一种焊接件质量检测装置及方法与流程

本发明涉及一种质量检测装置和方法，特别是涉及一种焊接件质量检测装置及方法。

背景技术：

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车的速度不断提升,对高速列车的生产质量要求也相应的提高，车体构件质量是保证高速列车生产质量的关键。随着高速列车轻量化发展，铝合金型材结构件，特别是6系铝合金型材的构件被大量使用到高速列车上。在铝合金车体结构件中制造过程中，焊接工艺是主要的连接工艺方法，焊接接头区域存在着应力集中与不均匀性，始终是轻量化车体结构中的薄弱环节，对构件的安全检测主要是对焊接构件焊缝区域的安全检测。

在高速列车生产中，铝合金型材的构件种类多、数量大，检验检测任务繁重(如sfe32-251xc、sfe32-252xc、sfe32-254xc、sfe32-256xc、sfe32-257xc等多种不同6系型材的焊接构件)。传统的无损检测技术难以满足生产检测的需要，如x射线检测设备昂贵，电磁辐射危害健康，而超声检测对工作表面要求严格，检测效率低。而且，高速运行使得高速列车在服役过程中损伤较严重，因此对服役过程中的高速列车关键铝合金型材焊接构件的安全检测十分重要，但目前的无损检测方法均不适用于服役过程中的高速列车关键铝合金焊接构件进行原位安全检测。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为解决现有技术中的技术问题，提供一种满足生产检测需求，适用于服役过程中的高速列车关键铝合金焊接件质量检测的焊接件质量检测装置。

本发明的另一个主要目的是提供一种焊接件质量检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种焊接件质量检测装置，包括激励装置，用于在焊接件上进行多次敲击激励，并获取每次敲击力的频谱信号；

测量装置，用于采集每次敲击激励的损伤测量点m的振动响应信号；

控制装置，与所述激励装置、测量装置电路连接，用于计算每次敲击激励对应的损伤测量点m振动响应信号的时域持续时间、各阶模态频率、功率谱重心频率。

进一步，所述测量装置为用于采集每次敲击激励的对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的测量装置；

所述控制装置为用于计算每次敲击激励对应的对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比、各阶模态频率比和功率谱重心频率比的控制装置。

进一步，在所述焊接件的焊缝的一侧一定距离处设置激励点，在激励点的同一水平面上，以所述焊接件的焊缝为对称轴对称设置所述对照测量点r、损伤测量点m，所述对照测量点r位于激励点的一侧。

进一步，在所述焊接件的焊缝的一侧一定距离处设置一条与焊缝平行的激励线，在所述激励线上每隔一定距离设置一个激励点。

本发明的另一个技术方案是：

一种焊接件质量检测方法，包括如下步骤，

步骤一、激励装置在焊接件上进行多次敲击激励，获取每次敲击力的频谱信号；

步骤二、计算每次敲击激励对应的损伤测量点m振动响应信号的时域持续时间、各阶模态频率、功率谱重心频率；

步骤三、判断时域持续时间、各阶模态频率、功率谱重心频率是否均在阈值范围内，若是则判定焊接件质量合格，若不是则判定焊接件质量不合格。

进一步，在所述步骤二中，计算每次敲击激励对应的对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比、各阶模态频率比和功率谱重心频率比；

在所述步骤三中，判断对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比、各阶模态频率比和功率谱重心频率比是否均在阈值范围内，若是则判定焊接件质量合格，若不是则判定焊接件质量不合格。

进一步，在所述步骤一之前增加一个步骤，该步骤为取多块与待检测焊接件相同尺寸的焊接质量良好的焊接试样，计算每块焊接试样每次敲击激励对应的对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比、各阶模态频率比和功率谱重心频率比，取平均值和标准差，获得时域持续时间比平均值和标准差、各阶模态频率比平均值和标准差、功率谱重心频率比平均值和标准差，以时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比的平均值和标准差形成对比阈值范围；

在所述步骤三中，判断对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比、各阶模态频率比和功率谱重心频率比是否均在对比阈值范围内，若是则判定焊接件质量合格，若不是则判定焊接件质量不合格。

进一步，在所述焊接件的焊缝的一侧一定距离处设置激励点，在激励点的同一水平面上，以所述焊接件的焊缝为对称轴对称设置所述对照测量点r、损伤测量点m，所述对照测量点r位于激励点的一侧。

进一步，在所述焊接件的焊缝的一侧一定距离处设置一条与焊缝平行的激励线，在所述激励线上每隔一定距离设置一个激励点。

综上内容，本发明所述的一种焊接件质量检测装置及方法，采用冲击波振动检测方法对铝合金型材焊接件进行检测，不仅可实现在在铝合金焊接件在投入使用前的快速质量检测，而且可在服役过程的定期安全检测中，无需拆卸，对铝合金焊接件进行原位安全检测。

附图说明

图1是本发明的激励线、激励点的布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下面通过两个实施例来具体说明本发明的实施方案，但并不限制本发明的具体内容。

实施例一

一种焊接件质量检测装置，主要包括激励装置、测量装置、控制装置。本检测装置通过激励装置在铝合金焊接件上激发冲击波振动，检测振动响应信号，根据振动响应信号判断振动激励点区域及振动激励点与测量点之间区域的组织结构信息，从而对铝合金焊接件进行质量检测。

如图1所示，在焊接件的焊缝的一侧距焊缝热影响区边缘3-8mm处设置激励点，在激励点的同一水平面上，以焊接件的焊缝为对称轴对称设置所述对照测量点r、损伤测量点m，对照测量点r、损伤测量点m距焊缝热影响区边缘20mm-100mm。对照测量点r位于激励点的一侧，损伤测量点m位于激励点的不同侧。

设置多个激励点形成激励线，具体而言，在焊接件的焊缝的一侧距焊缝热影响区边缘3-8mm处设置一条与焊缝平行的激励线，在激励线上每隔距离h均匀布置激励点，记为激励点g，g＝1,2,3…g-1,g。

激励装置，用于在焊接件上进行多次敲击激励，并获取每次敲击力的频谱信号。激励装置为可精确控制敲击位置和敲击力度的力锤设备。力锤设备的冲击锤内部的力传感器将敲击力信号转化为电压信号，经过信号采集及处理系统，得到敲击力的频谱信号，第g个激励点的敲击力频谱信号记为sg(f)。

测量装置，用于采集每次敲击激励的对照测量点r、损伤测量点m的振动响应信号。测量装置为振动传感器，优选为压电式加速度传感器。

控制装置，与激励装置、测量装置电路连接，用于计算每次敲击激励对应的对照测量点r、损伤测量点m振动响应信号的时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比。

采用力锤设备的冲击锤依次以相同的敲击力度敲击每个激励点，激发冲击波振动，每次敲击的同时，通过测量装置同时采集对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号，然后对振动响应信号进行信号分析处理。首先对照测量点r与损伤测量点m测量到的振动响应信号滤波降噪处理，再进行信号分析。通过前期实验，确定对高速列车铝合金焊接件损伤敏感度较高的损伤识别因子，即振动相应信号的时域持续时间、模态频率(通过预实验确定待测铝合金焊接件进行本发明安全检测方法时，各阶模态频率中幅值较高的三阶模态频率作为损伤识别因子)和功率谱重心频率。

由于振动响应信号受边界约束条件和环境因素的影响较大，即使尽量保证预实验与安全检测边界约束条件的一致性，也很难保证二者完全一致，本发明通过在焊缝两侧布置对照测量点r和损伤测量点m，对照测量点r的振动响应信号不包含焊缝的组织结构信息，损伤测量点m的振动响应信号包含焊缝的组织结构信息，二者之比可以表征焊缝的组织结构信息，通过比值方法确定焊缝的组织结构信息可以排除约束条件和环境因素的影响。

本实施例中时域持续时间比的计算方法如下，在激励点g输入激励信号时，对照测量点r处测得的振动响应时域持续时间为tr-g，损伤测量点m处测得的振动响应时域持续时间为tm-g，计算二者比值，获得激励点g对应的持续时间比kt(g)＝tm-g/tr-g。

各激励点振动响应的时域持续时间t判断是否存在异常，具体来说是通过判断振动响应信号的起始位置和终止位置，准确提取激励装置产生的振动响应的时域持续时间；采用短时能量给零率算法判断振动响应信号的起止点，结合短时能量en(振动响应信号的第n帧的短时能量en)和短时过零率zn(振动响应信号的第n帧的短时能量zn)找到振动响应信号的起止帧数n1和n2，提取振动响应的有效信号序列长度n＝n2-n1。t＝n×ts，其中ts为采样周期，n为振动响应的有效信号序列长度。振动响应的时域持续时间是辨别有无组织结构缺陷的最直观的表征量。

通过傅里叶变换(fft)将各激励点的时域信号转变为频域信号，获得各激励点的振动响应的频谱信号，通过模态频率和功率谱重心频率判断振动响应信号是否存在异常。

本实施例中各阶模态频率比计算方法如下。在激励点g输入激励信号时，敲击力频谱信号为sg(f)，对照测量点r处测得的振动响应频谱信号为sr(g)(f)，损伤测量点m处测得的振动响应频谱信号为sm(g)(f)，通过敲击力的频谱信号修正振动响应信号的频谱信号，得到修正后的对照测量点r的振动响应频谱信号s′r(g)(f)和修正后的对照测量点m的振动响应频谱信号s′m(g)(f)，s’r(g)(f)＝sr(g)(f)/sg(f)，s′m(g)(f)＝sm(g)(f)/sg(f)；然后通过修正后的损伤测量点m和对照测量点r的振动响应频谱信号，分别提取损伤测量点m和对照测量点r处的各阶模态频率，记在激励点g输入激励信号时，对照测量点r的第i阶模态频率为wt(r-g)，损伤测量点m的第i阶模态频率为wt(m-g)，计算二者比值，获得激励点g对应的各阶模态频率比kw(g)＝wt(m-g)/wt(r-g)。

实际检测激励时，激励装置的力锤与试样作用时间不可能为无穷小，也即敲击力信号并非严格的脉冲函数，使得振动响应的频谱信号高频能量少、幅值小，影响高阶模态频率识别，采用上述计算方法，通过敲击力的频谱信号修正振动响应信号的频谱信号，有效抑制振动响应信号的高频能量衰减，提高模态频率的识别稳定性。

在激励点g输入激励信号时，对照测量点r处振动响应的功率谱重心频率为fr-g，损伤测量点m处测得的振动响应时域持续时间为fm-g，计算二者比值，获得激励点g对应的功率谱重心频率比kf(g)＝fm-g/fr-g。功率谱重心频率的计算采用现有技术，例如《一种基于功率谱重心的自适应特征信息提取方法》(《数据采集与处理》，2008-11-15)，在此不再赘述。

功率谱反映了振动响应信号的频率成分以及各频率成分的能量大小,当振动响应信号中各频率成分的能量比发生变化时,功率谱的重心位置也将发生变化。冲击波传递过程中的组织结构影响振动响应信号的频率成分以及各频率成分的能量大小，通过振动响应的功率谱重心频率可判断组织结构是否存在损伤。

一种焊接件质量检测方法，主要用于生产过程中的焊接件质量检测，包括如下步骤：

步骤一、取多块与待检测焊接件相同尺寸的焊接质量良好的焊接试样，取样要大于5块。根据上述的检测方式：通过激励装置在激励点g输入激励信号，获取每次敲击力的频谱信号；测量装置采集对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号；以及时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比的计算方法。计算每块焊接试样每次敲击激励的各个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号时域持续时间比kt(g)、各阶模态频率比kwt(g)和功率谱重心频率比kf(g)，计算多块焊接试样每个激励点g对应的时域持续时间比kt(g)、各阶模态频率比kwt(g)和功率谱重心频率比kf(g)的平均值和标准差，得到激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号时域持续时间比平均值μ(kt(g))和标准差σ(kt(g))、各阶模态频率平均值μ(kwf(g))和标准差σ(kwf(g))、功率谱重心频率比平均值μ(kf(g))和标准差σ(kf(g))。设定生产过程中激励点g对应的时域持续时间比阈值范围tht(g)＝(μ(kt(g))-3σ(kt(g))，μ(kt(g))+3σ(kt(g)))、各阶模态频率比阈值范围thwf(g)＝(μ(kwf(g))-3σ(kwf(g))，μ(kwf(g))+3σ(kwf(g)))和功率谱重心频率比阈值范围thf(g)＝(μ(kf(g))-3σ(kf(g))，μ(kf(g))+3σ(kf(g)))。

步骤二、在高速列车生产过程中，每完成一个待检测的铝合金焊接件的焊接，均通过激励装置在激励点g输入激励信号，获取每次敲击力的频谱信号。

步骤三、根据上述的时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比的计算方法，得到待检测的铝合金焊接件每个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比k′t(g)、各阶模态频率比k′wt(g)和功率谱重心频率比k′f(g)。

步骤四，判断每个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比k′t(g)、各阶模态频率比k′wf(g)和功率谱重心频率比k′f(g)是否落在步骤一的生产过程中激励点g对应的时域持续时间比阈值范围tht(g)、各阶模态频率比阈值范围thwf(g)和功率谱重心频率比阈值范围thf(g)内，若是则判定焊接件质量合格，若不是则判定焊接件质量不合格。

生产过程中的质量检测可边生产边检测，及时发现不符合质量要求的铝合金型材的焊接件，保证生产的高速列车质量的安全性。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例所述的一种焊接件质量检测方法，主要用于服役过程中的焊接件质量检测，包括如下步骤：

步骤一、在高速列车生产后，投入使用前，对安装在高速列车上的铝合金焊接件，通过激励装置在每个激励点g输入激励信号，获取每次敲击力的频谱信号；

根据上述的时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比的计算方法，得到待检测的铝合金焊接件每个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比k″t(g)、各阶模态频率比k″wt(g)和功率谱重心频率比k″f(g)；

设定服役过中激励点g对应的时域持续时间比阈值范围th′t(g)＝(k″t(g)-3σ(kt(g))，k″t(g)+3σ(kt(g)))、各阶模态频率比阈值范围th′wf(g)＝(k″wf(g)-3σ(kwf(g))，k″wf(g)+3σ(kwf(g)))和功率谱重心频率比阈值范围th′f(g)＝(k″f(g)-3σ(kf(g))，k″f(g)+3σ(kf(g)))。

步骤二、在服役一段时间后的停车检查中，对待检测的铝合金焊接件，通过激励装置在激励点g输入激励信号，获取每次敲击力的频谱信号。

步骤三、根据上述的时域持续时间比、各阶模态频率比、功率谱重心频率比的计算方法，得到服役一段时间后的铝合金焊接件每个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比k″′t(g)、各阶模态频率比k″′wf(g)和功率谱重心频率比k″′f(g)。

步骤四，判断每个激励点g对应的对照测量点r与损伤测量点m的振动响应信号的持续时间比k″′f(g)、各阶模态频率比k″′wf(g)和功率谱重心频率比k″′f(g)是否落在步骤一高速列车生产后，投入使用前激励点g对应的时域持续时间比阈值范围th′t(g)、各阶模态频率比阈值范围th′wf(g)和功率谱重心频率比阈值范围th′f(g)内，若是则判定焊接件无损伤或损伤不影响列车的安全服役，若不是则判定焊接件损伤且损伤影响列车的安全服役，根据需要更换或进一步通过其他方法检测。

综上所述，本发明所述的一种焊接件质量检测装置及方法，采用冲击波振动检测方法对铝合金型材焊接件进行检测，不仅可实现在在铝合金焊接件在投入使用前的快速质量检测，而且可在服役过程的定期安全检测中，无需拆卸，对铝合金焊接件进行原位安全检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。