用于渐变性声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测方法与流程

本发明属于物料测量
技术领域：
，涉及用超声波检测焊缝，特别涉及一种用于渐变性声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测方法。
背景技术：
：随着航运业的不断发展，大型集装箱船的载货量也不断攀升，从较早的8000teu集装箱船以及发展至目前20000teu集装箱船，大型集装箱船的突飞猛进得益于船体材料的飞速发展。目前，超过18000teu集装箱船的甲板、外板等重要结构的钢材均采用一种特殊处理的轧制钢，该钢材经检测，得知其为一种声束非均匀材质的钢种，其焊接结构的检测存在精度较差的问题。tmcp钢是一种采用热机械控制技术对钢坯加热温度、轧制温度、变形量、变形速率等诸多工艺的合理控制所加工而成的钢材。tmcp钢强度高、韧性好，具有较高的综合机械性能，因此被广泛应用于18000teu和20000teu等大型集装箱船的建造中。但是tmcp钢由于其特殊工艺使其具有各向异性的特点，而各向异性严重影响超声波检测时对缺陷判断的准确性。目前在tmcp钢无损检测中，主要采用超声波倾斜入射法检测中，同向异性钢中没有折射角度的变化或回波幅度随传播方向(相对于轧制方向纵向或横向)的变化，但各向异性钢超声波传播方向的变化较为显著。如：折射角度会随传播方向而变化；在轧制方向(l向)上折射角度相对于公称角度会较大，而垂直于轧制方向(t向)时则会较小；用公称角度为60°的探头在l向和t向测量得到的回波高度近乎相等；用公称角度为70°的探头在l向上测量得到的回波高度会较低，并且最大波幅位置很不清晰。现场检测过程中，超声波检测技术一般分为三个步骤去校准仪器：首先采用iiw试块确定超声波在钢材中的传播速度，见图1；其次使用tmcp钢对比试块确定超声波钢材的入射角，见图2：最后在对比试块上绘制不同深度的dac曲线，见图3。对于不同检测工艺，其校准的工艺也有所不同。目前常用检测方法缺点明显：首先，现场检测工艺所要求采用iiw试块测定材质声速，这种校准方法一般用于各向同性、声速均一性材料，而对于声速不均匀的金属材料，其超声波在内部传播过程中，受各种因素影响，其传播路径存在弯曲的可能，不同深度范围内其真实传播速度也是不一致的，因此采用校准均一性材质的手段去检测非均匀性材料，其定位特别是深度方向上的定位会造成极大误差。其次，对于厚度较大的钢材，其两次波的传播距离较大，超声波传播能量降低较为明显，对于常规超声检测技术接收缺陷回波的灵敏度下降较大，加上检测对象又为非均匀性材质，内部晶粒对声波造成折射，可能导致检测大厚度焊缝时，较小的缺陷回波与杂波互相干扰，对缺陷实际位置的判定造成较大影响。对于厚度较小的钢焊缝而言，其后果可以忽略，但tmcp钢多用于大型集装箱船，其使用板厚均在40mm以上，深度的误差会导致返修作业的难度加大，导致船东对检测的可靠性造成质疑。目前国内外没有公开报道能够完全解决用于非均匀材质的厚壁金属材料焊缝的声束测定和检测校准方法，各方专业人员也在努力找到解决的方法。技术实现要素：本发明针对上述问题，提供一种用于渐变性声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测方法。本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：用于渐变性声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测方法，包括如下步骤：s1：制备轧制方向和/或垂直于轧制方向的校准试块，校准试块为声速非均匀金属制成的长方块体，校准试块上开设多个不同深度的横通孔；s2：斜探头选型；s3：用相控阵超声技术分别扇形扫查单个校准试块上的不同物理深度dp的横通孔，并获得对应的斜探头的入射点到横通孔角度θ、声程sr数据；s4：对所有的横通孔的物理深度dp以及斜探头的入射点到横通孔角度θ、声程sr数据进行多项式拟合，得到映射关系函数；s5：通过验证试块校验映射关系函数是否合理，同时判断验证试块是否适用该方法；s6：用相控阵超声技术扫查声速非均匀金属厚板焊缝。进一步地，步骤s1中，校准试块上的多个不同深度的横通孔布置成一列。进一步地，步骤s2中，基于检测区域全覆盖原则，确定探头的检测角度范围、使用的晶片数及起始晶片，再根据已确定的探头的检测角度范围、使用的晶片数、起始晶片、以及相控阵超声检测标准，确定探头的型号和楔块的类型。进一步地，步骤s3包括如下步骤：s3a：连接相控阵仪器和斜探头，设置相控阵仪器的参数；s3b：在iiw试块上校准楔块延迟；s3c：将斜探头放置于校准试块上，对校准试块上的一个横通孔检测，在长度方向上移动斜探头至合适位置，找到该横通孔的回波信号，并在检测角度范围内以一定角度偏转波束进行扇形扫查，当找到最大回波信号时，记录斜探头的入射点到该横通孔角度θ、声程sr，重复操作得到检测其他横通孔时的相应数据。更进一步地，步骤s3a中，相控阵仪器上需要设置的参数包括初始检测声速、探头类型、扫查模式、检测角度范围、增益、激发电压、滤波范围。更进一步地，步骤s4中，映射关系函数包括至少下列之一：物理深度值dp和声程sr的映射关系函数dp＝f(sr,θ)；在已知某一横通孔的物理深度dp条件下的声程sr和角度θ的映射关系函数sr＝f(dp,θ)|dp＝{d0,d1,d2,…}，以及藉此插值得到的在特定角度θi条件下的声程sr和物理深度dp的对应表；在特定角度θi条件下的物理深度值dp和声程sr的映射关系函数dp＝f(sr,θ)|θ＝θi。更进一步地，步骤s5中，验证试块选用步骤s1中的校准试块或其他材质特性相同且已知各个横通孔深度的试块，用相控阵超声技术扇形扫查验证试块中的一物理深度为dv的横通孔，获得某一特定角度θi时的声程值sr，其中的θi不与步骤s3c中得到的任何角度θ相同，通过步骤s4中的映射关系函数得到横通孔的物理深度dp，比较dp和dv的误差值，若dp和dv的误差小于等于物理深度dv的10％或2mm，说明映射关系函数是有效且合理的，该验证试块适用该方法，否则重新进行步骤s3c和s4，并再次校验比较，若dp和dv的误差值始终大于dv的10％或2mm，说明该验证试块的声速变化是非渐变性的，不适用该方法。与现有技术相比，本发明的有益效果：利用超声波发射与反射的规律和特点，结合相控阵超声检测扇形扫描技术，在声速不均匀材质上分角度测量不同深度横通孔的声程，通过拟合算法将声程、角度、横通孔的实际深度通过实验数据建立映射关系函数，用于实际相控阵检测时，通过该映射关系函数反查相应的物理深度，减小用相控阵超声检测技术检测非均匀性材质缺陷的深度误差。该方法不追求超声波在非均匀金属厚板焊缝内的实际路径和声速，而是以结果为导向，只要最终检测出的缺陷提供相对应的角度和声程，即可反推实际物理深度。相控阵超声检测技术本身能通过提高检测能量减少因能量衰减造成的漏检问题，其扇形扫描的模式能最大程度检测出较小的缺陷，具备较高的灵敏度。而且，不同的声速非均匀金属材料的声速变化均不相同，本方法可以不受金属材料限制，只要声波的可达性能够满足即可，可操作性强，易于推广应用。附图说明图1为iiw试块的结构示意图。图2为tmcp钢对比试块的结构示意图。图3为tmcp钢的探头放置位置及对应的dac曲线的示意图。图4为本发明的流程示意图。图5为本发明一实施例的tmcp钢校准试块的结构示意图。图6为本发明一实施例的三维映射关系图具体实施方式以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。用于渐变性声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测方法，参见图4，包括如下步骤：s1：制备轧制方向和/或垂直于轧制方向的校准试块，校准试块为声速非均匀金属制成的长方块体，校准试块上开设多个不同深度的横通孔，多个横通孔可布置成一列。需要说明的是，在实际制备过程中，根据使用需求，制备的横通孔数量越多，则分区就越多，检测到的声速就越精准，检测精度就越高，但缺点是数据量越多，操作难度越大。s2：采用斜探头，基于检测区域全覆盖原则，即需要确保超声波声束尽可能覆盖整个焊缝区域，确定探头的检测角度范围、使用的晶片数及起始晶片，再根据已确定的探头的检测角度范围、使用的晶片数、起始晶片、以及相控阵超声检测标准，确定探头的型号和楔块的类型。s3：用相控阵超声技术分别扇形扫查单个校准试块上的不同物理深度dp的横通孔，并获得对应的斜探头的入射点到横通孔角度θ、声程sr数据，包括如下步骤：s3a：连接相控阵仪器和斜探头，设置相控阵仪器的参数，使相控阵仪器处于工作状态，其中，需要设置的参数主要包括初始检测声速、探头类型、扫查模式、检测角度范围、增益、激发电压、滤波范围等。s3b：在iiw试块(均一材质)上利用相控阵仪器的校准功能校准楔块延迟。s3c：将斜探头放置于校准试块上，对校准试块上的一个横通孔检测，在长度方向上移动斜探头至合适位置，找到该横通孔的回波信号，并在检测角度范围内以一定角度(例如，每隔5度)偏转波束进行扇形扫查，当找到最大回波信号时，记录斜探头的入射点到该横通孔角度θ、声程sr，其中，斜探头的入射点到该横通孔的角度θ可以直接测量得到，声程sr可以从相控阵仪器直接读数得到；重复操作得到检测其他横通孔时的相应数据。s4：对所有的横通孔的物理深度dp以及斜探头的入射点到横通孔角度θ、声程sr数据进行多项式拟合，得到映射关系函数，其中的映射关系函数包括至少下列之一：物理深度值dp和声程sr的映射关系函数dp＝f(sr,θ)；在已知某一横通孔的物理深度dp条件下的声程sr和角度θ的映射关系函数sr＝f(dp,θ)|dp＝{d0,d1,d2,…}，以及藉此插值得到的在特定角度θi条件下的声程sr和物理深度dp的对应表；在特定角度θi条件下的物理深度值dp和声程sr的映射关系函数dp＝f(sr,θ)|θ＝θi。s5：通过验证试块校验映射关系函数是否合理，同时判断验证试块是否适用该方法：验证试块可选用步骤s1中的校准试块或其他材质特性相同且已知各个横通孔深度的试块，用相控阵超声技术扇形扫查验证试块中的一物理深度为dv的横通孔，获得某一特定角度θi时的声程值sr，其中的θi不与步骤s3c中得到的任何角度θ相同，通过步骤s4中的映射关系函数得到横通孔的物理深度dp，比较dp和dv的误差值，若dp和dv的误差小于等于物理深度dv的10％或2mm，说明映射关系函数是有效且合理的，该验证试块适用该方法，否则重新进行步骤s3c和s4，并再次校验比较，若dp和dv的误差值始终大于dv的10％或2mm，说明该验证试块的声速变化是非渐变性的，不适用该方法。s6:用相控阵超声技术扫查声速非均匀金属厚板焊缝。在相控阵仪器性能和功能满足的条件下，可将相控阵仪器设定为步骤s3a的相同参数并记录这些参数，然后进行检测并记录检测获得斜探头的入射点到横通孔角度θ、声程sr数据，通过步骤s4中的映射关系函数得到相应角度θ和声程sr下所对应的物理深度dp，即该焊缝缺陷的深度。其中的校准试块具有如下优点：1、可用于建立入射角度、声程值和实际深度之间的映射关系函数；2、灵活性较强，可根据不同检测等级和验收等级的需求，自主修改横通孔的深度和孔径大小，可提高或者适当降低相应的检测精度，满足在不同行业与不同结构的检测要求。该校准试块也可用于相控阵超声检测的tcg或acg定量曲线绘制及常规超声检测的声速校准和acg曲线绘制。另外，对于管焊缝检测，将校准试块上的接触探头的面加工为不同曲率，就可满足管类焊缝检测的要求。下文采用一实施例来说明上述方法中的步骤s1至步骤s5。s1：制备一轧制方向的tmcp钢校准试块，如图5所示，长500mm，高50mm，厚60mm，在长度方向上的距离一端100mm处，分别在高度方向的1/5、2/5、3/5、4/5处制备直径为3mm的横通孔。s2:基于检测全覆盖原则，选用5l64线性阵列探头55s楔块，并定义扇形扫查角度范围为35°～65°，激发晶片数量16个，起始晶片编号为1。s3:使用olympusmx2相控阵仪器分别对tmcp试块中不同深度的横通孔进行测试，并记录相应的读数，具体步骤如下：s3a：将olympusmx2相控阵仪器与5l64线性阵列探头连接，并安装探头楔块，设置相控阵仪器的基本参数，初始声速设定为3230m/s，匹配探头类型，扇面扫查，激发电压110v，滤波范围2.5mhz～7.5mhz等。s3b：在iiw试块上利用相控阵仪器的校准功能校准获得楔块延迟28.45μs，并确认整个测试过程中这些参数没用变动。s3c:将斜探头放置于校准试块上，首先对12mm埋深(t*1/5)的横通孔检测，在长度方向上移动斜探头至合适位置，找到该横通孔的回波信号，并在检测角度范围内每隔5度偏转波束进行扇形扫查，当找到最大回波信号时，记录斜探头的入射点到该横通孔角度θ、声程sr。重复操作得到检测其他横通孔时的相应数据。表1所示为不同埋深横通孔在不同扫查角度下获得的声程值。表1不同埋深横通孔在不同扫查角度下获得的声程值sr35°40°45°50°55°60°65°12mm4.9410.9611.7215.0020.9926.6532.9424mm19.4127.9331.4634.7541.5352.6262.6936mm33.9043.7148.5953.9661.9076.5593.3848mm48.2658.7464.4172.6882.2399.64123.83方法1:直接进行二元多项式拟合：s41：通过matlab直接对上述角度、声程和埋深进行拟合，获得相应的函数和三维映射关系图(见图6)如下：dp＝p00+p10*θ+p01*sr+p20*θ2+p11*θ*sr+p02*sr2+p30*θ3+p21*θ2*sr+p12*θ*sr2+p03*sr3其中：p00＝31.75p10＝-8.082p01＝18.63p20＝0.3557p11＝-4.578p02＝0.5798p30＝-0.9749p21＝-0.03725p12＝-0.27p03＝-0.08089s51:分别在52°和58°条件下，对4个不同深度的横通孔进行测量，获得的声程值sr如表2所示：表252°和58°条件下测得的声程值12mm24mm36mm48mm52°17.7238.2857.4575.9958°23.5946.8669.4091.64将上述声程值和角度值代入拟合函数，获得修正后的深度值，即表3。表3横通孔深度验证表(方法1)深度t*1/5t*2/5t*3/5t*4/5标称值1224364852°12.1724.0735.7247.3658°12.6724.3536.1347.97从上述结果中可以看出，通过二元多项式拟合的方式可以对因材料声速变化引起的测量值进行修正，相应的结果与标称值误差较小，满足实际使用的要求。方法2:首先映射不同深度条件下的声程sr与角度θ关系，然后通过差值获得特定角度下的物理深度值dp和声程sr的映射关系。s42：对声程和角度进行多项式拟合，典型的多项式结构形式为：sr＝a*θ3+b*θ2+c*θ+d分别对12mm、24mm、36mm和48mm的数据进行拟合，获得相应的多项式系数如表4所示。表4sr-θ多项式拟合系数表进一步地，可以获得特定检测角度下的深度值与声程之间的映射关系：dp＝e*sr2+f*sr+g表5dp-sr多项式拟合系数表52°58°e0.00080.0003f0.54070.4984g2.14020.0843s52：分别将在52度和58度条件下测量获得的不同埋深横通孔所对应的声程值(表2)代入上述拟合的多项式中，可以获得相应的修正值。表6横通孔深度验证表(方法2)深度t*1/5t*2/5t*3/5t*4/5标称值1224364852°11.9924.0335.9748.0158°11.9824.0635.9448.02从上述结果中可以看出，通过分布拟合的方式(首先建立sr-θ映射关系，然后建立dp-sr对应关系)也可以对因材料声速变化引起的测量值进行修正，相应的结果与标称值误差较小，满足实际使用的要求。应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。当前第1页12