本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种薄板栅格翼结构焊缝相控阵超声检测装置及检测方法。
背景技术：
无损检测(Non-destructive Testing，NDT)是一种以不损害被检试样的形貌与使用性能的前提下，应用多种物理及化学途径，对检测物体内部的缺陷区域进行有效的检验与测试，确定典型缺陷组织大小、形状、位置和性质等信息，确保其在使用中能达到预期的使用寿命和安全性。超声检测(Ultrasonic Testing，UT)是利用超声波在被检试样内部的传播路径上存在明显的声学传播差异的界面或者区域(如缺陷区域)时，产生的反射、折射、透射、散射、衍射、谐振和衰减等现象，通过分析回波信号的能量幅值、频率、时间等信息，将缺陷组织或内部结构的相关信息以可见图像的形式表示出来。目前超声检测是工业无损检测领域应用最广泛且最有效的方法之一。
相控阵超声检测技术(PAUT)是近年来超声无损检测领域发展起来的新技术，通过控制阵列换能器中各独立压电晶片发射/接收声波的延迟时间来实现超声波束在介质中的偏转、聚焦，从而进行无损缺陷检测。相控阵超声检测分为超声波发射与接收两部分，相控阵超声发射的工作原理基于惠更斯-菲涅尔原理，使用同频率的脉冲信号激励各阵元，所产生的超声波会互相干涉，形成合成波阵面；只要改变各阵元的脉冲激励时间，按照一定规律设置延迟时间，则根据惠更斯原理，超声波将在空间中叠加形成新的波阵面，从而实现声束偏转或聚焦等特性。相控阵超声接收过程同理，当合成波阵面遇到缺陷后就会产生回波信号，到达各阵元的时间存在差异，按照回波到达各阵元的时间差对阵元信号进行延时补偿并相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消从而得到超声扫描图。与传统单/多通道超声检测相比具有声束灵活可控、探头小巧便携、扫查速度快、检测精度高、分辨力强等优点，可以做到少移动探头的情况下进行大面积区域电子扫查。
栅格翼是一种新型的承力稳定面和控制面，被广泛应用于军工产业。栅格翼结构的焊缝区域是应力集中区域，在制造和使用过程中容易出现裂纹、未焊合、未焊满等缺陷，为保证栅格翼的安全使用，有必要采用先进无损检测技术对其进行检测。然而栅格翼焊接区域结构复杂、被焊零件厚度薄、可探测空间小等因素造成普通无损检测方式难以施展，因此，迫切需要一种同时满足快速检测要求和全覆盖检测要求的新型无损检测方法。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种对栅格翼结构焊缝区域进行超声检测的检测装置及检测方法，以同时满足快速检测要求和全覆盖检测要求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种薄板栅格翼结构焊缝相控阵超声检测装置，用于对栅格翼工件焊缝区域进行超声检测，包括：计算机1、相控阵超声板卡2、相控阵超声线阵换能器3、楔块4、六自由度机械臂5和夹具；
其中，所述计算机1与相控阵超声板卡2连接，用于控制相控阵超声板卡2激发和接收超声波，并对回波信号超声进行处理；所述相控阵超声板卡2与相控阵超声线阵换能器3连接，所述相控阵超声线阵换能器3是具有多个阵列压电晶片的平直探头，其参数包括中心频率、探头的阵元的个数、阵元间距和阵元宽度；楔块4是能够与相控阵超声线阵换能器3阵元表面和栅格翼工件焊缝区域表面相耦合的中介，材料为有机玻璃，与相控阵超声线阵换能器3通过螺丝连接在一起，其几何参数包括前沿高度、楔块(4)上最高阵元的高度、斜面倾斜角度、长度和后沿高度；六自由度机械臂5作为检测扫查器，一方面与计算机1连接，由计算机1控制其运动轨迹，另一方面六自由度机械臂5末端连接所述夹具以带动相控阵超声线阵换能器3与楔块4对待检栅格翼工件进行检测；计算机1还用于把采集到的超声回波信号与采集到的六自由度机械臂5位置信息相结合，生成成像结果。
优选地，所述计算机1与相控阵超声板卡2使用网线进行连接。
优选地，所述相控阵超声板卡2与相控阵超声线阵换能器3电连接。
优选地，所述六自由度机械臂5使用网线与计算机1连接。
本发明还提供了一种利用所述的装置进行超声检测的方法，包括以下步骤：
第一步、相控阵线阵换能器3参数确定步骤，根据检测灵敏度、分辨率和声波衰减，确定探头的中心频率；根据阵列孔径、横向分辨率，确定探头的阵元个数；根据消除栅瓣条件的公式确定阵元间距；根据偏转方向的声压最大化原则，确定阵元宽度；
第二步、楔块4几何参数及位置确定步骤，由第一步确定的相控阵线阵换能器3参数，以及最优化延迟时间原则确定楔块4斜面倾斜角度与长度，由栅格翼工件的结构尺寸确定前沿高度、楔块(4)上最高阵元的高度、后沿高度及楔块4的位置；
第三步、超声波束激发方案确定步骤，利用多个所述阵元，通过控制波束的偏转实现在焊缝检测区域的扇形扫查，扇扫中不同的激发孔径按照不同的偏转角度和聚焦深度使聚焦点正好位于焊缝上的不同位置，实现对焊缝区域的扇扫声束全覆盖；
第四步、形成超声回波信号的步骤，由第一步、第二步、第三步确定的检测方案对所述栅格翼工件焊缝区域进行检测，所述超声波束遇到所述栅格翼工件焊缝区域形成超声回波信号经由所述各阵元接收并形成A扫描信号；
第五步、图像处理步骤，所述A扫描信号由所述相控阵超声板卡2接收，与采集到的六自由度机械臂5位置信息相结合，转化为S扫描图与C扫描图。
优选地，所述第一步中，阵元间距取小于波长，且大于半波长。
优选地，第三步具体为：首先，确定每个激发孔径的聚焦深度与偏转角度：根据栅格翼工件中扇扫波束角度上、下限β1与β2通过一次反射方式聚焦在焊缝的上表面点S1和下表面点S2，计算出波束角度范围、孔径大小、扫描步进角，从而确定激发孔径个数，进而检测到激发孔径发射声束的聚焦深度和偏转角度；
然后，确定单个激发孔径中各阵元的延迟时间：(1)根据Fermat原理，计算第i个阵元点的发射声波传播至聚焦点所需的最小声波传播时间；(2)计算激发孔径中各个阵元的发射声波传播至聚焦点所需的最小声波传播时间，获得其中的最大传播时间；(3)根据所述最大传播时间计算每个阵元激发声波的延迟时间。
优选地，第五步中，首先，绘制真实深度S扫描成像图，具体步骤如下：(1)按照检测的采样时间、采样频率与扇扫角度确定一个能包含所有扫描点的图像矩阵；(2)绘制出每条激发孔径的声束路径，将A扫描信号按照采集顺序填入声束路径上对应所述图像矩阵的点；(3)对各个激发孔径之间的图像空白点进行插值，形成一个平滑的扇状图像；(4)按照声波反射次数和栅格翼工件的板厚对图像进行折叠处理，一次反射折叠一次；
然后绘制C扫描成像图：由形成的真实深度S扫描成像图得出缺陷的位置及所对应的激发孔径，以扫查位置，即六自由度机械臂5位置为横坐标，以A扫描信号采集顺序为纵坐标建立二维图像矩阵，取检查时不同时间该激发孔径所采集的A扫描数据填入二维图像矩阵，形成C扫描成像图。
优选地，所述栅格翼工件为金属材料。
优选地，所述栅格翼工件为金属板。
(三)有益效果
本发明通过选用高频相控阵超声线阵换能器再设计与之配合的特殊形状楔块来对栅格翼结构的焊缝区域进行无损检测，无需改变探头位置即可扫描整个焊缝区域，提高无损检测的便利性；由机械臂夹持换能器进行扫描，可实现检测的智能化、高效化。解决了快速检测与检测精度相矛盾的问题，能够满足各类自动化检测试验需求。
附图说明
图1为本发明的检测装置示意图；
图2为本发明的扫描方案示意图；
图3为本发明的扫查方向示意图；
图4为本发明的延迟时间算法示意图；
图5为本发明的超声扫描成像示意图；
图6为本发明的扫描数据填充示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，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。
如图1所示，本发明提供了一种薄板栅格翼结构焊缝相控阵超声检测装置，用于对栅格翼结构焊缝区域进行超声检测，包括计算机1、相控阵超声板卡2、相控阵超声线阵换能器3、楔块4、六自由度机械臂5、夹具(未示出)。待检工件为栅格翼工件。其中，计算机1与相控阵超声板卡2使用网线进行连接，计算机1通过软件控制相控阵超声板卡2激发和接收超声波，并对回波信号进行处理；相控阵超声板卡2与相控阵超声线阵换能器3电连接，相控阵超声线阵换能器3是指具有多个阵列压电晶片的平直探头，其检测参数至少包括中心频率、阵元个数、阵元间距、阵元宽度；楔块4是指能够与超声换能器3阵元表面和栅格翼焊缝区域表面相耦合的中介，材料为有机玻璃，与相控阵超声线阵换能器3通过螺丝连接在一起，其几何参数至少包括前沿高度、楔块4上最高阵元的高度、斜面倾斜角度、长度、后沿高度；六自由度机械臂5作为检测扫查器，一方面使用网线与计算机1连接，由计算机1通过软件控制其运动轨迹，另一方面机械臂5末端连接夹具带动相控阵超声线阵换能器3与楔块4对待检栅格翼工件进行检测；计算机1把采集到的超声回波信号与采集到的机械臂位置信息相结合，生成成像结果。本实施例中，所述相控阵超声板卡2的型号是M2M的MULTI2000POCKET，所述六自由度机械臂5的型号是STAUBLI的CS8C-RE160。
以上述的相控阵超声线阵换能器3对栅格翼结构焊缝区域进行缺陷检测时，先用相控阵超声板卡2以具有微小时差的电脉冲信号分别激励相控阵超声换能器3的各阵元，由于阵元实质上是电声、声电转换的压电晶片，故相控阵超声换能器3的各阵元发出超声波，根据惠更斯原理形成超声合成波束射向栅格翼工件的焊缝区域内部，当声波遇到缺陷后会以缺陷回波形式返回，且该缺陷回波以可计算的时差返回到各阵元。在信号汇合前，各阵元所接收的回波信号之间均有时差。信号汇合后形成的A扫描图形，显示了材料中某一焦点的回波特性。如图2所示，受金属薄板厚度的影响，如果发射声束采用直接入射方式检测，会造成偏转角度过大难以聚焦的现象，故激发的超声波采用扇扫形式并经过一次(或多次)反射方式入射至焊缝检测区域的扫描方案。由于楔块4的存在，超声波斜入射到工件中会发生波形转换，产生横波和纵波，如果两种声波同时存在，会对检测结果产生互相干扰，因此需合理设计入射角度，避免产生纵波。
在本发明中，栅格翼工件的焊缝区域声束控制聚焦原理如下，即，通过扇扫中每个的激发孔径控制各阵元发射或接收声波的时间延迟不同，实现相控阵偏转和聚焦等相位控制，在不同激发孔径中，按照不同的偏转角度和聚焦深度使聚焦点正好在焊缝上的不同位置，使在纵向不移动相控阵换能器3的情况下，实现声束对整个焊缝区域的全覆盖。
下面针对具体栅格翼试样结合附图对检测方法进行实施例的说明，待检栅格翼工件采用激光钎焊工艺焊接而成，材料为钛合金，纵波声速6006m/s，横波声速2957m/s，板厚3mm，在十字结构竖直焊缝上预埋矩形槽模拟缺陷，缺陷1槽长3.0mm、槽宽0.3mm、槽深1.5mm，距离邻近端面距离20mm，用来模拟裂纹缺陷，缺陷2槽长3.0mm、槽宽0.3mm、槽深3.0mm，距离邻近端面40mm，用来模拟未焊合缺陷。检测示意图如图3所示。
首先，设计相控阵超声线阵换能器3参数，主要参数有中心频率、阵元个数、阵元间距、阵元宽度，检测采用相控阵的扇形扫描方式，要求检测精度Δd≤0.4mm可按照如下步骤进行：(1)确定探头的中心频率，根据检测精度要求，探头中心频率满足f≥cl/(2Δd)，则探头频率f要大于7.5MHz，又因为声波在钛合金介质中传播时衰减比较小，可适当选择较大频率的探头，在此选取10MHz的探头；(2)确定探头的阵元个数，为了保证高的横向分辨率，最少需要16个阵元晶片作为一个阵列孔径进行发射，又采用了扇形扫描的方式，因此增加阵元个数可以增加扫描范围，在此选用64个阵元晶片；(3)确定阵元间距，根据所确定探头频率，可以计算出声波波长为0.3mm，因为阵元个数足够多，只需要满足阵元间距小于波长、大于半波长即可，所以阵元间距应在0.15mm到0.3mm间，在此可以取探头常用的阵元间距0.25mm；(4)确定探头的阵元宽度，根据所选取的阵元间距与偏转方向的声压最大化原则，可选取探头常用的阵元宽度0.2mm。
然后，设计确定楔块4的几何参数及位置，考虑到声束经过一至两次反射到达焊缝位置，且声束偏转角不能过大，可以取声束在工件中横波折射角范围：50°≤β≤70°，则根据斯涅耳定律所对应的声束入射角度为：37.3°≤α≤48°，为减少相控阵超声各阵元延迟时间对声束能量的影响，楔块4倾斜角应尽量垂直于入射声波，可确定楔块4斜面倾斜角θ＝(37.3°+48°)/2≈43°。根据确定的θ，计算楔块4所需最小长度L＝(N-1)dcosθ；其中线阵换能器3阵元个数为N，阵元间距为d，楔块倾斜角为θ，实际选取中，要留有3-5mm的盈余距离，以保证波束不会被楔块4后沿干扰，可确定楔块4长度L＝26.5mm。楔块4的前沿高度可在加工工艺要求能满足条件下尽可能小即可，可取3mm。楔块4上最高阵元的高度在前沿高度的基础上加入适当余量，可取4.5mm。根据前几步确定的楔块4参数，设计合适楔块4后沿高度，只需保证斜面长度大于阵列阵元长度即可，可取18mm。楔块4位置的选择如下：楔块4后沿尽可能靠近栅格翼竖板，同时考虑焊缝区域的凹凸不平，可与栅格翼竖板保持1至2mm的距离即可。
以上可以确定楔块4斜面倾斜角θ＝43°，楔块4长度26.5mm，前沿高度3mm，楔块4上最高阵元的高度4.5mm，楔块4后沿高度18mm，楔块4后沿与栅格翼竖板距离2mm。选取中心频率为10MHz，阵元个数64个，阵元间距为0.25mm，阵元宽度为0.2mm的线阵换能器3放置于楔块4上。
下面根据选取的换能器3、楔块4参数以及扫描模式(相控阵超声扇形扫描)确定超声波束激发方案，以一次反射方式为例，说明如下：
首先，确定每个激发孔径的聚焦深度与偏转角度，如图2所示，栅格翼工件中扇扫波束角度上下限β1与β2通过一次反射方式聚焦在焊缝的上表面点S1和下表面点S2，可计算出波束角度范围为58°～70°，孔径大小64，扫描步进角1°，因此总共有13个激发孔径。则检测激发孔径发射声束的聚焦深度和偏转角度如下表所示。
然后，确定单个激发孔径中各阵元的延迟时间，以上表中第六个激发孔径为例，如图4所示，线阵换能器3阵元个数为N，楔块4介质1中纵波声速c1，工件介质2中横波声速c2，交接界面I(s)，声波经过一次反射传播至聚焦点P。红色路径表示正确的声波传播路径，根据Fermat原理，该路径具有极值的声传播时间，对于常见的交界面，该值即对应了传播的最小时间，可通过枚举迭代的方法数值确定。步骤如下：(1)根据Fermat原理，计算第i个阵元点的发射声波传播至聚焦点P所需的最小声波传播时间TOF(i)：
xi是声束在楔块4的入射点，Txi是xi的相对坐标，s'是声束在待检测栅格翼工件的入射点，I(s')是s'的相对坐标，根据声波的反射定律，聚焦点P可用点P’代替；(2)计算激发孔径中各个阵元传播至聚焦点P的声波传播时间TOF(i)，获得最大传播时间(3)计算每个阵元的延迟时间为Delay(i)＝Tmax-TOF(i)，利用上式可算出线阵换能器3每个激发孔径中每个阵元晶片激发声波的延迟时间。
使用上述偏转聚焦声束对栅格翼工件进行缺陷扫查，回波信号被相控阵系统接收，获得A扫描数据，计算机中的图像处理程序根据栅格翼工件的焊缝区域形状采用公式(1)的最短路径算法从而获得栅格翼工件真实深度S扫描成像图，这样，就能准确地反映栅格翼工件的焊缝区域内部的缺陷状态，并以此为基础完成缺陷定量、定位检测。同时结合具体检测时机械臂5的对应位置，绘制C扫描成像图，即可直观看出缺陷的纵向位置。具体地，如下所述，图5为相控阵超声扫描成像的真实深度S扫描成像和C扫描成像示意图，这里，仍以板厚为3mm的栅格翼工件为例，说明如何根据采集的A扫描数据绘制出焊缝区域的真实深度S扫描成像图与C扫描成像图。
首先，绘制真实深度S扫描成像图，由上述说明可知一共有13个激发孔径，因此会产生13条A扫描数据，代表着13个激发孔径上声波回波的声压幅值，具体步骤如下：(1)按照检测的采样时间、采样频率、与扇扫角度确定一个能包含所有扫描点的图像矩阵；(2)利用计算机软件绘制出每条激发孔径的声束路径，将A扫描数据按照采集顺序填入路径上对应图像矩阵的点；(3)对第1个激发孔径和第13个激发孔径之间的图像空白点进行插值，形成一个平滑的扇状图像；(4)按照声波反射次数和工件板厚对图像进行折叠处理，本例中采用一次反射，因此折叠一次，折叠时叠加点最大值原则取值。如图5(a)所示，为根据A扫描数据填充到栅格翼结构数据矩阵形成的真实图像，可以直观看到缺陷在检测截面的位置与尺寸。
然后，绘制C扫描成像图，由上一步形成的真实深度S扫描成像图可以得出缺陷的位置及所对应的激发孔径，以第6个激发孔径为例，如图6所示，一组A扫描数据为50个，扫查位置为25个，以扫查位置(机械臂5位置)为横坐标，A扫描数据采集顺序为纵坐标建立二维图像矩阵，取检查时不同时间该激发孔径所采集的A扫描数据填入二维图像矩阵，框内代表一组A扫描数据，即可形成图5(b)所示的C扫描成像图。可以直观看到缺陷在扫查方向上的位置。
可以看出，本发明提出一种基于相控阵超声检测技术对栅格翼结构焊缝区域进行超声检测的检测装置及检测方法，能够同时满足快速检测要求和全覆盖检测要求，相控阵探头本身尺寸较小，可以方便安放在复杂型面结构上进行检测，通过电子控制方式动态改变激发声束的偏转与聚焦，无需改变探头位置即可扫描整个焊缝区域，同时将接收的回波信号进行延时处理，便能获知焊缝区域缺陷的具体形状、位置与尺寸，实现对焊缝区域中各类微小缺陷进行高效、精确、便捷的无损检测，提升相关工业设备使用安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。