智能化环形电子束焊缝超声自动检测系统设计

试验研究N DT　无损检测全自动超声波检测技术在管道对接环焊缝检测中的应用田国良(葫芦岛市特种设备监督检验所,辽宁葫芦岛　125001)摘　要:介绍了全自动超声波检测技术在管道对接环焊缝检测中的应用。

采用全自动超声波检测、手动超声波检测以及射线检测方法对预制缺陷进行了检测。

通过金相解剖对比三种检测方法的优劣,发现全自动超声波检测技术的优势和发展潜力,得出超声波衍射时差法结合超声脉冲反射法可有效检测管道对接环焊缝缺陷。

关键词:全自动超声波检测;手动超声波检测;射线检测;超声波衍射时差法;预制缺陷 中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2007)0820472205Application of Automatic U ltrasonic T esting T echnology in the Inspectionof Butt G irth Welds of PipelineTIAN G uo2liang(Huludao Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Huludao Liaoning125001,China)Abstract:The application of automatic ultrasonic testing for the inspection of butt girth welds of pipeline was introduced.Automatic ultrasonic testing,manual ultrasonic testing and radiographic testing techniques were used on the inspection of embedded parisons between existing testing results showed that automatic ultrasonic testing had great advantages and bright application f uture.Final conclusion was drawn that the combination of both time of flight diffraction technique and pulse echo technique was effective for the butt girth welds testing of pipeline.K eyw ords:Automatic ultrasonic testing;Manual ultrasonic testing;Radiographic testing;Time of flight diffraction technique;Embedded defect 2006年伊朗IO EC公司在中国石油天然气管道局考察全自动超声波检测(以下简称AU T)应用于伊朗海上管道工程项目的效果时,提出在X70钢、<1016mm×21mm管件上用手工焊接预制11个缺陷(裂纹、未熔合、根部未焊透、夹渣及气孔等),分别采用AU T、手动超声波检测(以下简称MU T)以及射线检测(以下简称R T)进行对比试验,以验证AU T方法的可靠性[1,2]。

２管道对摇焊缝自动超声检测系统总体设计笪自动超声检测系统由自动检测机械装置，步迸电机控制卡与驱动器，高速数据采集卡，微机系统（包括显示器、打印机和系统应用软件包）等部分构成。

系统软件包由实时控制软件、数据采集与处理软件等组成。

系统的工作原理：首先，操作者根据所检测的管道选定探伤条件，选择最优的扫描方式及扫查路径；其次，编制检测过程控制程序：最后计算机得到插补输出脉冲作为触发信号，发送控制脉冲到控制电路的相应Ｉ／ｏ端口，通过驱动器对步进电机进行驱动，从而自动检测装置带动超声探头对焊缝进行扫查。

焊缝扫查的同时，对超声探伤仪送入的回波信号进行采样，量化后，利用编制的判伤软件进行缺陷的自动识别、报警、判伤。

采样数据自动保存，可以多种图像显示。

一道焊缝检测完成后，自动产生检测结果报告，并可按用户设定的格式打印输出检测报告。

２．５管道对接焊缝自动超声检测系统结构设计确定系统总体方案后，再进行系统各结构模块的设计。

经过一年多的努力，我们基本完成了管道对接焊缝自动超声检测系统的研制工作，图２．６为系统实验现场，从图中可以看到本系统的各结构模块。

图２．６管道对接焊缝自动超声检测系统实验现场２．５．１管道外爬行器根据现场对自动检测装置的要求，结合国内外管道检测的现状，设计并制造管道对接焊缝检测机械装置——爬行器，爬行器要装卸、调整方便快捷，并具有较好的适应性。

利用该爬行器带动超声检测探头，就可以完成管道对接焊缝的快速超声检测。

２．５．２基于Ｐｃ的多轴联动步进电机控制卡３管道对接焊缝检测爬行器设计３．管道对接焊缝检测爬行器设计自动检测机械装置是实现超声检测自动化的关键部分，它直接决定了系统的缺陷分辨率，对系统的成本、制造难度有很大影响。

本章针对管道对接环焊缝检测的特点，结合精密机械技术、数控技术、步进电机驱动等技术，研制了管道对接焊缝自动检测装置——爬行器。

３．１对接焊缝检测机械爬行器工作原理爬行器采用模块化组合式结构。

焊接药筒环焊缝缺陷超声自动检测系统设计结合多年科研工作，提出了焊接药筒环焊缝超声自动检测方法和系统设计方案，并设计了多输入-单输出电路，特征提取电路。

1 焊接药筒环焊缝超声检测方法1.1 焊接药筒介绍焊接钢质药筒是国营753厂研制定型的火炮药筒。

其筒底和筒体是由环焊机焊接而成的。

在焊接处，筒底厚度为2.6 mm，筒体厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm宽的环形焊缝，且内表面有起伏，不规则。

在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。

军方要求对焊缝百分之百的检验。

焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、焊偏等缺陷。

为了适应生产线批量生产自动检测的要求，结合成本等因素，采用水浸超声自动检测方法。

1.2 环焊缝超声正交扫描检测方案疵病有点状和线状两种。

通过对药筒及环焊缝的具体分析，采取如图1所示方案，从两个方向对焊缝进行正交检测，这样不易漏检，也可根据两个方向获得的信息对缺陷进行定性分析。

图1中三个探头装在一个探头架上，全部采用水浸聚焦探头。

整个探头和药筒被测部分浸在水中(图中未画出水)。

图1(a)中，探头1是发射探头，发射的纵波在水中传播斜入射到药筒筒体，在钢板中产生A1模式的板波。

板波沿垂直于焊缝的方向传播，在传播的同时部分能量以纵波的形式向水中辐射，穿过焊缝的板波到达某一点时，其辐射的纵波能量被探头2接收。

当板波声束穿过的焊缝处有气孔或焊偏缺陷时，探头2接收到的信号变小。

图1(b)中，探头3发射的纵波斜入射到焊缝上，在焊缝中产生表面波，沿焊缝方向传播，当在焊道上距入射点一定距离内有横裂纹、气孔等缺陷时，表面波沿焊缝方向反射，反射回波的部分能量以纵波的形式向水中辐射，被探头3接收形成缺陷反射回波信号(无疵病时，信号幅度为零)。

通过对两组探头信号的处理与综合分析，可得出焊道上被测点的焊接情况。

这就是检测的基本原理和方法。

图1 环焊缝超声正交检测示意图2 自动检测系统总体设计根据检测方案，检测系统应具有以下功能：①两组探头对同一点先后检测，并把各自的回波信号进行处理；②提取回波信号的主要特征以便分析判断；③为了获得整个焊道的信息，药筒和探头必须有相对运动，使系统对整个圆周的焊缝都能检测到；④整个系统由微机进行控制和数据处理。

汽车后桥环焊缝自动超声波探伤系统介绍一种汽车后桥环焊缝自动超声波探伤系统，采用非常规的探伤方法，设计了一种组合式微型探头，实现了后桥的自动超声波探伤，该系统具有自动判伤、定位、记录和打标记的功能。

同时还具有整条环焊缝探伤波形全景记录功能，操作简便，现已用于实际。

1 探伤原理与工艺参数的确定1.1探伤原理汽车后桥由冲压成形的半桥壳、后盖、法兰盘、半轴套管等几部分焊接而成。

先由两个半桥壳对接形成后桥壳，然后再由后桥壳与半轴套管用环焊缝焊接成桥壳体，环焊缝与对接纵缝成丁字交叉。

后桥材料为20号钢，所有焊缝均采用CO2自动焊接，环焊缝为搭接形式（见图 1），可能出现的缺陷大多为根部未焊透和保护不当引起的气孔，其中根部未焊透对疲劳寿命影响最大。

由于环焊缝与对接纵缝形成丁字形接头，按照常规探伤方法，由于纵缝的阻碍引起几何形状突变，不利于探头与工件表面的贴合，在焊缝表面实施自动探伤比较困难。

若采用水浸法，则不利于在线连续生产。

由图1可知，在后桥轴头套管内有一环形平面，环的宽度为9 mm，将探头贴在此环上，从后桥内壁向上发射超声波来探测焊缝，若发射的超声波包住整个焊接接头断面，旋转后桥且探头不动，则可实现自动超声波探伤，其原理如图 1 所示，图中a,b 和c点为假设缺陷处，数字为超声波声轴线投影法确定的缺陷深度(单位为 mm)。

图 1探伤原理及缺陷回波定位法示意图1.2探头参数的选择1.2.1K值由于后桥环缝位置的几何形状和尺寸的限制，满足自动探伤要求的位置狭小，为了保证探伤的可靠性，采用多探头多方位扫查方式。

探头设计成组合探头形式，后桥头每边采用4只探头，两边共8只探头同时检测，每个组合探头中的探头以圆心为对称点，相隔90°均布。

探头扫查方向如图 2 所示，1号探头向斜下方扫查焊缝，另外3只探头从斜上方扫查环焊缝。

两端的组合探头呈对称布置。

斜探头入射角β由后桥环缝位置的几何尺寸确定，其原则是超声波束要包络整个焊缝断面，如图1所示。