船體焊縫 超聲波探傷智能化方法
摘　要：通過(guò)使用計(jì)算機(jī)控制的陣列式超聲波探頭簡(jiǎn)化超聲波探傷過(guò)程中探頭的運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)超聲波探傷的自動(dòng)化和智能化，超聲波探傷過(guò)程形成原始的探傷記錄，在確定焊接缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸、形狀、位置等的基礎(chǔ)上，使探傷結(jié)果更加直觀可靠，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：超聲波；探傷；焊接；缺陷

1　引　言

 為了保證船體建造質(zhì)量，對(duì)船體焊縫必須進(jìn)行探傷[1]。超聲波探傷是船體結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)常用的無(wú)損探傷方法。但是超聲波探傷也有缺點(diǎn)。首先，由探傷人員填寫(xiě)的探傷記錄，不象射線探傷那樣能夠留下較為客觀原始的探傷憑證，這對(duì)于船廠的質(zhì)量管理及質(zhì)量保證體系來(lái)說(shuō)，是明顯的缺憾；特別是在船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損事故時(shí)，超聲波檢測(cè)結(jié)果不能對(duì)事故原因分析起到應(yīng)有的作用。其次，超聲波探傷的結(jié)果不直觀，無(wú)法準(zhǔn)確確定焊接缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸、形狀、位置等，不能為焊接缺陷的確診、修復(fù)提供明確的依據(jù)。超聲波探傷往往只能成為射線探傷的一種前導(dǎo)性或輔助性探傷手段，也就是說(shuō)在工程實(shí)際應(yīng)用中，一般先進(jìn)行超聲波探傷，超聲波探傷認(rèn)為有問(wèn)題的部位，再進(jìn)行射線探傷，這一點(diǎn)在船舶建造過(guò)程中顯得尤為突出。*后，超聲波探傷對(duì)操作人員的技術(shù)、素質(zhì)要求較高。大量的焊縫、長(zhǎng)時(shí)間的工作極有可能使探傷人員在探傷過(guò)程中造成誤判、漏判[2]。這與國(guó)外強(qiáng)調(diào)焊接生產(chǎn)及探傷的全自動(dòng)化、低成本化、技能化、過(guò)程的集約化以及產(chǎn)品的高可靠性、高**性是完全相悖的。克服和解決超聲波探傷的缺點(diǎn)，提高超聲波探傷結(jié)果的可追溯性、可靠性、直觀性以及提高工作效率、降低探傷成本和改善工作環(huán)境，成為超聲波探傷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。本文在利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出智能化超聲波探傷系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)原理

圖1是普通超聲波探傷原理示意圖，A、B、C是探傷時(shí)處于不同位置時(shí)的超聲波發(fā)射探頭，探頭發(fā)射的超聲波與金屬的上表面1，下表面2，二次反射表面3相遇在檢測(cè)儀器上形成表面反射脈沖、底面反射脈沖和二次反射脈沖。如果在底面反射脈沖和二次反射脈沖之間，出現(xiàn)新的反射脈沖4，則說(shuō)明在焊縫中有焊接缺陷4，如探頭處于B位置。否則說(shuō)明焊縫中無(wú)焊接缺陷，如探頭處于A、C位置。缺陷的位置可由出現(xiàn)缺陷反射脈和二次反射脈沖的相對(duì)位置來(lái)確定，缺陷的形狀、尺寸等則由探頭在垂直于焊縫方向上的連續(xù)運(yùn)動(dòng)中是否出現(xiàn)缺陷脈沖來(lái)確定，這也是超聲波探傷的難點(diǎn)所在。為了對(duì)焊縫剖面進(jìn)行**檢測(cè)，需將探頭沿垂直于焊縫的方向移動(dòng)，同時(shí)，為了對(duì)整條焊縫進(jìn)行檢測(cè)需將探頭沿焊縫的方向移動(dòng)。為此超聲波探傷過(guò)程就是探頭在平行與和垂直于焊縫的方向上作鋸齒狀運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，探傷者還應(yīng)密切注視檢測(cè)儀器上是否出現(xiàn)缺陷脈沖[2]。

要實(shí)現(xiàn)超聲波探傷的自動(dòng)化，首先要簡(jiǎn)化超聲波探傷過(guò)程，即簡(jiǎn)化超聲波探頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)用超聲波探頭陣列的方式可以達(dá)到簡(jiǎn)化探頭運(yùn)動(dòng)的目的，如圖2所示。用多個(gè)探頭沿垂直于焊縫方向排列，由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)探頭的工作，在某一時(shí)刻只有一個(gè)探頭工作，探頭陣列只需做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

計(jì)算機(jī)捕捉表面反射脈沖、底面反射脈沖、二次反射脈沖。當(dāng)缺陷反射脈沖出現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)缺陷反射脈沖與底面反射脈沖和二次反射脈沖之間的相對(duì)位置、以及捕捉到缺陷的探頭的位置即聲程，確定缺陷在該剖面上的位置。由于探頭無(wú)需在垂直于焊縫的方向上移動(dòng)，只需做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在捕捉到各個(gè)剖面上的缺陷之后，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)對(duì)各個(gè)剖面上的缺陷影像進(jìn)行集成即可確定缺陷性質(zhì)、數(shù)量、尺寸、形狀、位置等缺陷要素，同時(shí)形成了超聲波探傷的原始記錄。從而實(shí)現(xiàn)了超聲波探頭與焊縫的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、缺陷的捕捉、過(guò)程存儲(chǔ)的自動(dòng)化，以及缺陷判別的智能化。

陣列式超聲波探傷的一個(gè)缺點(diǎn)是可能忽視微小的焊接缺陷，即探傷的精度有一定的限制。這主要是由于用陣列式探頭取代單探頭的橫向運(yùn)動(dòng)，從而使超聲波對(duì)焊縫金屬的連續(xù)掃描變?yōu)殡x散掃描，超聲波束離散掃描的間距就為超聲波探傷對(duì)缺陷的*大分辨率。為了提高分辨率，可通過(guò)降低超聲波探頭尺寸的方式，使一定尺寸范圍內(nèi)盡可能多地布置探頭。當(dāng)由于超聲波探頭尺寸的限制而無(wú)法提高分辨率時(shí)，可采用復(fù)排陣列式超聲波探頭，可成倍提高分辨率，如圖3所示。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能化超聲波探傷系統(tǒng)組成如圖4所示。陣列式超聲波探頭采用分時(shí)工作方式，計(jì)算機(jī)通過(guò)超聲波探頭選通信號(hào)確定某個(gè)探頭處于工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)超聲波探頭驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出允許發(fā)射信號(hào)，超聲波探頭驅(qū)動(dòng)電路使被選通的探頭發(fā)射超聲波，該探頭接收到回波信號(hào)經(jīng)放大傳回到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即可顯示焊縫處某個(gè)深度上是否有缺陷。通過(guò)每一個(gè)探頭的輪流工作，即可知道該剖面焊縫上是否有缺陷，如果有缺陷，則缺陷的起始深度和終止深度即可被確定。

超聲波探頭陣列在焊縫長(zhǎng)度方向上的移動(dòng)可以確定缺陷的起始位置、終止位置和長(zhǎng)度。圖5是超聲波探傷結(jié)果示意圖。根據(jù)缺陷在深度和長(zhǎng)度方向上的特征可以確定缺陷的性質(zhì)[4~7]。

復(fù)排陣列式超聲波探頭則需要探頭沿焊縫方向處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)檫@樣計(jì)算機(jī)才能將沿焊縫方向上不同位置上的探頭上的信號(hào)集成到一個(gè)焊縫截面上，達(dá)到提高分辨率的效果。