（材料加工工程专业论文）铜—钢无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究.pdf

硕 士论 文 铜一俐无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 ab s t r 8 c t reseax c h on the cop per s t e e l non . d e p t h offus in n we ld 。 i ntdefe c t 、 甲 a s sys t e matic al ly 佣d ucted in thi st h e s i s ， by me ans o ft 】 l ec t s 一 2 2s u p e r s o n 1 ci n s t ru me n ta t 1 o nandt h e aut o m atics u per soni cexamination sys t e m. ai 1 h es am eti meby usingth edi r e c t con t a c t p r o cessand t h e w a te r l n u n ersi on 丘 兄 using m e t h o dsep ar a t e ly， t h e te ston the cop per s 抚 思 1 we ld oi nih asbeen c 别 rr ied. t b e c 0 p pe r s t e c l non 一 d e pth o f 佃i o n wel d j o int wel d i n g c h ar a c te ri s ti c ， w 七 l d j o int 画 on c h ar a c t e ri stic、 ， a sana l y zed . u se t h es u pers onicexam ination andthe des t ruc ti ve exaj . i n a t l o n w a 丫d e fi ni tec o p p ers t e e l no介 d e p t h o f fu s i o n wel d j o int defe ct t y pe. 了 恤 佣g h the t h e o r e t 1 c alana l y sis an d the exp e r i m e nt ， c hoses u pe r s onic p r o be ， it h as 比e n pos s i b l e toexami ne勿 the c o ppers l e e l non 一 d e p tho f fus i o n wel d j o i nic o p pe r s i de s u ri 触 c e bel o w6 m ms cop e c o p pe r 而c kn e s s an d int h e cop per steelcon ta c t s u r fa c e de fe ct and th e p r o be， s corre l atio n 翻 ect i o np a 叮 a 幻 n e te l b 别 犯 don cop p ersteelnon- 山砷 of 佃i on weldj o int de fe ctt y p e ， p re p are m ai n 州 i fic i a l d e fec l . h ase st a b l l s h e d ta k e the s 加 口 d ar d d efectas u p ers。 滋 c exami natio n p ro fil e asthe b as is d i s ta 叮 ce g ains i ze c u r v e ，a r e a田 旧 p 1 i to d ere s pon s ec u r v eandrefl ecti on al t 1 t u d eo f u 】 t n 巧 佣i c -d i s tance curv e ， for t h ecop pe r stee l non 一 d e p t ho f fusi o nwel dj o i ni de fe c t l o c al i 乙 战 1 0 氏the q u o t a h asc o n s tr ” c t e d th e j u d 脚e ntfr a m e i ni t i al ly. m 雨n gsp e c t r a 1 ana i y s i so nthe de fe cts upe rs o n i cp r o fi l e ， the ti m edom ai 氏the 份 闪 u e n c y 晓 in g e 明dth ewavel e t ana l ys i s c h ar a c t e ri s t i c s o f d i ffer e n t d e fe c t sh asb een w i t h 山 ra 认 ， . itp ro vi d e s a d al 以s u p p o rtfo r the re alizatin nofthe dsfe ctre co州tion w i t h a 以。 mat 1 c s u per sonic exam i n at 1 o n s y s t e minthe fut u r e ， a n dal sop rovi des a fo u n d atio n for the a u t o m at i c s u p ers o n i c e x 别 m l n at l on s y s t e mt hre s holdv ai ue e s 恤 b l is 】 1 1 1 ， e n t stee l non 一 d e pth o f fu s io n we ld j o ini， u ltr a s oni c te sti ng， abs t r a c ti on ，a j l a l y s i s o f d e fe ct凡p p l e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的 部分外，不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作 了明确的说明。 研 究 生 签 名 :在、 抵 2 阵2 月 / 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅 或上网公布本学 位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关 规定和程序处理。 研究生签名: 叙 、 毅 .、 了 年7 月 7 日 硕 士论 文 俐一俐无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 绪论 1 . 1 超声检侧技术现状 超声检测的历史 可以 追溯到七十年前. 1 9 2 9 年， s o k ol o v 首先提出用超声波检查 金属物体内 部缺陷的建 议， 并于 1935年发 表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试 验的结果。 他用各种方法做了 试验， 用来检 测穿过 试件的超声能量， 其中之一是用简 单的光学方法观察液体表面由 超声 波形成的 皱纹; 另一种装置用四水酒石酸钾钠压电 晶体与放大器和测量仪表连接起来， 与今天使用的常用超声检测装置己经很类似。 超 声检测发展至今，己 成为使 用最广泛的无 损检测手段之一111 。 1 . 1 . 1常规超声检测技术概述 在常规的 超声检 测技术中， 穿透法和脉冲一反射法( 或称脉冲回波技术) 是比 较成 熟的。 a . 穿透法 材料的 非连续性是超声 波传输的障碍，超声波通过障碍时只能透过一部分声能. 在检测时，把 超声发送探头置于 试件的一侧， 而把接收探头置于 试件的另一 侧( 见图 1 . 1 . 1) ，保证探头与试件之间有良 好的 声祸合，并使两个探头在一条直线上，这样通 过分析接收到的 超声参数 ( 声时或波速、 强度、 频率、 波形等) ， 从而推测出内 部缺陷。 厂 月 日 株拜麟 亡 图1 . 1 . 1穿透法检测缺陷原理图 b. 脉冲反射法 脉冲反 射法是利用超声波入射到两种不同 介质交界面上发生反射的 原理。 ( 原 理 见图 1 . 1 . 2 ) 采用同一个换能器兼作发 射和吸收， 接收 信号显示在检测仪的荧光屏。 在实际 探测中， 常用的有直 接接触脉冲反 射法和脉冲反射液浸法121 。 硕士论文创一钥无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 赎彝 图1 . 1 .2脉冲一反射法检测缺陷原理图 1 . 1 . 2超声检测技术新进展 目前， 超声检测技术己 经广泛应用于航天、铁路、 化工等产业以提高产品质量和 保证安全运行， 己 经取得了 显著的经济效益和社会效益， 但是超声检测技术的确还存 在不少不可忽视的重要问题需要研究和解决， 诸如: 超声检测中如何确定和调整灵敏 度与分辨率、 超声检测中的定性、定位和定量:超声检测中设备与探头的评价;非金 属材料超声检测;粗晶材料的超声检测: 超声检测中的信号处理技术;超声成像技术; 材料 性能的超声检测以 及超声检测的可靠性等131 。 根 据惠更斯声波绕射理论，声波绕射本领取决于缺陷尺寸 d和声 波长入 之比。 当d 入 时， 能正确检测。 因此， 一般认为其最大检测能力 珑 【间 。 但刘守军在以 工件大 平底和平底孔为基准运用超声连续波的检测理论测定脉 冲反射法的最大检测能力时发现， 脉冲反射法对缺陷的检测能力与探伤频率、 检测范 围、 材质结构、材质衰减及仪器设备都有密切的关系【“】 。 从 理论 研究方面看， 对于 超声波在固体中的传播及散射理论 提出了 一系列的数学 模型 和 方 程 超 声 检 测 中 缺 陷 的 定 性 技 术 至 今尚 无 成 熟 的 模 式 171 。 常 规 方 法 主 要是 根 据 波形变化的静态和动态特征和缺陷的分布状态， 结合 被检材料的加工工艺， 通过各 种 不同的精确扫描方法， 并辅以 其它可能的 试验方法， 进行综合分析和判断 15 。目 前对 a型脉 冲反射式超声波探伤法， 主要有分布状态判断法、 回波个数判断法、 回 波高 度 判断法、回 波根部判断 法、 动态波形判断 法、 静态波形判断 法、 底波影响判断法、 回 波下降速率法、 更换探头试验法。 为克服人为因素的影响， 国内 外都在研究缺陷定性 检测的新技术. 目 前， 超声成像、 超声频谱和模式识别等缺陷定 性技术获得发展和 应 用19-j 1 。 李珑还提出 瞬时频率的检测定性方法， 从理论到实际 讨论了瞬时频率和材料 特性之间的明确的定量关系， 利用瞬时 频率的分 布和它在被测范围内的 平均值， 可以 表征材料特性和缺陷性质，具有较好的应用前景112 10 激光超声是利用激光作为超声产生和测试的一种新方法， 它具有和传统压电工艺 相比 无需祸合、 对检测对象表面无严格要求等优点， 但同时又有其缺点， 主要是检测 硕 士 论 文铜一俐无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 信息的分析定性比较困难。j . emo nchal inandj . d . a usse l 利用点发射源和点接收源 对超声 速率及衰减进行了 检测， 并在分析中采用了 非线性方法11 31 .南荣铰11 叼 等人用 可视化方法对斜角探头的超声指向性进行研究。 井上裕嗣115 1 则对超声波形从物理数学 的角度进行了分析。 国外己把 100 翩2以上采样频率的高速 a/d 技术用于超声波信号的采集，大容量 缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理己实现 a 、 b 、 c扫描。 虽然 国内 己开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。 因此， 开展该项技术的研究，如何把高速 a /d 技术、大容量缓冲技术以及信号的 处理、 分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一 项具有现实意义的课题， 它可提高我国无损检测技术水平， 跟上世界先进的现代工业 检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶。 除了 系统越来越自 动化， 越来越智能 化， 超声检测技术也有很多创新。 目 前出现了 很 多 新的 超声 探伤技术和超声信号分析技术 1161 。 ( 1) 时间 渡越衍射技术:当超声波 碰到裂纹状缺陷时，不仅发生反 射，而 且还会在缺陷 尖端很宽的角度范围内产生 衍射波， 衍射波的空间 距离与传播时间和缺 陷 尺寸有直接关系，只要已 知各波的延迟时间即可计算出缺陷的尺寸和位置。 ( 2) 合成孔径成 像技术: 常规的超声成像技术， 其方位分辨率与换能器的尺度、 工作频率的波长及探测的距离有关。 而在合成孔径成像技术中， 合成孔径方位分辨率 是一个常数与 目 标至换能器的距离无关，与工作波长也无关.因此， 这种技术对较深 处的伤痕具有高方位分辨率的探测。突破了经典成像概念的限制。 ( 3 ) 裂谱分析:本项技术是利用分裂所接收到的信号频谱实现的，即按一定的 间 隔将高斯叠 加频带通过具有中心频率的滤波器，利 用所用的滤波器个数( n)，采用 反 傅里叶变换得到的时域信号n 数， 将这些时域信号的n 数经过诸如最小化和极性阑 值化处理，以择取有用的信息。裂谱分析技术广泛应用于噪音材料， 例离心铸造的不 锈钢，碳纤维合成材料，焊接接头和叠层材料的超声信号分析中。 ( 4 )能谱分析与相关: 能量谱( 简称能谱 ) 或功率谱是表示 信号的能量或功率密 度在频域中 随频率的 变化情况。 它对 研究信号的 能量( 或功率) 分布， 决定信号所占 有 的频带等问题有着重要的作用。 特别对于随机信号，不能用确定的时间函数表示，当 然也无法用频谱来表示.在这种情况下，往往用功率谱来描述它的频域特性。 ( 5 )模式识别技术: 模式识别是用来对照、 模仿的样本， 它可以 是图形、 文字 等。 它是识别事物与 某种样本模式相同 或相似， 从而将客观事物进行分类与描述， 且 使识别错误的概率达到最小。 (6)聚 类 分 析: 聚 类 分 析 又 称 为 集 群 分 析， 就是 将 特征 接 近的 信号 归 为同 一 类 的一种分析方法。 硕士论文 铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 ( 7) 三 维图形重建: 三维图 形重建不是 靠一一对应的扫查而直接得出图像， 而 是利用计算机处理大量数据的功能， 将采集到的大量扫查检测数据进行分析和某些叠 加计算与几何分析及计算， 在屏幕上显示出被检对象的图像，以能形象地描述检测结 果。 该技术用于超声探伤中， 能显示复杂形状工件内部的缺陷或某些组织结构上的差 异。 ( 8) 人工神经网 络技术: 人工神经网络是模仿人的 大脑思维的一种软、 硬件系 统， 在超声探伤中可以应用 神经网 络来进行信号处理， 尤其在信噪比 较低的 情况下更 有其独特效果。在缺陷诊断方面， 采用神经网络， 经过专家的训练，可以比较准确地 识别信号的特征，并能判断出 缺陷的 特点 11 7 一 1 010 近来研究较热的 超声导波技术、 声发射新技术和新型非接触超声换能方法等。 国 外很早对这些技术在探伤中的 应用作了大 量的工作， 并取得了 一定的成效。 而国内 起 步较晚， 检测技术仍较落后。 所以 学习国 外先进经验， 开发自己 的检测手段就变得十 分重要12 0 。 最近几年，超声检测技术的发展己明显地呈以下趋势: ( 1)由 定性检测向 定量检测和直接显示 缺陷的图像发展。 ( 2)经过上世纪末的科研 积累和计算机图像科学的发 展，现正由 定性地判断缺陷 的有无而发展为对缺陷的 位置、 大小、 形状、 性质进行定量判断， 并且利用各种成像 技术直接显示缺陷的二维、准三维图像。 (3 ) 向 在线自 动检测和仪 器的智能化发展， 其中 非接触超声检测技术将获得突破 性进展。 (4) 超声检测和断裂力学相结合，对于重要工程构件的寿命进行评价。 (5 ) 超声检测和材料的物 性评价相结合，在新材料的 设计、 加工和工程应用中迅 速得到发展121 】 。 1 . 2 铜一钥熔敷焊工艺介绍 熔 敷 焊 方 法是 指 采 用 某 种 加 热 方式 使预 置 在 钢 基 体 上的 合金 带 或 环 ( 本 文试 验 采 用铜带和铜环) 局部或整体熔化与钢基体发 生冶金结合， 而钢基体不熔化的一种焊接 方法。 熔敷焊既 不同于 熔化 堆焊， 也不同于钎焊。 与电 弧堆焊相比， 其共同点是将熔 化的 金属堆敷在基体金 属表面， 并在其上凝固 结晶形 成熔敷 层( 堆焊层) ，因而它具有 熔化焊的结合性质。其不同点如下:电弧堆焊是将焊丝或焊条或焊粉在电弧中熔化， 依靠熔滴过渡、 电弧推力等将 熔化的液态金属铜堆敷在基体金属表面， 电 弧产生于电 极和钢基体之间， 基体金属的 熔化在所难免: 而熔敷焊是 将熔敷 层原态铜金属带或圈 预置于基体金属之上， 热源对熔敷层金属而非基体金属加热， 基体金属仅受热传导和 辐射热的作用， 界面温度较低， 通过控制加热速率来控制熔敷层的温度梯度， 进而控 硕 士 论 文悯一钥无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 、心少 熔敷焊焊接接头 超声a扫a 动超声检测缺陷分析 汇总、归纳 图1 .5 . 1 试验流程图 硕 士 论 文 钥一钢无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 2无熔深焊接接头超声参数分析及实验准备工作 2 . 1 无熔深焊接接头超声参数分析 由 于本试验采用铜一钢熔敷焊技术， 铜 一钢界面基本上没有过渡层， 超声 波能否 穿 过铜一 - 钥界 面，并反射回 探头直接关 系到能否 对焊接接头检测的问 题润。 2 . 1 . 1 声阻抗分析 与均一材料工件检测有所不同，钢基体与铜材料的声阻抗有一些差异， 因此在这 两种材料的结合面上即使一点缺陷没有也是会出现界面回波， 这样就给缺陷波的判断 带来一定困难， 但检测并非不可行124 1 .工件 材料的声学特性参数见表2 . 1 . 1 。 表2 . 1 1 工件材料的声学特性参数 材料纵 波声 速 cl / m 了密 度 p/g. c m .3卢 阻 抗 跳闭一 妇 5 倒冷拔钢 t z 纯铜 5 弘 0 4 3 8 1飞 髻 4 6 6 2 9 4 23 64 2=p x cl 当垂直入射时 ( 声束轴线与界面垂直) ， 声压反射率: ( 2 . 1 ) rp ”( 22 一2 : ) / ( 几 +z1 ) ( 2. 2) 声压往复透过率: 耳 =1 一 rp ， = 4 2 o22 / ( 22+2 : ) 2( 2 .3 ) 由计算可知， 铜一钥界面的声压反 射率为 4. 8 %: 声压往复 透过率为99.8 %。如 果 结 合 层 中 存 在 着 未 焊 透 或 气 孔 ， 由 于 空 气 的 声 阻 抗 只 有 40 9 儿 m z s ， 其 声 压 反 射 率 、100 % 。 由 此可见， 用超声波 检测可以 有效 地检测出 铜一钢熔敷焊接头中 存在的缺陷 12 5 1 2 . 1 . 2 衰减系数测试 对铜 一钥熔敷焊接头 试样， 沿声束方向的 传播距离较短， 声束的扩散 造成的衰减 可忽略， 超声 衰减系数 ( 以a 表示) 主要 包括散 射衰 减和吸收衰减。 通过精确测量试 件一次底波与二次底波的 波高差异， 计算铜一 - 钢焊接接头的超 声衰减系数， 其计算公 式为: 硕 士 论 文钊一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 。 = 丛 二 生( 2.4) 式中:“ 一衰减系数，d b / min ; h 。 一次底波波高，db ; h z 一 二次底波波高， db; t - 一 一 试 件厚度， iiun 。 实际测量时，使用 c t s 一22 型超声检测仪及 4 . s mh z 超声纵波探头，在 良 好祸 合状态下，调节超声波探伤仪分别使一次底波波高和二次底波波高为 80%显示屏显 示， 记录探伤仪增益旋钮 读数，按上式计算试件超声衰减值， 结果如表2 . 1 . 2 示: 表2 1 2铜一钢焊接接头的 超声 衰减系数 试件编号沿声束方向厚 度/mmhi/d bh z /d b叭d b /mm ) 11 4 0 882 2一冲9 7 21 7 ，5 21 02 0一2 8 5 31 8 .3 081 8一 2 7 3 41 47 0、41 8一 4 7 6 51 5 ，7 062 0一 4 4 6 61 8 . 5441 4刁 2 7 0 71 8 . 1 682 0一 0 一 3 3 0 81 50 021 4一 4 0 0 91 43 6名2 4刁一 5 5 7 1 01 70 841 4一 0 . 2 9 3 由 以上随机挑选的 10个接头试样， 可以 看出 铜一钢接头的 超声衰减性比较大， 属于强衰减材料。 2 . 2 实验准备 2 . 2 . 1 超声探 伤设备 ( 1 )c t s 一2 2 超声波探伤仪，其主要技术性能如表 2. 2 . 1 。 表2. 2 . i c t s 一 2 2 超 声 波 探 份 仪 上 要 技 术 性能 12 61 j 二 作频率范 围/ mhz _ j : 作方式衰 减 器垂直线性误 /db差想么 水平线性误 差了 % 脉冲移动距 离/mm 0 5 1 0 单探头发射接 收或双探头发90 射接收 之 4 00 ( 2 )自 动超声检测系统 图2 2 . 1 为课题自 动超声检 测系 统 硕 士 论 文 铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 3铜一钢无熔深焊接接头波形检测 3 . 1铜一钥无熔深焊接接头缺陷形成机理 检测用工件是由铜一钢金属焊接而成，铜一钢部分物理参数见表 3 . 1 . 1 。 表 3 . 11铜一钢金属部分物理参数 导热系数/ wm 一 ， k 一 1 金属2 0 1 加 0 线膨胀系数/ 2 0 、1 0 0 ( l rk， ) 收缩率从熔 点/ 3 9 3 石 5 4吕 3 2 6 . 6 2 9 。 3 1 6 .4 1 4 2 4 7 20 1 0 8 3 1 5 3 4 铜钢 铜一钥的焊接由于其物理性能的不同， 作为异种金属的连接， 存在如下连接问题: 铜在熔化状态时极易 氧化， 而生成c u z o ， c 迈 0能与c u 形成低熔点共晶，其共 晶温度为1 o 65，低于铜的 熔点 10 83， 使焊缝容易产生热裂 纹t4). 由表 3 . 1 1 可见，铜的导热系数在 20时比铁大 7 倍多，100 0 时大 11 倍多。 对焊接的直接影响就是在铜一钢熔化焊 过程中， 铜非常不容易熔化; 此外， 使焊接热 影响区加宽。 在高温状态时，氢在铜中的溶解度如图 3 . 1所示。可以看到氢在铜中的含量从 15 00 时 的2 8c ms/ 10 0g迅 速降 到5 00 时 的i c m / 1 o 09 ， 焊 接 过 程 冷 却 很 快， 高 温 熔 池中所吸收的氢将来不及析出而形成气孔田 1 . 勺宕、。巴 图3 1 . 1氢在铜中的溶解度和温度的关系 如2 . 2 节介绍可知按照正常的 感应焊工艺是 不会产生上述缺陷， 但是由于 焊接原 因 可能会产生下面几种缺陷: ( 1) 工艺 发生 波动会 产生界面未熔合和界面夹渣。 硕 士 论文 铡一钥无铭深焊接接头超声枝侧缺陷识别及规律研究 木章小结 ( 1)分 析了 铜一钢无 熔深焊接接头容易产生缺陷的原因以及依据铜 一钥无熔深焊 接接头缺陷种类，制备主要人工缺陷. ( 2) 分析了气孔.央渣缺陷波形特点，及其产生这些波形特点的原因。 硕 : 论 文 铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 4铜种 一 钢无熔深焊接接头缺陷波形的定性、定量、定位分析 由 于没有对铜一钢无熔深焊接接头的超声检测质量分级， 故本试验依据 c b 汀 1 13 45一 19 87 钢焊缝手工超声 波探伤 方法和 探伤结果分级对接头质量分级如下: 按缺陷性质分级，共分下列四级: 1 级 焊缝内 应无裂纹、未 熔合、未 焊透和条状夹渣。 h级焊缝内应无裂纹、未熔合和未焊透。 m 级焊缝内应无裂纹、未熔合以 及双面焊和加垫板的单面焊中的未焊透。 不 加垫板的 单面焊中的未焊透允 许长度按条状夹渣长度的川级评定。 w 级焊缝缺陷超过iji级者。 4 . 1 缺陷 波形的定性分析 超声波探伤必须确定其 性质。 亦即定性。 探测前， 必须对被测工 件的外形、 结构、 材料组织、 加工 状态、 施工 工艺以 及在施工过程中容易产生的 缺陷进行了解。 并将实 测及理论上可能 产生的 情况综合分析， 以 估计缺陷的性质， 这是一 个不断的实践、 认 识的过程。 4 . 1 . 1通常焊接缺陷的 波形 4 . 1 . 1 . 1静态波形分析 不同 性质缺陷， 其缺陷波 形的 特征也不同135 气 ( 1) 缩孔的波形 特征 缺陷 波高大， 在缺陷 波的 前后尚 有些微弱的反射波; 当 缺陷较 大时， 底波严重衰 减或消失;多 个方向探 测均能 得到缺陷 波，如图4 . 1 . 1 所示。 图4 . 1 . 1 缩孔波形 特征 (2 )未 熔合的波形特征 当声波垂直入射该缺陷表面时，回波高度大。 探头平移时， 波形稳定。两侧探伤 硕 f论 文俐一创无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 用 单 探头 探 测时 ， 探 头 既 是 声 波 的 反 射器 又 是 缺 陷 波 的 接 受 器， 此 时， a，= a : =a， 式 ( 4 .4 )可化为 凡凡 p，=po 一写 二 写 q 一 滩 一 ( 4. 5) 脉冲反射式超声波探伤仪，其荧光屏上缺陷波的高度与缺陷波声压成正比，如 po = 1，则由 式 (4 .5 ) 可 知， 缺陷 波高 度h 了 为 h 了 = ( 4. 6) f-兄 双一a 由式 (4一 6) 可知，探头及频率一定时，在远场区缺陷波高度与距离的平方成反 比， 与缺陷的面积成正比 13 8 。 4 . 2 . 2 . 1 裂缝缺陷当量分析 缺陷 波幅的高低与缺陷的 面积及距离有关。 距离相等的缺陷， 面积愈大， 反射波 愈高: 距离愈远，反射波愈低。 据此，可通过标准试块预先做出“ 距离一振幅” 曲线和 “ 面积 一振幅 ” 曲 线。 可通过这些曲线 来确定 缺陷的位置和大小。 即可由 “ 距离一振幅” 曲线或“ 面积一反射声” 曲 线直接查出相应的缺陷的位置和面积。作如图 4 .2. 2为 0. s inm ， i lnm 切缝“ 距离 一振幅” 曲 线时， 首先将超声仪衰 减器分贝调节到相同的读数， 衰 减分贝 数都为8 分贝， 然后记录下各缺陷的反射波高 度。 1. . 切 璐 1 ，让 汤 . 切显 护 二 ”目ril 吐如. 卜j .一1 二rl 二 f 加. . 气 0，nol舫0石0 .、侧妮书翔喊妞岌 缺阶距离丧而 抓离 / 二 图4 .22 05 m m 从图4. 2. 2 看出，相同 距离时， 陷的距离变小。 i m m切缝距表面距离一缺陷反射波高度 缺陷越大，回波高度越高。而且回波高度随着缺 4 . 2 . 2 . 2 气孔缺陷当 量分析 硕 士 论 文铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 由于频率和探头一定时，声压与距离成反比的关系，作出“ 分贝一面积” 曲线，图 4. 2.3 为距离表面 2 n r 。 ，不同直径气孔，在反射波达到高度 3 0 m m时的“ 分贝 一面积” 曲线。这种曲线在实际探测时，只要改变衰减器分贝值，使缺陷波达到 3 0 m m，则可 由分贝值查出缺陷的当量大小。 .ot 甘 2.，l41月 气 孔 孔 锐了 . 图4 么 3气孔孔 径一反 射波声 压曲线 探测时， 将不同大小缺陷的波高都调节到30m m ， 记录下不同 缺陷的衰减分贝值， 作出如图4. 2. 3 所示曲 线，从根据反射声压可以 直接由 图读出 缺陷的大小。 4 . 2 . 3影响当里法的因素和修正 工件曲 面的曲 率、 材质、 光洁度、 缺陷的方向等， 均是影响当量法的因素， 为此， 必须对上述影响因素进行修正， 才能保证当量法的准确性。 但即 使通过各种修正， 测 定 缺陷的大小与实际缺陷的大小之间仍有一定的 误差。 1 工件曲 率的影响和修正工件曲面曲率的大小是影响反射波高度的 重要因 素。曲率半径愈小， 影响愈大，反之则小。这是由于曲面与平面的探头晶片仅能获得 线接触， 使入射声能大量下降所致。 对于具有外曲 率的工件， 使用曲面试块进行比 较 而定量。 2 材质的影响和修正声波在不同 材质中 的衰减是不同的，在工件衰减大时， 必使声波在传播过程中能量下降， 从而使灵敏度降低， 反之当 工件衰减比 试块小时， 则灵敏度偏高， 因此， 定量是应消除被测工件与试块材质之间的 差异。 其差异以分贝 值表示， 即 探测厚度相同的 试块， 底波高 度相同时， 衰减器分贝 值之差。 如工件底波 高于试块底波， 其差值为正。 探测时， 仪器灵敏度应调整到使衰减器的衰减量 加上次 差值。 如工件底波低于试块底波， 其差值为负。 探测时， 仪器灵敏度应调整到 使衰减 器的衰减量减去此差值。 这种补偿方法， 只 适用材质衰减不太大的工件。 如材质晶粒 粗大，或工件内有严重的缺陷，则在探测时，应降低探测频率，不用补偿法。 硕 士 论 文铜一钥无熔深焊接接失超声检测缺陷识别及规律研究 3 表面光洁度的影响和修正实践用一般硬膜直探头接触法探测， 当表面光洁 度在甲6时，对探测灵敏度无显著影响，而试块表面光洁度均在甲6以上，故实际定 量时，应补偿工件表面光洁度的影响。 4 缺陷方向的影响和修正缺陷的方向如与探测面倾斜一定的角度， 则定量时 需要加以 修正。 把所求得的 缺陷当 量值， 乘以该 系数，即为有倾斜角 度的 缺陷大小。 5 界面反射率的影响和修正当量法定量时， 假定缺陷与工件界面的反射率为 100 % ，即 将缺陷看作气体介质。 但实际上工件中 还有非金属夹杂 物之类的缺陷， 其 反射率低 于气体 介质13 010 4 . 3缺陷 波形的定位分析 缺陷定 位的目 的， 是根据缺陷的 位置， 分析缺陷的性质， 判断缺陷的 危害性以及 作为消除缺陷的参考。 4 . 3 . 1 纵波探伤的定 位方法 a) 固定距离标志法，有的仪器荧光屏上有两根扫描线，下面一根线有小 矩形或 尖波， 称距离标志波 ， 两波之间的时间一定时， 所代表的在材料中传播的距离也一定， 因 而在探测时由反射波出现的位置，即可 求出 缺陷的位置。 b) 图像比较法，若荧光屏上有缺陷 波 f 及底波 b ， 而工 件长度已 知l ，则由 缺 陷波及底波在荧光屏上的距离 ( x ， x s)，即可求出 缺陷的位置h 。 c) 活动距离标志法 ( 深度计) ，有的仪器附有活动距离标志 ( 即深度计) ，可精 确的定位。这种深度计有电路及声路两种。探测时，调节扫描速度的 “ 微调”旋钮， 将缺陷 波调至荧光屏的 机械刻度的整 数刻 度上， 然后调节深度计旋钮， 使活动距离标 志 波 也出 现 在 第 十 格 上。 此 时 ， 深 度 计 旋 钮 所指 示的 距离， 即 为 缺陷 的 位置 口 91 . 4 . 3 . 2工件缺陷定位 本课题中 ，由 于工 件的特殊形状， 探头的 只能 选择纵波直探头， 所以 使用纵波探 伤定 位法， 进行定位分析。 缺陷 位置的 测定: 纵波探伤定位法， 将仪 器按1 : n调节 纵波扫描速度，缺陷 波前沿 所对的水 平刻 度值为r ，则缺陷 到探头的 距离为x 。 x=nr 即当焊件深度为 12r n r n 时，将一次反射波调至 6 m m，这时n=2 ，从而可以方便 的计算出缺陷的位置。铜一钢接头截面示意图，如图4 31 所示: 硕 士 论 文 铜一钥无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 ， 铜 层 渐 价:/ 钢岁本 狱旅 沁 对 大 介 : 一 、扮月 下 令、小 图4. 3 . 1铜一钢接头截面示意图 采用自 动超声检测时， 由 于自 动超声检测系统的超声卡本身的 特性， 即每个单位 的时间 长度为16 6 n s ， 所以只要算出 缺陷 波离水钢界面一次反射波的时间， 就可以 算 出 缺陷波距离表面的 距离。 如图4. 3 2所示: 水 . 汤1赢 遣 儡 硫 _ _一 . . . ! 少 户 ， 于 呼.脚. 脚 二脚.脚 . 塑肥 二 卿 . ， 卿. “”二卿脚 二腆 二即 甲 二卿 . 即 呀 二卿 二 黔薰.狱撰 戮蕊 一止 其兰 _1里 ij 丫 ” 一 ” ” ” . ”似骂兰 翼筑 鳖 藻 图4. 3 2铜 一钢接头缺陷 对工件标准缺陷进行检测， 验证缺陷位置的正确性， 使用游标卡尺测量缺陷距铜 层表面的距离为 3 . 1 1 1 1 n 。使用纵波定位法测得: t 钊1 8 6 一 8 6 ) x l 6 .6 /2 = 8 3 0 ns 纯铜的声速为c =43 8 1 n 口 5 h = t c = 8 3 0 xl 0 一 x 4 3 0 0 = 0 . 0 3 1 5 m=3 . 1 5 mm 4 . 3 . 3使用 “ 距离一分贝”曲 线法定 位 由 于 c t s 一2 2型超声检测仪，具有衰减器， 所以“ 分贝 一距离”曲 线当量法， 探测 标准缺陷时，其他条件固定， 只能改变衰减器的分贝 值 (db ) ，使反射波到达规 定的高 度( 一般规定为3 0 m m ) ， 绘制“ 分贝 一缺陷面积” 曲 线。 图4 3.3 分别为0. 5 j l l n l ， i lnm 切缝 “ 距离一反射波声 压”曲线。 硕士论文 铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 ( 3 ) 对批量工件的逐点检测， 记录各点的缺陷， 绘制工件缺陷 分布图， 为自 动超 声检测识别缺陷提供了参考数据。 硕士论文 铜一俐无熔探焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 5超声回波信号特征分析 5 . 1时域特征分析及提取 由于铜一钥为超声强衰减材料， 超声检测时发现，当超声检测仪增益较低时，难 以发现距检测面距离较远的缺陷;当提高增益时， 在超声检测仪上始波和底波间出现 杂波， 难以 较好的区分缺陷波。 为此， 采用超声检测信号 采集和分析系统对缺陷的超 声检测信号实施数据采集和处理。 超声回波是一种非常复杂的振动信号， 它包含各种各样缺陷和介质的信息， 要想 从回波信号上判别接头质量的好坏， 必须对回波信号有一个全面的了解， 并从中找出 最具有代表性的特征作为识别依据。本节分别对试件所采集的回波信号进行了时域、 小波分析。 力图通过信号处理方法来得到更多的信息， 以获取反映回波信号差异的最 佳特征。 5 . 1 . 1时域特征分析 超声回波信号是一个综合的 信息， 其时域特征往往比 较明 显， 且往往带有明确的 物理意义，易于被人们接受，不同质量的缺陷，由于其大小种类的不同， 其时域特征 也明显不同，图5 . 1 . 1 为不同直径平底孔的回 波特征， 由图可以 看出，随 着孔直径的 增加， 回波上升时间 变短， 下降时间变长。 因此， 超声回波的特征随反 射体的不同而 有所差异，此差异如能被提取出来，便能用来进行后续的模式分类与识别。 .匕 !沮口 1 盔 因 上升时间 下降时间 半宽时间 持续时间 ， /赢瘾豪赢蘸翻 心， _ 口 醉贬 公导 弧 1 百1袋 姗娜 阅1 城 裁 瑙到翻 司角 税徽 劲. 1 权 的 1夔缕 毓 愁盏 面落 毓 凛暴 群撼1 1 _竺 在 印 1日. 浴 任邃 么乙乙 竺理 湮名 乙乙洛 呀 众 叨 12 二二， ，.匕 目.目 .目. . . 0. 扣协之，4一 孔径 ( 丽 ， 瓢l鬓l 鬓 蒙 夔 各5 卜 v 、 鬓 襄 鸳撇夔 图5. 1 . 1 不同直径平底孔的回波特征 在超声回波信号 采集和分析之后， 将致力于信号特征的 提取， 特征提取应对识别 对象的 各种特性详加考虑， 找出贡 献最大的 特征，而不是特征 越多越好14 0 . 硕 士 论 文铜一钥无熔深焊接接头超声检侧缺陷识别及规律研究 5 . 1 . 2时域特征提取 本试验在时域中利用程序提取了六个特征值， 图51 . 2为时域特征值提取示意图。 .高峨侣 上今考水 平 ， 城 下套 考水平 1 吟 上 升 时间 下 阵时 间 图5. 1 . 2时域特征值提取示意图 5 个特征为:( 1) 一上升时间 (2)一下降时间 (3)一半宽时间( 4) 一持续时 间( 5 )一最高峰值。其定义如下: 做回波信号的全波整流包络线，分别在其最大幅 值 1 0 % 和 90% 处做两条横线，该线与包络线相交，得到四 个交点。位于上沿的两个 交点 之间的时 间差， 定义为回 波的 上升时间: 位于下降沿的 两个交点间的时间差定义 为回波的下降时间: 位于幅值高 10%处的横线两交点间的时间差， 定义为回波的振动 周期: 最大幅值高度的 一半处，包 络线间的时间差定义为半宽时间141 1. (a ) 完推的a 型回波( b)问波局部放人图 图5 . 1 3 1 . o m m侧孔缺陷波形 硕 士 论 文铜一钥无熔深焊接接头超声检测缺陷识别及规律研究 (a ) 完核的a 型回波( b)问波局部放人图 图5 . 1 .4 2. 0 m m侧孔缺陷波形 对图 5 . 1 . 3 和图 5 . 1 . 4 所示的缺陷进行时域特征提取如表 5 . 1 . 1 所示: 表5 . 1 . 1 直 径 l m m， z m m的侧孔a 型问波的各特征量 特征上升时间/ns卜 降时间/ns持续时间/ ns半宽时间/ ns最高峰值% 波形 1 . o m m 直径7 6 .名 1 83 3 1 . 0 9 65 5 9 .6 8 41 2 1 . 6 0 45 7. 2 侧孔 2 刀 m n l直径60.6 8 23 5 0 . 5 8 06 0 6 .2 3 61 3 05 647 9 8 侧孔 从表5 . 1 . 1 中可以 看出， z lnm 直径的侧孔比l m m侧孔上升时间有所减少，下降 时间， 持续时间， 半宽时间， 最高峰值都有所增加。 可以通过对不同大小缺陷的各时 域特征量来分析缺陷的大小. 5 . 2 小 波特征分析及提取 5 . 2 . 1小波特征分析 小 波分析作为一种新兴的理论是数学发展史 上的重 要的成果， 它无论是对数学还 是 对工 程应用都产生了深远的影响， 小波分析已 经广泛应用于纯粹数学、 应用数学、 信号处理、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。 作为一种时一频分 析理论， 小 波分 析被认为是 傅立叶分析发展的新阶段， 它来自 于 傅立叶分析， 其存在 性的 证明 依赖于 傅立叶分析， 但它所具 有的 优良 特性是傅立叶 分析等其他分析方法无 法比 拟的。 这些良 好的分 析特征性使得 小波变换己 成为信号 处理的 一种强 有力的新工 具。 ( 1 )小波分析的基本思想 小波分析的基本思想是 认为自 然界各种信号中频率高低不同的分量具有不同的 时变特性， 通常是较低频率成分的频谱特征随时间的变化比较缓慢， 而较高频率成分 硕 士论 文钥 一 钊 无 熔 深 焊 接 接 头超 声检 测 缺 陷识 别 及 规 律 研 究 的频谱特征则变化 比较迅速，因此， 按这样的规律非均匀地划分时间和频率轴机可以 在服从不确定 原理的前提下，在不同的时频区都能 获得比 较合适的时间 一频率分辨 力。 小 波 变 换 给定 可 测平 反 可 积 空 间l z( r)的 任 意 信 号f(t) ， 其 连续 小 波 变 换( c w t ) 定义为: 、 (a ，b) 一 六 1f(t 宁 )* ( 5 . 1 ) 其 中 渝 俨 宁 卜 成 “ 小 波 函 数 式中二 尺 度因 子 a 。 刀 ( 劝 a ， 0 卜 时 间因 子 b 。 刀 扭 ) 变换结果反映了f(t)在尺度a( 频率) 和位置b( 时间) 的状态， 所以小波变换是 时一频变换。 设 母小 波俨 (t)。 刀 扭 ) 且满 足容 许 性条 件 几= 工 式中 价 伽 ) 是尹 (t)的 傅 立 叶 变 换 则原始信号f(t) ，当 在t 处连续时， 吵笃山 。( 5.2) 可由下式重构得到 f (t) 一 奇 且 2二 (a ，b 。，(t) 贵 ( 5. 3) 小 波 函 数 俨 (t)是一 个 带 通 滤波 器 ， 小 波 变 换 能 把 信 号 分 解到 一 系 列 在 对数 意义 下 等宽的频带上。 ( 2 ) 多分辨分析 80年代后期， m allat提出了多 分辨分析的 概念， 将所有的正交小波基的构造统一 了起来， 并为 此后的构 造设定了框架， 同时， 在这一框架下给出了 将信号和图 像分解 为不同频率通道的算法及其重构算法，即m allat算法。 ( 3 ) 小 波分析的具体实 现 小波分