焊缝超声波自动探伤的电磁跟踪方法

超声波检测焊缝的几种常用方法
超声波检测焊缝的几种常用方法有：
1. 传统超声波检测方法：使用单个超声波传感器沿着焊缝进行扫描。

根据超声波的传播和反射情况来判断焊缝的质量。

2. 相控阵超声波检测方法：通过一组多个超声波传感器，可以同时发送多个超声波束进行扫描。

利用相控阵扫描技术，可以实现对焊缝的全方位检测和成像。

3. 接触式超声波检测方法：将超声波传感器直接接触到焊缝表面，通过传输超声波进行检测。

这种方法通常用于对焊缝的表面缺陷进行检测。

4. 无损检测方法：利用超声波对焊缝进行无损检测。

通过测量超声波在焊缝中的传播速度、衰减和反射等特性来判断焊缝的质量。

5. 脉冲回波超声波检测方法：通过发送短脉冲超声波信号，测量回波信号的时间和幅值来判断焊缝的缺陷和界面情况。

这种方法适用于焊缝的测厚和界面检测。

焊缝超声波探伤原理
焊缝超声波探伤是利用超声波的传播和相互作用原理来检测和评估焊缝中的缺陷和杂质。

超声波是一种高频机械波，具有传播距离远、穿透性好和对被测材料无损伤的特点。

在焊缝超声波探伤过程中，超声波传播到焊缝区域时，其中的能量会发生转换，一部分能量被反射回传感器，另一部分能量经过焊缝进入焊接材料内部继续传播。

当超声波遇到焊缝中的缺陷或垂直于超声波传播方向的杂质时，会发生反射或散射，这些反射或散射波会被传感器接收并转换成电信号。

根据接收到的电信号，可以分析焊缝中的缺陷类型、大小和位置，以及评估焊缝的质量和可靠性。

常用的超声波探伤方法有脉冲回波法和全景扫查法。

在脉冲回波法中，通过发射短脉冲超声波来激励焊缝区域，接收并记录回波信号。

根据回波信号的时间延迟和振幅变化，可以确定焊缝中的缺陷位置和大小。

全景扫查法是一种全面检测焊缝的方法，可以将焊缝区域划分为多个小区域，逐个扫描并记录每个小区域中的回波信号。

通过综合分析所有小区域的回波信号，可以获得焊缝的完整图像，并对缺陷进行全面评估。

总的来说，焊缝超声波探伤利用超声波在焊缝中传播、反射和散射的特性，通过接收和分析回波信号来检测和评估焊缝的质
量。

这种方法是一种无损检测技术，可以提高焊接质量并确保焊缝的可靠性。

焊缝超声波探伤操作步骤一、探头前沿长度的测量。

将探头放置在CSK—ⅠA试块上，将入射点对准R100处，找出反射波达到最高时探头到R100端部的距离。

然后用其所长100减去此段距离。

此时所得的数据就是探头的前沿距离。

按此方法连测三次，求出平均值。

二、测量探头的K值利用CSK—ⅠA试块上的φ50孔的反射角测出并用反三角函数计算出K值。

将探头对准试块上φ50横孔，找到最高回波：则有K=tgβ=（L+l-35）/30。

三、扫描速度的调节1、水平调节法：将探头对准R50、R100，调节仪器使B1、B2分别对准不平刻度，此时计算出l1、l2。

l1，l2将计算出的数据在示波屏上将B1和B2调至相对应的位置，此时水平距离扫描速度为1：1。

2、深度调节法利用CSK-ⅠA试块调节，先计算R50、R100圆弧反射波B1、B2对应的纵深d1、d2：d1，d2B1、B2分别对准水平刻度值d1、d2。

如K=2时，经计算d1=22.4mm、d2=44.8mm。

调节仪器使B1、B2分别对准22.4和平共处44.8，这时深度1：1就调节好了。

四、距离——波幅曲线的绘制1、将探头置于CSK-ⅢA试块上，衰减48dB，调增益使深度为10mm的φ1×6孔的最高回波达基准60%，记录此时的衰减器读数和孔深，然后分别探测其它不同深度的φ1×6孔，增益不动，调节衰减器将各孔的最高回波调至60%高，记下相应的dB值和孔深填入表中。

2、以孔深为横坐标，以分贝值为纵坐标，在坐标纸上描点绘出定量线、判废线和评定线，标出Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，并注明所用探头的频率、晶片尺寸和K值。

3、现以T=30mm举例说明50403020101020304050D BM m五、 调节探伤灵敏度调节探伤灵敏度时，探伤灵敏度不得低于评定线，一般以2倍的壁厚处所对应的评定线dB 值，也就是说在工件60mm 处评定线所对应的分贝值。

如若还要考虑耦合补偿，补偿根据实际情况而定。

第四章 焊缝超声波探伤第二节 平板对接焊缝的超声波探伤方法由于焊缝有增强量、表面凹凸不平，以及焊缝中危险性缺陷(裂缝、未焊透)大多垂直于板面，所以，对接焊缝超声波探伤基本方法一般都利用斜探头在焊缝两侧与钢板直接接触后所产生的折射横波进行探测，见图4–4所示。

一、探测面的修整为保证整个焊缝截面都被超声波束扫查到，探头必须在探测面上左右、前后移动，为此，通常要对探测面进行修整。

探测面上的焊接飞溅、氧化皮、锈蚀等应清理掉。

清理的方法可用铲刀、钢丝刷、砂轮等使钢板露出金属光泽。

探测面的修整宽度按GB11345–89标准规定：a. 用一次(直射)波法扫查，则焊缝两测的修整宽度(探头移动区)应大于0.75P ：P=2TK (4–1)式中：T 为母材厚度；K 为斜探头折射角的正切(K=tg β)。

b. 用一次反射波法，在焊缝两面两侧扫查，故修整宽度大于1.25P ： 二、耦合剂的选用为使超声波能顺利传入工件，在探伤前必须在探测面上涂上耦合剂，常用的耦合剂有机油、化学浆糊、水、甘油等。

耦合剂的选用应考虑：① 工件表面光洁度和倾斜角度 ② 探测频率③ 耦合剂的声透性能④ 保存和使用的方便性⑤ 经济性和安全等各种耦合剂在工件表面光洁度较高时，其声透性能一般相差不大，当工件表面光洁度较差时，选用声阻抗较大的耦合剂，如甘油，可获得较好的声透性能。

三、探头的选择探头选择主要指探头角度和频率的选择 1. 探头角度的选择对于钢质材料，为保证纯横波探测，探头的入射角应在第一临界角(27.5°)和第二临界角(57°)之间，即27.5°＜α＜57°。

国内过去使用的探头均以入射角标称，如、30°、40°、45°、50°、55°等。

近年来，考虑到为使缺陷定位计算方便，故均改用K 值探头(K=tg β)如K=0.8、K=1、K=1.5、K=2、K=2.5、K=3等。

焊缝跟踪原理
焊缝跟踪是一种自动化的焊接质量检测技术，主要用于对焊缝进
行实时监测和记录。

它采用高精度传感器对焊缝进行实时检测，将检
测到的数据传输给计算机进行分析，从而实现对焊接过程的全程跟踪。

焊缝跟踪技术的应用不仅可以提高焊接质量，增加产品性能，还可提
高工作效率，降低生产成本。

焊缝跟踪技术的工作原理主要有两种：一种是通过激光测距仪等
传感器对焊缝进行三维点云的扫描，然后通过算法处理生成二维或三
维的焊缝模型，再根据焊缝模型进行数据的分析和处理。

另一种是利
用高速相机对焊缝进行实时图像捕捉和处理，从而实现对焊缝质量的
判断。

这两种方法都可以实现对焊缝进行全程监测和记录，保证焊接
质量的稳定性和可靠性。

在焊缝跟踪的实际应用过程中，需要注意以下几点：
1. 焊接环境不能影响焊缝跟踪的准确性，应避免强光照射、强磁
场等情况。

2. 焊接工艺参数需要根据焊缝跟踪的结果进行调整，以提高焊接
质量。

3. 焊接机器人等设备需要进行定期维护和保养，以确保焊接质量
的稳定性和可靠性。

4. 焊缝跟踪的数据记录和处理需要进行有效管理，以备后续分析和查询。

总之，焊缝跟踪技术的应用可以提高焊接质量和效率，是现代化生产的必备技术之一。

在实际应用过程中，我们需要根据实际情况进行合理的设计和调整，以达到最佳的效果。

41超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法吴秀玲，方少元（华南理工大学 电信学院，广东 广州 510640）摘 要 用检相法测试出换能器输出电压和电流相位差的值和滞后/超前情况作为超声波焊接机工作频率调整信号，通过磁饱和原理和数字电位器改变线圈电场强度来改变其电感值（即改变电路工作频率）从而跟踪控制频率使电路回到谐振状态。

本文讲述了频率控制原理，给出了实现电路和测试数据，证明了此方法是可行的。

关键词 换能器；磁饱和；数字电位器 中图分类号 TN712 超声波焊接机换能器在不带负载的情形下，振动于谐振频率上，可近似看作纯电阻。

但是一旦带负载工作，由于负载的变化，换能器等效电路参数有所变化，实际工作频率与电源的谐振频率有差异，此时焊接效率低下，焊接质量和效果受影响，焊接机也易受损。

所以在设计电路时，必须要考虑到谐振频率的自动跟踪。

1 超声波换能器特性调谐状态时，换能器两端电压U =iR m ，即电压与电流是同相的。

当换能器失谐时，u 与i 不再同相，当ωs（谐振频率）<ω（工作频率）时电路呈容性，i 相位超前u 相位；当ωs >ω时电路呈感性，i 相位滞后u 相位。

以1000W 功率源，20kHz 谐振频率的超声波焊接机为例，测试数据如表1，波形如图1所示。

2 相位检测法以上数据显示，换能器输出电压与电流相位差的值和滞后/超前情况代表着工作频率与振动系统固有谐振频率之间的关系。

所以，若把电压、电流相位差信号取出，作为工作频率变化的控制信号，达到频率跟踪的目的。

电路原理框图如图2所示。

（b ）调谐工作下输出电压－电流波形图（电流相位超前电压相位）电子科技 2005年第9期（总第192期）超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法IT Age/ Sep. 15, 200542（d ）失谐下输出电压－电流波形图（电流相位滞后电压相位）图1 输出电压－电流波形图表1 超声波焊接机输入电流、输出电压电流检测状态F (kHz) 频率 I i ～(A)交流输入电流220AC 端I i ¯(A)直流输入电流150DC 端V p-p (v)输出电压峰-峰值V rms (v)输出电压有效值I p-p (A)输出电流峰-峰值I rms (A)输出电流有效值Q u -Q i (º)电压-电流相位差V o (v)整流检测电压 调谐 20.04 0.2 0.368 2813 912 0.98 0.19 0 0.2 调谐 20.04 0.2 0.368 2719 882 1.00 0.19 0 0.188 失谐 20.18 1.3 3.6812000 4137 2.39 0.83 -861.96 失谐 19.97 1.8 5.152 11530 34992.16 0.70 +721.93调谐工作 20.02 1.55 2.27 2560 826 1.28 0.36 +27.4 1.698 调谐工作20.05 2.13 3.13 2563 818 1.68 0.5 +28.8 1.906注：调谐指焊接之前调整电路频率接近谐振频率，失谐指焊接之前调整电路频率远离谐振频率，调谐工作指在调谐频率下进行焊接操作。

叶建雄：超声波传感器在焊缝跟踪中的应用超声波传感器在焊缝跟踪中的应用叶建雄(南昌大学机器人与焊接自动化实验室330029)摘要：介绍了超声波的特点及将在焊接自动化领域的应用。

将超声波传感器应用于焊缝自动跟踪的关键是距离的测量。

文章从减小回波损失，缩小检测盲区，保持回波强度和判断回波到达时刻四个方面论述了利用超声波传感器实现高精度距离测量的方法，对传感器在焊接中的应用方式和焊枪控制的方法进行了说明，最后对超声波传感器在焊接中的应用前景和趋势进行了展望。

关键词：超声波；传感器；焊缝跟踪1 简介超声波是一种振动频率高于声波的机械波，具有频率高、波长短、方向性好、可以定向发射和调制等特点；超声波是由压电体产生的，压电体又称换能器，是超声波传感器的核心部件，具有正压电效应和逆压电效应，通过压电体的逆压电效应可以获得超声波，利用压电体的正压电效应可以由超声波得到相应的脉动电压，从而实现声能与电能的相互转换。

超声波传感器按工作方式可分为发射型(电——声转换)、接收型(声——电转换)、发射——接收复合型三种形式，由于这类传感器具有使用灵活，原理简单，成本低、安装方便等优点，被广泛应用于距离检测，压力测量，流量/流速测定、空间智能定位、厚度控制等领域[1-4]，超声波的安全性和非接触测量的优点,非常适合工作在重污染、高危险及人类难以进入的地区。

2 焊缝跟踪的意义焊接被广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门，在金属制造业中，焊接已成为仅次于装配和机械加工的第三大产业。

在工业发达国家，每年钢铁产量的45%左右要通过焊接才能转化为最终的产品。

为了保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率，改善焊接工人工作条件，人们不断地提高焊接自动化的水平，主要内容之一就是发展焊缝自动跟踪技术。

焊缝跟踪是一项多学科交叉技术，包括电子技术、计算机、焊接、结构、材料，流体、光学、电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教型焊接机器到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步，不仅大大降低了对工件加工精度和装配精度的要求，而且降低了焊前准备时间，显著提高了生产效率。

第四章 焊缝超声波探伤第三节 焊缝超声波探伤定位超声波探伤定位的方法是利用已知尺寸的试块(或工件)作为反射体来调节探伤仪的时间轴，然后根据反射波出现在时间轴上的位置，确定缺陷的位置。

一、斜探头定位与直探头定位的区别纵波探伤时定位比较简单，如探测100mm 厚的工件，可把底面回波调在10格，则每格代表工件中的声程(或垂直距离)为100/10=10(mm)。

(因耦合层极薄，可忽略不计)。

探伤时，若在6格出现缺陷波，则缺陷离工件表面的距离为6×10=60mm 。

横波探伤时的定位比较复杂(见图5–7所示)，与纵波探伤相比有三点区别：① 超声波射到底面时无底面回波(故时间轴需在试块上预先调节)；② 有机玻璃斜楔内一段声程OO '(称斜探头本体声程)在中薄板焊缝探伤定位时不能忽略，必须加以考虑。

③ 超声波的传播路线为O 'OAB(或O 'OB)折线，定位时，必须得用三角公式进行计算。

二、斜探头探伤定位基本原理焊缝探伤前，一般先进行斜探头入射点和折射角的测定，以及时间轴的调节。

故入射点O 和折射角β是已知的，示波屏上扫描线每格所代表的距离(可以是水平距离、垂直距离或声程)也是可知的。

这样，在直角三角形中，知道一只角、一条边、则其他两条边也可求出，故缺陷位置(缺陷离探头入射点的水平距离和深度)便可确定。

根据时间扫描线调节方法的不同，可分三种定位法： 1. 水平定位法即时间扫描线与水平距离成相应的比例关系。

2. 垂直定位法即时间扫描线与深度距离成相应的比例关系。

3. 声程定位法即时间扫描线与声程距离成相应的比例关系。

一般板厚≤24mm 时，用水平定位法、板厚≥32mm 时用垂直定位法。

时间轴的调节，其最大测定范围应在1S ～1.5S 之间(1S 为一个跨距的声程距离)。

三、焊缝超声波探伤定位的常用方法多年来，不少厂矿企业中的检测人员根据自己产品的特点，经过不断摸索、反复实践，已总结出了好多简便、有效的定位方法，下面仅介绍几种常用的定位方法。

超声波检测焊缝的几种常用方法超声波检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法、共振法和TOFD法。

1.脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。

脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

（1）缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。

该方法是反射法的基本方法。

（2）底波高度法当试件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。

如果试件内存在缺陷，底面回波高度会下降甚至消失，这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。

底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。

由于该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷，锻件探伤中常用：如由缺陷引起的底波降低量。

（3）多次底波法当透入试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3??。

如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。

这种依据底面回波次数而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

2.穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷时情况的一种方法。

穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测。

3.共振法若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差。

当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。

依据试件的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。

专利名称：一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法专利类型：发明专利
发明人：洪波,郭韬,向垂悦,刘锦
申请号：CN201911188520.9
申请日：20191128
公开号：CN112846551B
公开日：
20220621
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种旋转超声波‑电弧复合式焊缝跟踪方法，它主要是解决单个传感器受到焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰，导致焊缝跟踪精度低、焊接质量差、系统容错率低等问题。

其技术方案主要是：该方法采用超声波‑电弧复合式传感器，由锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，对采样数据分别采用温度补偿算法对数据进行补正和最小二乘法进行拟合并得出两种焊缝偏差信息，将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过十字滑架、焊接小车对焊接过程进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪。

申请人：湘潭大学
地址：411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘27号湘潭大学
国籍：CN
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焊接自动化、智能化的关键问题是焊缝的自动查找、自动跟踪寻位-焊缝跟踪传感1.焊接行业发展趋势焊接行业是关乎工业制造生产与维护服务的核心行业之一，是大型安装工程建设期间的一项关键工作，其进度直接影响到计划的工期，其质量的好坏直接影响到工程的安全运行和使用寿命，其效率的高低直接影响工程的建造周期和建造成本。

为了减少人为因素对焊接质量的影响、提高生产效率就需要使焊接过程更加自动化和智能化，这也是焊接行业发展的必然趋势。

焊接自动化、智能化的关键问题是焊缝的自动查找、自动跟踪，苏州博智慧达自主研发的3D激光焊缝跟踪系统可以轻松获取焊缝位置、焊缝偏转角度、焊缝宽度、高度、深度等信息，并支持市面上大部分机器人品牌的数据通讯，如FANUC、ABB、KUKA、安川、川崎等。

将数据实时反馈至上位机，已达到最佳工艺控制要求。

焊缝自动跟踪系统的作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并传递给焊枪（机器人）控制系统，控制系统根据检测结果调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。

2.工作原理激光焊缝跟踪传感器采用激光三角反射式原理，即激光束被放大形成一条激光线投射到被测物体表面上，反射光透过高质量光学系统，被投射到成像矩阵上，经过计算得到传感器到被测表面的距离（Z轴）和沿着激光线的位置信息（X轴）。

移动被测物体或轮廓仪探头，就可以得到一组三维测量值。

所获得的信息可用于焊缝搜索定位、焊缝跟踪、自适应焊接参数控制、焊缝成形检测并将信息实时传递到机械手单元，完成各种复杂焊接，避免焊接质量偏差，实现无人化焊接。

传感器通过复杂的程序算法完成对常见焊缝的在线实时检测。

对于检测范围、检测能力以及针对焊接过程中的常见问题都有相应的功能设置。

设备通过计算检测到的焊缝与焊枪之间的偏差，输出偏差数据，由运动执行机构实时纠正偏差，精确引导焊枪自动焊接，从而实现对焊接过程中焊缝的智能实时跟踪。

支持多种焊接类型3.激光焊缝跟踪系统的优点1.整套软件系统采用自主技术，无版权风险，具有开源的软件架构，用户可自行添加通讯协议与各种机器人进行配合。

焊缝超声波探伤操作步骤一、探头前沿长度的测量。

将探头放置在CSK—ⅠA试块上，将入射点对准R100处，找出反射波达到最高时探头到R100端部的距离。

然后用其所长100减去此段距离。

此时所得的数据就是探头的前沿距离。

按此方法连测三次，求出平均值。

二、测量探头的K值利用CSK—ⅠA试块上的φ50孔的反射角测出并用反三角函数计算出K值。

将探头对准试块上φ50横孔，找到最高回波：则有K=tgβ=（L+l-35）/30。

三、扫描速度的调节1、水平调节法：将探头对准R50、R100，调节仪器使B1、B2分别对准不平刻度，此时计算出l1、l2。

l1=KR50/ ，l2= KR100/将计算出的数据在示波屏上将B1和B2调至相对应的位置，此时水平距离扫描速度为1：1。

2、深度调节法利用CSK-ⅠA试块调节，先计算R50、R100圆弧反射波B1、B2对应的纵深d1、d2：d1=R50/ ，d2= R100/，然后调节仪器使B1、B2分别对准水平刻度值d1、d2。

如K=2时，经计算d1=22.4mm、d2=44.8mm。

调节仪器使B1、B2分别对准22.4和平共处44.8，这时深度1：1就调节好了。

四、距离——波幅曲线的绘制1、将探头置于CSK-ⅢA试块上，衰减48dB，调增益使深度为10mm的φ1×6孔的最高回波达基准60%，记录此时的衰减器读数和孔深，然后分别探测其它不同深度的φ1×6孔，增益不动，调节衰减器将各孔的最高回波调至60%高，记下相应的dB值和孔深填入表中。

2、以孔深为横坐标，以分贝值为纵坐标，在坐标纸上描点绘出定量线、判废线和评定线，标出Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，并注明所用探头的频率、晶片尺寸和K值。

3、现以T=30mm举例说明50403020101020304050D BM m五、 调节探伤灵敏度调节探伤灵敏度时，探伤灵敏度不得低于评定线，一般以2倍的壁厚处所对应的评定线dB 值，也就是说在工件60mm 处评定线所对应的分贝值。