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技術(shù)文章

船體結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷智能化方法
為了保證船體建造質(zhì)量，對船體焊縫必須進(jìn)行探傷[1]。超聲波探傷是船體結(jié)構(gòu)焊縫檢測常用的無損探傷方法。但是超聲波探傷也有缺點。先，由探傷人員填寫的探傷記錄，不象射線探傷那樣能夠留下較為客觀原始的探傷憑證，這對于船廠的質(zhì)量管理及質(zhì)量保證體系來說，是明顯的缺憾；特別是在船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損事故時，超聲波檢測結(jié)果不能對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，也就是說在工程實際應(yīng)用中，一般先進(jìn)行超聲波探傷，超聲波探傷認(rèn)為有問題的部位，再進(jìn)行射線探傷，這一點在船舶建造過程中顯得尤為突出。*后，超聲波探傷對操作人員的技術(shù)、素質(zhì)要求較高。大量的焊縫、長時間的工作極有可能使探傷人員在探傷過程中造成誤判、漏判[2]。這與國外強調(diào)焊接生產(chǎn)及探傷的全自動化、低成本化、技能化、過程的集約化以及產(chǎn)品的高可靠性、高**性是完全相悖的?？朔徒鉀Q超聲波探傷的缺點，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[3]。本文在利用計算機控制技術(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是探傷時處于不同位置時的超聲波發(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，則說明在焊縫中有焊接缺陷4，如探頭處于B位置。否則說明焊縫中無焊接缺陷，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位置來確定，缺陷的形狀、尺寸等則由探頭在垂直于???縫方向上的連續(xù)運動中是否出現(xiàn)缺陷脈沖來確定，這也是超聲波探傷的難點所在。為了對焊縫剖面進(jìn)行**檢測，需將探頭沿垂直于焊縫的方向移動，同時，為了對整條焊縫進(jìn)行檢測需將探頭沿焊縫的方向移動。為此超聲波探傷過程就是探頭在平行與和垂直于焊縫的方向上作鋸齒狀運動，與此同時，探傷者還應(yīng)密切注視檢測儀器上是否出現(xiàn)缺陷脈沖[2] 。

要實現(xiàn)超聲波探傷的自動化，先要簡化超聲波探傷過程，即簡化超聲波探頭的運動狀態(tài)，應(yīng)用超聲波探頭陣列的方式可以達(dá)到簡化探頭運動的目的，如圖 2所示。用多個探頭沿垂直于焊縫方向排列，由計算機控制各個探頭的工作，在某一時刻只有一個探頭工作，探頭陣列只需做勻速直線運動。

計算機捕捉表面反射脈沖、底面反射脈沖、二次反射脈沖。當(dāng)缺陷反射脈沖出現(xiàn)時，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。由于探頭無需在垂直于焊縫的方向上移動，只需做勻速直線運動，在捕捉到各個剖面上的缺陷之后，計算機可以通過對各個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，同時形成了超聲波探傷的原始記錄。從而實現(xiàn)了超聲波探頭與焊縫的相對運動、缺陷的捕捉、過程存儲的自動化，以及缺陷判別的智能化。

陣列式超聲波探傷的一個缺點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動，從而使超聲波對焊縫金屬的連續(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缺陷的*大分辨率。為了提高分辨率，可通過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法提高分辨率時，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工作方式，計算機通過超聲波探頭選通信號確定某個探頭處于工作狀態(tài)，同時對超聲波探頭驅(qū)動電路發(fā)出允許發(fā)射信號，超聲波探頭驅(qū)動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經(jīng)放大傳回到計算機，計算機即可顯示焊縫處某個深度上是否有缺陷。通過每一個探頭的輪流工作，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度方向上的移動可以確定缺陷的起始位置、終止位置和長度。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動狀態(tài)，因為這樣計算機才能將沿焊縫方向上不同位置上的探頭上的信號集成到一個焊縫截面上，達(dá)到提高分辨率的效果。