[发明专利]薄板栅格翼结构焊缝相控阵超声检测装置及检测方法

摘要

本发明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，涉及无损检测技术领域。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。

主权项

1.一种薄板栅格翼结构焊缝相控阵超声检测装置，其特征在于，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)作为检测时的扫查器，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。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算机(1)与相控阵超声板卡(2)使用网线进行连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

4.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于，所述六自由度机械臂(5)使用网线与计算机(1)连接。

5.一种利用权利要求1至4中任一项所述的装置进行超声检测的方法，其特征在于，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。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一步中，阵元间距取小于波长，且大于半波长。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，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限β₁与下限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、孔径大小和扫描步进角，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。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，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。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述栅格翼工件为金属材料。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述栅格翼工件为金属板。