[实用新型]基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测系统

说明书

技术领域

本实用新型属于超声导波无损检测领域，具体涉及一种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测系统。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，作为机械制造重要手段之一的焊接技术，已被广泛应用于制造业的各个部门，例如机械工业、核工业及航天航空等领域。特别指出，焊接在承压类特种设备的制造和使用中占有非常重要的地位，例如，在压力容器的制造中，焊接的工作量占整个工作量的30%以上，其中，对接焊缝是压力容器底板中幅板的主要组成部分。作为重要联接部位，对接焊缝的质量好坏对承压类特种设备产品的使用安全可靠性有直接影响。对接焊缝机械性能的改变会降低设备的承载能力，有可能造成重大的人员伤亡事故和巨大的经济损失。

在无损检测领域，主要利用漏磁检测、涡流检测、射线检测、声发射检测和超声检测等方法检测焊缝。漏磁和涡流检测可直接观察，利于判断，但只容易检测焊缝表面或近表面缺陷，无法检测焊缝内部缺陷；射线检测设备体积庞大，投资大，且对人体有害；声发射检测的背景噪声大，信号难以区分；超声检测采用逐点扫描方式进行检测，费时费力。

超声Lamb波是在薄板中传播的超声导波，具有以下优点：超声Lamb波的接收信号中包含了整个检测范围的信息；沿传播方向衰减小，可进行长距离检测；无辐射，且对人体无害。国内外已有学者运用超声Lamb波检测对接焊缝中的缺陷，但目前大多数学者是利用超声Lamb波垂直焊缝入射后的反射特性、折射特性及衰减特性等对焊缝上的缺陷进行检测，这些方法由于Lamb波穿越焊缝后致使衰减严重而难以接收到检测信号，检测距离较短，检测能量较低。

实用新型内容

本实用新型克服了检测距离短的难题，提出一种基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法。本方法在焊缝端部激励产生的焊缝导波模态能量高，衰减慢，可以解决长距离检测问题。

本实用新型提出的基于超声Lamb波的对接焊缝无损检测方法，其基本原理在于：

结合对接焊缝的结构特征和材料属性，利用有限元仿真软件ABAQUS创建仿真几何模型，如图2所示。力载荷加载在焊缝端部，载荷强度随时间的变化规律设定为经汉宁窗调制的正弦波信号。设定输出节点集为垂直于焊缝的直线，输出变量为位移。模型参数如下表：

提取有限元仿真结果，进入云图显示模块观察不同时刻位移场分布情况，如图3所示。超声导波在沿焊缝传播的过程中产生了S0模态，A0模态，泄漏的A0模态，SHO模态和焊缝导波模态，其中焊缝导波模态比S0模态传播的速度稍慢但能量高于S0模态，衰减慢，传播距离远，故该模态非常适于焊缝的检测；提取垂直于焊缝的直线上接收点的幅值，得到有焊缝和无焊缝时的幅值变化图，如图4所示，由于焊缝区域比两边母材厚，使得声波在焊缝中的传播速度比母材慢，因此能量主要集中在焊缝及焊缝附近区域。超声导波模态在沿焊缝传播的过程中能量高，衰减慢，非常适于对焊缝及其附近缺陷进行检测。

提取有限元仿真结果，改变对接焊缝的余高、焊缝宽度和杨氏模量，得出该方法的最佳适用范围。

i）焊缝余高不同时：

①绘制距激励源200mm且垂直于焊缝的B-B线上的接收点幅值分别随焊缝余高变化图，如图5所示；

②根据①中的幅值变化曲线，绘制焊缝余高不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化图，如图6所示。由图可知，对接焊缝余高越大，导波幅值越大，运用超声Lamb波进行检测时对信号的分析识别越有效，检测效果越好；

③绘制C-C线上的接收点幅值分别随焊缝余高变化图，如图7所示，箭头表示焊缝余高由0-3mm增加的方向，间隔为0.5mm。由图可知，随传播距离的增大，导波能量发生不同程度的衰减；

④根据③中的幅值变化曲线，绘制焊缝余高不同时，C-C线上接收点的衰减率，如图8所示。随对接焊缝余高的增加，衰减率不断增长。当焊缝余高超过2.3mm时，其衰减比无焊缝钢板快，不适合利用导波进行检测。因此，焊缝余高值在2.3mm以内时，易于利用Lamb波进行检测；

ii）焊缝宽度不同时：

①绘制B-B线上的接收点幅值分别随焊缝宽度变化图，如图9所示；

②根据①中的幅值变化曲线，绘制焊缝宽度不同时，焊缝上距激励源200mm处点的幅值变化图，如图10所示。由图可知，对接焊缝宽度越大，导波幅值越大，运用超声Lamb波进行检测时对信号的分析识别越有效，检测效果越好；