专利名称：一种基于civa仿真软件的管座角焊缝检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于声场仿真软件的管座角焊缝缺陷检测方法，该方法主要用于管座角焊缝类结构，属于无损检测领域。
背景技术：
集箱管座角焊缝是连接管排与集箱的刚性结构，其结构应力主要集中在角焊缝根部。该角焊缝在焊接过程中冷却速度快，容易出现未焊透、未熔合、裂纹等缺陷，而且其服役环境一般伴随着较大温差，容易造成裂纹以及未融合区域的扩展。对近年来一些火电厂角焊缝泄漏的分析结果表明，大部分泄漏是由于角焊缝在制造过程中形成的未焊透、未熔合、 裂纹等危险性缺陷在运行中扩展导致的，因此对角焊缝内部缺陷的检验至关重要。
超声波探伤对未焊透、未熔合、裂纹等危害性面积型缺陷检测灵敏度较高，该方法是角焊缝内部缺陷检验的主要发展方向。但由于管座角焊缝的形状复杂、结构特殊，焊缝各处的截面均不相同，且用斜探头在不同位置对这类焊缝探伤时，缺陷波出现的位置和规律也不相同。一般需要专业的检测人员对这类焊缝进行超声波探伤，否则容易误判或漏检重要缺陷。因此提高对管座角焊缝缺陷的检测效率及其缺陷检测的可靠性尤为重要。
为克服普通斜探头检测效率低，漏检率高等缺点，可以利用多个阵元组成换能器阵列进行相控阵无损检测。相控阵超声检测技术通过电子系统控制换能器阵列中各个阵元，按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，实现扇形扫描，声束聚焦。因此，相控阵检测具有快速、准确、适应性强的优点，而且缺陷的检出率高。但相控延时发射电路极为复杂， 对发射信号的同步和延时要求很高，而且随着阵元数目的增加，控阵电路制作的复杂性和成本都显著增加，因此，其广泛应用受到了极大的限制。发明内容
本发明的目的在于提供一种基于常规超声斜探头的管座角焊缝缺陷检测方法，通过该方法可以大大提高管座角焊缝的缺陷探伤效率以及探伤的可靠性；解决角焊缝探伤对工程人员经验依赖性高的实际问题。本发明的具体方案为
本发明由信号采集模块、超声波信号激励/接收模块、传感器和数值仿真模块组成如图1所示。利用数值仿真模块进行数值仿真，得到传感器检测位置-幅值曲线，焊缝缺陷可检区域图形；根据该仿真结果选择传感器的检测角度和检测位置安放传感器；在计算机的控制下超声波信号激励/接收模块产生激励信号，通过传感器激励出超声波信号沿检测试件发射出去，并通过传感器接收反射的超声波信号，然后又经过超声波激励/接收模块传输给计算机；通过计算机里的采集软件即可获得检测波形，最后通过声程计算即可确定焊缝缺陷的位置；所述的传感器采用单个超声斜探头，所述的超声波激励/接收模块采用MULTY-2000系列相控阵仪器，所述的采集模块采用的是计算机及与MULTY-2000系列相控阵仪器相配套的采集软件，所述的软件仿真模块由CIVA仿真软件和MATLAB软件共同组成。
具体地说可以按照以下步骤实施检测，方法流程见图6
1)根据管座角焊缝的实际尺寸及缺陷分布情况应用数值仿真模块进行数值仿真计算，数值仿真模块由CIVA仿真软件和MATLAB软件组成。
首先在CIVA软件中不断改变传感器的声束入射角度进行仿真得到不同角度下探头位置-缺陷信号回波幅值曲线。然后使用MATLAB软件将这些幅值曲线进行汇总，并绘制缺陷的可检测区域图形。
2)根据步骤1中得到的探头位置-回波信号幅值曲线，找到回波信号幅值最大的探头角度及检测位置，选择该角度的传感器并将其安装在该检测位置上。
3)在计算机的控制下，超声波激励/接收模块产生超声波激励信号，通过传感器激励出超声波信号并沿检测试件发射出去，通过传感器接收反射的超声波信号，然后又经过超声波激励/接收模块传输给计算机，通过计算机上的采集软件即可获得角焊缝检测的回波波形。所述的超声传感器采用单个超声斜探头，所述的超声波激励/接收模块使用的是MULTY-2000系列相控阵仪器，所述的信号采集模块采用的是计算机及与MULTY-2000系列相控阵仪器配套的采集软件。
4)对缺陷回波进行定位计算确定缺陷位置，其声程主要由两部分构成，超声波在斜块中传播的时间tl以及在检测试件中传播的时间t2。斜块引起的传播延时通过半圆形标准钢试块来确定，超声波在检测试块中的传播时间根据几何计算来测得。据此来确定缺陷位置。
本检测方法的优点是在实际检测之前就可以选择出适合该管座角焊缝缺陷检测的探头的最优检测角度和探头的最优检测位置。这样就可以大大提高缺陷的检测效率，提高缺陷检测的可靠性。而现有的常规斜探头检测方法不仅检测效率低而且容易漏检，且检测对于工程人员的专业经验有很高的依赖。对比仿真和实验结果两者的整体趋势基本一致，数据的拟合程度较好。
与现有检测方法相比，本发明具有以下优点
1)可以预先选出适合检测的探头角度和安放位置，因此对缺陷的检测效率更高；
2)缺陷检测的可靠性更高，不容易漏检；
3)对工程人员的经验依赖性较小。
图1检测装置原理图
图2缺陷的可检测区域图形
图3不同角度斜探头的检测位置-缺陷回波幅值曲线
图430°探头位于62mm处检测时的缺陷检测结果图形
图5探头仿真结果与实验结果对比图形
其中1计算机，2超声波激励/接收模块，3传感器，4数值仿真模块，5可检测区域， 6缺陷回波。
图6本发明方法流程图
具体实施步骤
1)为了便于加工及检测，检测试件由两块厚度为40mm的钢板焊接而成。首先应用数值仿真模块进行仿真计算，在CIVA软件中建立与实际试件一样的仿真模型，模型中添加垂直于侧表面的长10mm、直径为2mm的孔状缺陷。将探头置于下底板上表面进行检测，探头频率选为2. 25MHz，探头晶片尺寸设为10mm，仅改变探头的角度，从30°到60°每隔两度进行一次仿真计算。得到不同角度下的传感器位置-回波信号幅值曲线。用MATLAB软件进行汇总处理得到该管座角焊缝缺陷检测的探头位置-信号幅值曲线以及缺陷的可检测区域图形。
2)检测过程中，当斜探头选择不同角度、放置于不同位置进行检测时，缺陷回波的幅值不同，因此对缺陷的检测效果也不同。由步骤1得到图2和图3，由图2可知对于该工件存在一个缺陷的可检区域，可检区域由数条曲线构成，在该区域以外无法检测到该缺陷。 从图3中可以找到在每个特定角度探头下检测该缺陷回波信号幅值最大的检测位置。可以发现随着探头角度的增加，缺陷回波信号的最大幅值呈线性规律不断减小。综合图2图3， 可以看出当探头角度在30°到46°之间时缺陷回波信号幅值较大，检测效果较好。而且随着探头角度的增加缺陷信号回波的最大幅值是逐渐变小的。结果表明小角度斜探头对该缺陷的灵敏度比较高，而且在每个特定探头角度处都对应着一个最优探头检测位置即缺陷回波信号幅值最大的位置。由图2可知该缺陷检测的最优探头角度为30°，该探头的最优检测位置为62mm处。据此可以选择30°斜探头并安放在62mm处进行检测。
3)在计算机的控制下，超声波激励/接收模块产生特定频率的超声波激励信号， 通过传感器激励出超声波信号沿检测试件发射出去，并通过传感器接收反射的超声波信号，然后又经过超声波激励/接收仪器模块传输给计算机，通过计算机上与MULTY-2000相控阵仪器配套的采集软件即可获得角焊缝检测的回波波形，如图4所示。该图中的时间零点是20us处。
4)对缺陷信号进行定位计算，斜块引起的传播延时通过半圆形标准钢试块来确定，实验测得30°斜块引起的延时为10. 56us，超声波在试块中的传播时间经计算为 56. 4us。因此缺陷信号应该位于66. 96us处。
在实验室条件下又进行了多组实验研究，分别将探头置于不同位置对该缺陷进行检测，并将实验结果与仿真结果进行对比，发现两者的拟合程度很高，因此该方法完全可以实现检测要求。
权利要求
1. 一种基于CIVA仿真软件的管座角焊缝检测方法，本发明由信号采集模块、超声波信号激励/接收模块、传感器和数值仿真模块组成，其特征在于利用数值仿真模块进行数值仿真，得到传感器检测位置-幅值曲线，焊缝缺陷可检区域图形；根据该仿真结果选择传感器的检测角度和检测位置安放传感器；在计算机的控制下超声波信号激励/接收模块产生激励信号，通过传感器激励出超声波信号沿检测试件发射出去，并通过传感器接收反射的超声波信号，然后又经过超声波激励/接收模块传输给计算机；通过计算机里的采集软件即可获得检测波形，最后通过声程计算即可确定焊缝缺陷的位置；所述的传感器采用单个超声斜探头，所述的超声波激励/接收模块采用MULTY-2000系列相控阵仪器，所述的采集模块采用的是计算机及与MULTY-2000系列相控阵仪器相配套的采集软件，所述的软件仿真模块由CIVA仿真软件和MATLAB软件共同组成。
全文摘要
本发明是一种基于CIVA软件的管座角焊缝缺陷超声检测方法，属于无损检测领域。本发明利用数值仿真模块进行数值仿真，得到传感器检测位置-幅值曲线，焊缝缺陷可检区域图形；根据该仿真结果选择传感器的检测角度和检测位置安放传感器；在计算机的控制下超声波信号激励/接收模块产生激励信号，通过传感器激励出超声波信号沿检测试件发射出去，并通过传感器接收反射的超声波信号，然后又经过超声波激励/接收模块传输给计算机；通过计算机里的采集软件即可获得检测波形，最后通过声程计算即可确定焊缝缺陷的位置。本发明能够大大提高管座角焊缝的缺陷检测效率以及缺陷检测的可靠性。
文档编号G01N29/07GK102520067SQ20111042517
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者何存富, 侯松, 刘伟, 吴斌, 焦敬品 申请人:北京工业大学