缝的一点上，每只探头发射、接收方向与通过聚射点切面的夹角β为45°，4只探头所在平面与通过焊缝聚射点切面平行，发射方向与焊缝焊接方向同向的位于焊缝两侧的两只测上表面横向裂纹探头1、2距发射、接收位置分别为87.6mm，发射到接收的距离为L＝(12×T)/COSβ＝(12×14.6)/0.707＝247.807637(mm)，发射方向与焊缝焊接方向反向的位于焊缝两侧的两只测下表面横向裂纹探头3、4距发射、接收位置分别为73mm，发射到接收的距离为L＝(10×T)/COSβ＝(10×14.6)/0.707＝206.5063649(mm)；4只探头按上述位置布局好后，还需计算出探头接收窗口开始时间和关闭时间。测焊缝上表面横向裂纹探头从探头发射信号开始，接收窗口的开始时间ton＝{〔12×T/COSβ〕/Cs}-(3.1×10-6)＝76.72-3.1＝73.62(μs)，窗口的关闭时间toff＝{〔12×T/COSβ〕/Cs+(3.1×10-6＝79.82(μs)测焊缝下表面横向裂纹探头从探头发射信号开始，窗口的开始时间ton＝{〔10×T/COSβ〕/Cs}-(3.1×10-6)＝63.933-3.1＝60.833(μs)，窗口的关闭时间toff＝{〔10×T/COSβ〕/Cs}+(3.1×10-6)＝63.933+3.1＝67.033(μs)。其中Cs是超声波中横波的传播速度，经测试在X70钢中的值为3230m/s。按照上述计算的值，将相控阵超声自动检测系统中探头2、4的接收窗口的开始时间和关闭时间设定好，即可开始检测。经实测，预制的3条横向裂纹均检测出，无一漏检。
可见，本发明仍然用现有的相控阵超声自动检测系统，却能检测相控阵超声自动检测系统无法检测的焊缝横向裂纹，而且检测结果准确、可靠，解决了焊缝横向裂纹检测的一大难题，有很大实用价值。
权利要求
1.一种相控阵超声波无损检测焊接裂纹的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法，包括用相控阵超声自动检测系统对焊缝进行裂纹的无损检测，其特征在于将成“十”字布局的4只发射、接收超声探头〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕以焊缝为对称轴对称地每边各2只均聚射于焊缝的一点上，一侧的探头发射超声波，另一侧对称的探头接收超声波，调整发射、接收探头至聚射点的距离和接收探头接收窗口接收时间，拾取焊缝横向裂纹的信号，并逐点检测。
2.根据权利要求1所述的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法，其特征在于将4只超声探头〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕按每只间隔90°安装在一个平面上并以焊缝对称地两侧各分列两只，每只探头的发射方向聚射于焊缝的一点上，以焊缝对称分列焊缝两侧的两只探头为一组，每组探头的发射、接收方向与聚射点切面的夹角β相等；发射方向与焊缝焊接方向同向的位于焊缝两侧的两只测上表面横向裂纹探头〔1〕、〔2〕距发射、接收位置分别为6倍被焊件厚度，从探头发射信号开始控制接收窗口的开始时间和关闭时间，以接收上表面横向裂纹的信号；发射到接收的距离发射方向与焊缝焊接方向反向的位于焊缝两侧的两只测下表面横向裂纹探头〔3〕、〔4〕距发射、接收位置分别为5倍被焊件厚度，从探头发射信号开始控制接收窗口的开始时间和关闭时间，以得焊缝下表面横向裂纹的信号；如此逐点检测。
3.根据权利要求1或2所述的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法，其特征在于测上表面横向裂纹探头〔1〕、〔2〕窗口开始时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间减去一个常数3.1μs，关闭时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间加上一个常数3.1μs。
4.根据权利要求1或2所述的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法，其特征在于测下表面横向裂纹探头〔3〕、〔4〕窗口开始时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间减去一个常数3.1μs.关闭时间的确定方法为发射超声波的横波从发射到接收的传播时间加上一个常数3.1μs。
5.根据权利要求1或2所述的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法，其特征在于每组发射、接收方向与该点切面的夹角β控制在如下范围内0°＜β＜90°。
全文摘要
本发明是涉及超声波检测技术领域的用相控阵超声自动检测系统对焊缝横向裂纹进行检测的焊缝相控阵超声横向裂纹检测方法。将成"十"字布局的4只发射、接收超声探头(1)、(2)、(3)、(4)以焊缝为对称轴对称地每边各2只均聚射于焊缝的一点上，一侧的探头发射超声波，另一侧对称的探头接收超声波，调整发射、接收探头至聚射点的距离和从探头发射信号开始接收探头接收窗口接收时间，拾取焊缝横向裂纹的信号，并逐点检测。本发明仍然用现有的相控阵超声自动检测系统，却能检测相控阵超声自动检测系统无法检测的焊缝横向裂纹，而且检测结果准确、可靠，解决了焊缝横向裂纹检测的一大难题，有很大实用价值。
文档编号G01N29/26GK1979153SQ20051012421
公开日2007年6月13日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者白世武, 杨天冰, 金坤, 杨子江 申请人:中国石油天然气管道局, 中国石油天然气管道科学研究院