一种不锈钢氩弧焊圆焊管焊缝缺陷涡流在线跟踪检测装置的制作方法

本发明涉及一种焊缝缺陷检测装置，尤其是涉及一种不锈钢氩弧焊圆焊管焊缝缺陷涡流在线跟踪检测装置。

背景技术：

为保证焊管焊缝质量，众多不锈钢焊管生产厂家在氩弧焊圆焊管焊接生产线上配备了涡流探伤装置，但是由于设备、模具、原材料等多种因素影响，致使生产过程中焊管焊缝与焊管轴线不能严格平行，具体表现为焊缝线以圆焊管垂直中轴面为中心摆动，最大摆动角度约15°，参见图1。

同时在焊管生产过程中，因其外表面焊缝经过整平与打磨，使得表面焊缝难以直接目视辨别。在对焊管焊缝进行涡流探伤过程中，因焊缝摆动过大，焊缝可能偏离涡流探头的有效检测区域，发生缺陷漏检现象，影响焊管质量。

目前，为补偿焊缝偏离造成的影响，多数检测装置采用以下两种探头，分别为带磁芯扁长直探头和不带磁芯椭圆马鞍式探头，分别如图2和3所示。其中，马鞍式探头覆盖的有效检测面积较大，但因马鞍式探头的磁场分布较为分散，检测灵敏度有限，只有当焊缝表面缺陷较大，通常穿孔直径时才能分辨，很多情况下不能满足检测要求；与马鞍式探头相比，带磁芯扁长直探头因磁场相对集中，因此检测灵敏度较高，但由于焊缝的随机偏移，导致带磁性扁长直探头检测时的有效提离距离增大，检测灵敏度急剧下降，致使焊缝表面或近表面的微小缺陷无法检出。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不锈钢氩弧焊圆焊管焊缝缺陷涡流在线跟踪检测装置，有效检测并跟踪焊缝偏移的具体角度，通过及时调整带磁芯扁长直探头的位置，保持检测有效提离距离不变，从而保证涡流探伤装置的检测灵敏度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中不锈钢氩弧焊圆焊管焊缝缺陷涡流在线跟踪检测装置，包括安装与定位板、焊缝偏移超声检测机构和涡流探头转动跟踪检测机构，其中具体地：

安装与定位板包括面板本体与定位组件，所述的定位组件包括多个立辊，多个立辊将待测试钢管进行挤压限位；

焊缝偏移超声检测机构设于所述的面板本体上，所述的焊缝偏移超声检测机构包括水槽、超声波探头和微处理器，所述的水槽上开设有沿x向贯穿水槽的孔道，所述的超声波探头设于孔道的两侧，待测试钢管被定位组件的送入所述的孔道中，超声波探头激发的信号对不锈钢焊管焊缝进行追踪，当超声波探头收到回波信号之后，微处理器对回波信号的时间进行计算，并且计算出焊缝方位以及偏移角度；

涡流探头转动跟踪检测机构设于所述的面板本体上，所述的焊缝偏移超声检测机构包括伺服电机、空心轴、同步带、法兰盘和涡流探头，所述的法兰盘与空心轴连接，所述的涡流探头连接于所述的法兰盘上，同步带一端与所述的空心轴传动连接，另一端被伺服电机传动带动，待测试钢管经由所述的孔道进入空心轴的内部，所述的伺服电机实时获取由微处理器发出的指令，并使得涡流探头偏转相应的角度，以此跟踪并检测待测试钢管上的焊缝。

进一步地，所述的定位组件包括第一立辊、第二立辊、第三立辊和第四立辊，所述的第一立辊与第三立辊对贯穿两者的待测试钢管提供y向挤压限位，所述的第二立辊和第四立辊对贯穿两者的待测试钢管提供z向的挤压限位。

本发明中的x向为水平方向，x向与水槽的孔道的轴向相同、且与空心轴的轴向相同；

本发明中的y向为水平方向，y向与x向垂直，

本发明中的z向为竖直方向，与面板本体所在的平面垂直。

进一步地，所述的第一立辊、第二立辊、第三立辊和第四立辊均由两个辊子、贯穿于两个辊子的轴、支架组成，所述的轴设于所述的支架上。

进一步地，每个辊子上设有与待测试钢管相匹配的凹弧面。

进一步地，所述的轴可被动力设备带动，使得辊子被一同带动，并使得挤压与两个辊子之间的待测试钢管进行x向的直线位移。

进一步地，所述的孔道两端设有与待测试钢管相匹配的密封圈，使得水槽的水可没过待测试钢管。

进一步地，所述的水槽顶部设有探头安装板，两个超声波探头连接于探头安装板上。

进一步地，所述的微处理器对回波信号的时间进行计算，并且计算出焊缝方位以及偏移角度，经过信号处理后，得到焊缝方位和偏移角度，并转换为伺服电机输出轴转动的圈数和方向，最后将该信息转换为电信号发送至伺服电机。

进一步地，所述的涡流探头沿法兰盘的径向设于法兰盘的盘面上，待测试钢管进入空心轴内部过程中，涡流探头与待测试钢管间的距离小于0.2mm。

进一步地，所述的法兰盘上沿法兰盘的径向设有行程气缸，所述的行程气缸的伸缩杆与所述的涡流探头连接，通过行程气缸控制涡流探头与待测试钢管间的距离。

进一步地，所述的面板主体为焊接平台。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中的在线跟踪检测装置有效地检测并跟踪焊缝偏移的具体角度，通过实时调整带磁芯扁长直探头的位置，保持检测有效提离距离不变，从而保证涡流探伤装置的检测灵敏度。

2)本发明中的在线跟踪检测装置利用焊缝材质与母材存在的声阻抗差异，利用超声波在管壁内传播到焊缝与母材结合面时产生脉冲回波，并利用回波波形确定结合面到探头的距离，进而计算焊缝具体偏转角度，显著的提升了获取数据的精准度。

3)本发明中的在线跟踪检测装置利用超声检测定位焊缝后，将涡流探头需要偏转的具体角度输送给微处理器，通过伺服电机驱动涡流探头实时移动，满足焊缝时刻处于涡流探头有效检测区域的要求，保证焊缝涡流探伤的有效性。

附图说明

图1为焊缝摆动示意图；

图2为带磁芯扁长直探头示意图；

图3为不带磁芯椭圆马鞍式探头示意图；

图4为检测回波示意图；

图5为超声波传播路径示意图；

图6为本发明中在线跟踪检测装置的结构示意图；

图7为本发明中机构安装与定位板的结构示意图；

图8为本发明中焊缝偏移超声检测机构的结构示意图；

图9为本发明中涡流探头转动追踪检测机构的结构示意图；

图10为本发明中行程气缸及涡流探头的结构示意图。

图中：1、机构安装与定位板，2、焊缝偏移超声检测机构，3、涡流探头转动跟踪检测机构，11、第一螺栓，12、第一立辊，13、第一手柄，14、第二立辊，15、第一轴承压板，16、第一轴承座，17、第二螺栓，18、第三立辊，19、第二手柄，110、第二立辊，111、第二轴承座，112、第二轴承压板，113、焊接平台，21、水槽，22、第一排水管，23、第二排水管，24、支架，25、第一密封圈，26、第二密封圈，27、弧形探头安装板，28、超声波探头，31、伺服电机，32、联轴器，33、第三轴承座，34、同步轮，35、同步带，36、第四轴承座，37、同步轮，38、法兰盘，39、行程气缸，310、涡流探头，311、导柱，312、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明中不锈钢氩弧焊圆焊管焊缝缺陷涡流在线跟踪检测装置，包括安装与定位板1、焊缝偏移超声检测机构2和涡流探头转动跟踪检测机构3，参见图1。

安装与定位板1包括面板本体与定位组件，参见图6与图7所述的定位组件包括多个立辊，多个立辊将待测试钢管进行挤压限位。定位组件包括第一立辊12、第二立辊14、第三立辊18和第四立辊110，所述的第一立辊12与第三立辊18对贯穿两者的待测试钢管提供y向挤压限位，所述的第二立辊14和第四立辊110对贯穿两者的待测试钢管提供z向的挤压限位。本发明中的x向为水平方向，x向与水槽21的孔道的轴向相同、且与空心轴的轴向相同；本发明中的y向为水平方向，y向与x向垂直，本发明中的z向为竖直方向，与面板本体所在的平面垂直。第一立辊12、第二立辊14、第三立辊18和第四立辊110均由两个辊子、贯穿于两个辊子的轴、支架组成，所述的轴设于所述的支架上。每个辊子上设有与待测试钢管相匹配的凹弧面。轴可被动力设备带动，使得辊子被一同带动，并使得挤压与两个辊子之间的待测试钢管进行x向的直线位移。面板主体为焊接平台113。

焊缝偏移超声检测机构2设于所述的面板本体上，参见图8，所述的焊缝偏移超声检测机构2包括水槽21、超声波探头28和微处理器，所述的水槽21上开设有沿x向贯穿水槽21的孔道，所述的超声波探头28设于孔道的两侧，待测试钢管被定位组件的送入所述的孔道中，超声波探头28激发的信号对不锈钢焊管焊缝进行追踪，当超声波探头28收到回波信号之后，微处理器对回波信号的时间进行计算，并且计算出焊缝方位以及偏移角度。孔道两端设有与待测试钢管相匹配的密封圈，使得水槽21的水可没过待测试钢管。水槽21顶部设有探头安装板27，两个超声波探头28连接于探头安装板27上。微处理器对回波信号的时间进行计算，并且计算出焊缝方位以及偏移角度，经过信号处理后，得到焊缝方位和偏移角度，并转换为伺服电机31输出轴转动的圈数和方向，最后将该信息转换为电信号发送至伺服电机31。

涡流探头转动跟踪检测机构3设于所述的面板本体上，参见图9，所述的焊缝偏移超声检测机构2包括伺服电机31、空心轴、同步带35、法兰盘38和涡流探头310，所述的法兰盘38与空心轴连接，所述的涡流探头310连接于所述的法兰盘38上，同步带35一端与所述的空心轴传动连接，另一端被伺服电机31传动带动，待测试钢管经由所述的孔道进入空心轴的内部，所述的伺服电机31实时获取由微处理器发出的指令，并使得涡流探头310偏转相应的角度，以此跟踪并检测待测试钢管上的焊缝。涡流探头310沿法兰盘38的径向设于法兰盘38的盘面上，待测试钢管进入空心轴内部过程中，涡流探头310与待测试钢管间的距离小于0.2mm。法兰盘38上沿法兰盘38的径向设有行程气缸39，所述的行程气缸39的伸缩杆与所述的涡流探头310连接，通过行程气缸39控制涡流探头310与待测试钢管间的距离。

本发明测试流程及机理

钢管焊缝经打磨抛光处理后，其外表面和母材平齐，直接观测无法区分焊缝与母材，因此难以确定焊缝的准确位置。本发明利用焊缝材质与母材存在声阻抗差异，超声波在管壁内传播到焊缝与母材结合面时产生脉冲回波，根据回波波形可确定结合面到探头的距离，进而计算焊缝具体偏转角度，图4所示为回波示意图。

在本实施例中，首先在焊管垂直中轴面两侧放置一对超声直探头，中心频率为5mhz，信号接收方式为自发自收，同时满足超声入射点与焊管垂直中轴面的偏移角度为20°±1°，确保覆盖焊缝偏移区域。超声波外壁入射点到焊管内壁的单程传播时间记为t0，当焊管壁厚一定时，t0为常数。超声波外壁入射点到焊缝与母材结合面处的单程传播时间记为t，其中左侧单程传播时间记为tl，右侧单程传播时间记为tr。检测时，两个超声波探头同时工作，分别检测同一焊缝两侧与母材结合面的超声反射回波信号，计算单程传播时间tl和tr。当tl>tr或左侧无反射回波时，则焊缝处于焊管垂直中轴面的右侧，即焊缝靠近右侧超声探头；当tl<tr或右侧无反射回波时，焊缝处于焊管垂直中轴面的左侧，即焊缝靠近左侧超声探头；当tl＝tr时，则焊缝与焊管垂直中轴面重合，即焊缝未发生偏移，与两侧探头距离相等。

以焊管垂直中轴面右侧超声探头检测为例，传播示意图如图5所示。

1、0＜tr/t0＜1时，此时焊缝靠近右侧探头，焊缝位于超声波外壁入射点至焊管内壁反射点声程内。

设o点为焊管剖面圆心点，b点为超声波到达结合面位置，c点为正常情况下超声波不经焊缝时应到达的焊管内壁位置。

在△oac中，α为超声入射角，β为超声折射角，由超声传播规律可知：

所以有β＝arcsin(c水c钢sinα)

式中，c水，c钢分别为水中纵波声速、焊管中纵波声速。

由正弦定理得：

因为

所以θ＝180°-∠aco-β

进而

在△oab中，ab＝tr*c钢。

因为

所以

进而

进一步：

2、1＜tl/t0＜2时，此时焊缝靠近左侧探头，焊缝和母材结合面处于焊管内壁第一次反射点至焊管外壁声程内。

设d点为超声波到达结合面位置，e点为正常情况下超声波不经焊缝时应到达的焊管内壁位置。

由反射规律及几何关系：∠aco＝∠deo

在△deo中

因为de＝(tl-t)*c钢

所以

进一步由反射规律及几何关系得：

即焊缝在该偏移情况下对应的偏转角

其他位置的偏转角度根据以上方法计算即可得到。

具体运行过程

本实施例中的检测装置共由三部分组成，分别为机构安装与定位板1、焊缝偏移超声检测机构2、涡流探头转动跟踪检测机构3，如图6与7所示。机构安装与定位板1、焊缝偏移超声检测机构2、涡流探头转动跟踪检测机构3三者在具体运行过程中为一体化联动模式，但为了更清楚的表达每个部分的运行细节，以下内容从三各部分进行分别阐述。

其中，机构安装与定位板1如图6所示，机构安装与定位板1包括：第一螺栓11、第一立辊12、第一手柄13、第二立辊14、第一轴承压板15、第一轴承座16、第二螺栓17、第三立辊18、第二手柄19、第四立辊110、第二轴承座111、第二轴承压板112、焊接平台113。

具体运行时，不锈钢焊管穿过检测装置并做匀速直线运动，通过调节第一螺栓11与第二螺栓17使得第一立辊12与第三立辊18在y轴方向上压紧钢管，进而钢管不发生左右移动，辊子通过轴和支架相连接，支架底部用螺栓固定在焊机平台上。并且通过调节第一手柄13和第二手柄19使得第二立辊14及第四立辊110在z轴方向上压紧钢管，能够保证钢管在运动的过程中不发生上下运动。其中手柄安装在支架上，并通过螺栓固定在第二轴承座111上，辊子两端各设置第一轴承座16，第一轴承座装配有第一轴承压板15与第二轴承压板112，并且其中装配着轴，轴分别和轴承压板内侧辊子以及轴承压板的外侧万向节联轴器相连接，可以给辊子提供动力，使其保持同等转速转动，从而推动钢管匀速运动，第一轴承座16紧固装配在支架上面，支架底部用螺栓固定在焊机平台113上。因此辊子不仅可以起到辅助定心的作用，而且可以保证钢管通过检测装置位置时沿x轴方向做直线运动。

焊缝偏移超声检测机构2如图6与8所示，该部分包括：水槽21、第一排水管22与第二排水管23、支架24、第一密封圈25与第二密封圈26、弧形探头安装板27、超声波探头28。

具体运行时，水槽21中盛装一定数量的自来水，水的量以漫过钢管且超声检测传感器浸入水中为标准。槽中的自来水每天通过第一排水管22与第二排水管23排放更换一次，设置在水槽箱底的第一排水管22可以有效地清除杂质，从而能够防止水中杂质影响有效超声检测信号的获取。水槽箱底用螺栓固定在支架24，水槽箱各结合位置均焊接而成，支架各部分焊接成一体，支架24用螺栓固定在焊机平台113上。钢管穿入和穿出水槽位置用第一密封圈25、第二密封圈26密封，防止水外流。当不锈钢焊管完全穿过水槽两侧时，可通过水槽顶部直接加注自来水，以此满足超声检测需要。弧形探头安装板27通过螺栓和水槽两侧支架固定在一起，弧形探头安装板27的安装高度高出水槽顶部5mm，用来安装固定两个超声波探头28，以此来检测焊缝的偏移情况。超声探头激发信号对不锈钢焊管焊缝进行追踪，当超声探头收到回波信号之后，微处理器对回波信号的时间进行计算，并且计算出焊缝方位以及偏移角度，经过信号处理后，将表示焊缝方位和偏移角度的信息传输给涡流探头转动追踪检测机构3。

涡流探头转动跟踪检测机构3如图9所示，涡流探头转动跟踪检测机构3包括：伺服电机31、联轴器32、第三轴承座33、同步轮34、同步带35、第四轴承座36、同步轮37、法兰盘38、行程气缸39、涡流探头310、导柱311、弹簧312。

具体运行时，当tl≠tr时，伺服电机31动作，通过联轴器32，驱使安装在轴承座33的同步轮34转动，接着同步轮34通过同步带35带动装置在轴承座36的同步轮37转动。第四轴承座36中装配有空心轴，空心轴通过轴肩与轴承限位在两个轴承座之间，并将同步轮37通过键与键槽与空心轴固定在一起，法兰盘38通过螺栓固定在空心轴上，同步轮37带动空心轴运动，从而带动法兰盘38一同转动，此刻行程气缸39在法兰盘38驱动下，带动安装在垂直于焊管纵向中轴面的涡流探头310旋转对应的偏移方向以及角度，参见图10，使得焊缝处于涡流探头的有效检测范围内。当运动到对应位置时，通过调节行程气缸39向下运动，使得涡流探头310和焊管之间的距离保持在0.2mm以内，并且不能和焊管接触，装置在导柱311上的弹簧312，在弹力的作用下能消除因探头上下抖动带来的焊缝缺陷误报现象，最终可以实现对偏移焊缝缺陷的跟踪探伤。当数据处理系统把涡流信号处理完成之后，涡流探头在法兰盘的带动下自动运动到垂直于焊管纵向中轴面。

具体运行时，当tl＝tr时，通过调节可调行程气缸39使得涡流探头310和焊管之间的距离保持在0.2mm以内，并且不能和焊管接触，进而对焊缝进行探伤。所有装置都安装焊接平台113上。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。