TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣的計算機(jī)輔助檢測

劉順清

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063020）

TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣的計算機(jī)輔助檢測

劉順清

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063020）

針對TKY管節(jié)點焊縫缺陷不易識別、定位難度大等問題，采用幾何作圖法建立了TKY管節(jié)點焊縫接頭模型，確定相控陣聲束線。在此基礎(chǔ)上，通過采用計算機(jī)輔助技術(shù)手段，有效降低了TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣扇形掃查時的檢測盲區(qū)，實現(xiàn)了聲束覆蓋焊接接頭范圍的可視化，開展相應(yīng)的計算機(jī)輔助檢測實驗。分析表明，采用超聲相控陣的計算機(jī)輔助檢測能快速識別和定位焊縫缺陷，顯著提高檢測效率和缺陷檢出率。

TKY管節(jié)點；超聲相控陣；焊縫檢測；計算機(jī)輔助；缺陷定位

0 前言

在以鋼結(jié)構(gòu)為主的橋梁、建筑、海洋平臺上，大量使用管節(jié)點作為主要或非主要的承載結(jié)構(gòu)，綜合性能較為優(yōu)越的TKY管節(jié)點更是應(yīng)用廣泛，是鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)普遍采用的結(jié)構(gòu)形式之一。由于TKY管節(jié)點空間的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，且在某些應(yīng)用場合對其焊接質(zhì)量的要求較高，然而目前對其焊縫的檢測存在缺陷定位方法及步驟復(fù)雜、人為干擾誤差大、效率較低以及聲束難以完全覆蓋等諸多問題，因此采用一種新型的焊縫檢測方法用于解決上述TKY管節(jié)點焊縫檢測中遇到的問題成為必要。超聲相控陣檢測技術(shù)是20世紀(jì)80年代新興起的一種無損檢測技術(shù)，與常規(guī)的超聲檢測技術(shù)相比，具有靈敏度高、響應(yīng)快、可靠靈活及直觀等特點，因而在聯(lián)軸節(jié)電子束焊、海洋敷管環(huán)及海洋平臺結(jié)構(gòu)管節(jié)點等焊縫檢測方面得到了很好的應(yīng)用[1-3]，尤其是在TKY管接點焊縫檢測上用于解決缺陷定位難等問題方面取得了很好的效果[4]。隨著計算機(jī)輔助技術(shù)的不斷發(fā)展以及超聲成像技術(shù)的不斷成熟，微機(jī)輔助檢測也逐漸作為超聲相控陣檢測技術(shù)的一種輔助手段[5]，更為精準(zhǔn)地檢測TKY管節(jié)點焊縫。

本研究采用計算機(jī)輔助檢測和超聲相控陣焊縫檢測技術(shù)手段，通過建立TKY管節(jié)點焊縫接頭模型和確定相控陣聲束線，對TKY管節(jié)點焊縫檢測盲區(qū)以及缺陷定位難等問題進(jìn)行了研究與實驗分析。

1 TKY管節(jié)點焊縫接頭模型建立及相控陣聲束線確定

TKY管節(jié)點焊縫接頭處于主管與支管坡口兩者相互連接的部位，其焊縫接頭模型見圖1。d為TKY管節(jié)點焊縫的寬度，s為焊縫根部的間隙，O1和O2分別為支管和主管橢圓的中心點，θ為兩橢圓短軸間的夾角，將支管橢圓中心點O1作為坐標(biāo)原點，并以支管橢圓的長軸和短軸分別為x軸和y軸建立xO1y平面直角坐標(biāo)系，可得TKY管節(jié)點支管橢圓方程為

式中a和b分別為支管橢圓的長軸和短軸。

而TKY管節(jié)點主管橢圓方程則可在支管橢圓方程的基礎(chǔ)上經(jīng)坐標(biāo)變換得到

式中ω為主管橢圓的旋轉(zhuǎn)系數(shù)，可根據(jù)橢圓不同的旋轉(zhuǎn)方式分別取+1或-1；x2、y2分別為主管橢圓中心O2在直角坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)。

通過作圖法確定TKY管節(jié)點焊縫間隙位置。以橢圓中心點O2為中心，作平行于主管臂的橢圓曲線S，該曲線與支管臂交于點B，連接O2A與主管臂交于點A，線段AB即為所求。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)確定TKY管節(jié)點焊縫支管的坡口角度見表1，即圖1中的直線段BC與橢圓曲線S在B點的切線夾角，根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系可確定C點的具體坐標(biāo)。同樣，通過二分查找法可確定以C點為圓心、d為半徑的圓與主管臂的交點D的坐標(biāo)。確定點A、B、C、D坐標(biāo)后進(jìn)行連接，線段AB、BC為直線，CD為曲線，至此TKY管節(jié)點焊縫接頭模型建立。

圖1 TKY管節(jié)點焊縫接頭模型

表1 TKY管節(jié)點焊縫的坡口角度

在利用超聲相控陣檢測TKY管節(jié)點焊縫時，為了更好模擬相控陣聲束對TKY管節(jié)點焊縫橫截面的覆蓋程度，需在支管外壁上對相控陣探頭進(jìn)行固定，聲束入射焊縫接頭及聲束覆蓋效果如圖2所示。

圖2 聲束入射焊縫接頭及聲束覆蓋效果

將坐標(biāo)F（xf，yf）作為相控陣陣元所在位置，H和 k分別為相控陣陣元到探頭底部的高度和探頭底面直線的斜率，α和β分別為聲束的入射角和進(jìn)入支管臂的折射角，兩者滿足折射定律。根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，可確定相控陣聲束的入射點Q（xg，yg）為

圖2中，點P為相控陣聲束與支管內(nèi)壁的交點，其坐標(biāo)可通過聯(lián)立支管內(nèi)壁橢圓方程與聲束直線方程得到，同時根據(jù)折射定律，聲束的反射線與入射線關(guān)于P點的法線對稱，因而其反射線方程也可確定。為了能更好地擬合TKY管節(jié)點焊縫，可適當(dāng)修正上述模型，并將修正后的參數(shù)作為默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

2 焊縫超聲相控陣檢測的計算機(jī)輔助

常規(guī)的超聲檢測在對TKY管節(jié)點進(jìn)行焊縫檢測時存在盲區(qū)較大的缺陷，而超聲相控陣技術(shù)的扇形掃查在降低焊縫檢測的盲區(qū)方面優(yōu)勢獨特，但其覆蓋范圍不具備可視化的特點，若僅依據(jù)現(xiàn)場檢測人員經(jīng)驗來確定扇掃范圍，不利于TKY管節(jié)點焊縫管檢測。采用計算機(jī)輔助則可在上述分析基礎(chǔ)上，計算相控陣聲束的范圍，從而對聲束覆蓋的焊接接頭范圍實現(xiàn)實時可視化。

本研究計算機(jī)輔助檢測焊縫相控陣實驗采用的TKY管節(jié)點是Q235鋼管的Y形管節(jié)點，主要參數(shù)見表2，用于Y形管節(jié)點焊縫檢測實驗的超聲相控陣基本參數(shù)見表3，最大偏轉(zhuǎn)標(biāo)稱值范圍25°～65°。

表2 Y形管節(jié)點的主要參數(shù)

表3 用于Y形管節(jié)點焊縫檢測實驗的超聲相控陣基本參數(shù)

下面以鐘表的整點刻度為參考將管節(jié)點的支管外壁等分成12份，其中，0點位置和6點位置分別為管節(jié)點的腳趾和腳跟位置，各鐘點位置標(biāo)定后沿與軸向平行的方向適當(dāng)延長標(biāo)線，其結(jié)構(gòu)分區(qū)的實物如圖3所示。同時，運行計算機(jī)輔助編制的相控陣聲束覆蓋程序，通過精確調(diào)節(jié)探頭位置以獲取最佳的管節(jié)點焊縫接頭聲束覆蓋范圍，其0點～5點刻度處的焊縫截面聲束覆蓋效果如圖4所示。

圖3 管節(jié)點焊縫結(jié)構(gòu)分區(qū)實物

由圖4可知，當(dāng)管節(jié)點焊縫邊緣與相控陣探頭相貼合時覆蓋的焊縫區(qū)域最大，此時相控陣扇掃的角度范圍為30°～65°。因此，可將此范圍作為超聲相控陣設(shè)備扇掃的最大偏轉(zhuǎn)標(biāo)稱值范圍，并將相控陣探頭與管節(jié)點焊縫邊緣進(jìn)行扇掃即可保證在進(jìn)行管節(jié)點焊縫檢測時滿足盲區(qū)最小要求。

圖4 焊縫截面聲束覆蓋效果

3 計算機(jī)輔助檢測實驗結(jié)果及分析

進(jìn)行計算機(jī)輔助焊縫超聲相控陣檢測的管節(jié)點結(jié)構(gòu)回波可分為內(nèi)壁、根部和焊道回波三種，通過檢測在焊接過程中焊縫產(chǎn)生的自然缺陷則可定位焊縫中的缺陷，因而將兩者作為計算機(jī)輔助檢測實驗的定位對象用于識別和定位管節(jié)點焊縫缺陷。

3.1 缺陷信號識別

在計算機(jī)輔助管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測過程中，為避免相控陣聲束在主管內(nèi)壁產(chǎn)生的反射回波干擾焊縫缺陷的識別和定位，在焊縫檢測時要對主管內(nèi)壁產(chǎn)生的反射回波加以識別。選取兩組在檢測實驗過程中采集到的主管內(nèi)壁反射回波反射點的位置數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 主管內(nèi)壁反射回波反射點的位置數(shù)據(jù)

采用相控陣扇掃方式對一次波束和經(jīng)支管內(nèi)壁反射的二次波束分別經(jīng)焊縫區(qū)入射主管內(nèi)壁進(jìn)行掃查，得到的相控陣扇掃圖像如圖5所示。

由圖5可知，主管內(nèi)壁回波因波幅較高，在一定增益下的相控陣扇掃圖像中產(chǎn)生的色差較為明顯。為了能夠準(zhǔn)確識別和定位缺陷信號，需要確定主管內(nèi)壁的反射回波信號的來源，可結(jié)合計算機(jī)輔助定位加以實現(xiàn)，定位如圖6所示，其中，L0和H0分別為回波入射點和反射點到焊縫邊緣的弧長和垂直距離，λ為聲程。根據(jù)圖6所示的聲程和掃射角度可確定結(jié)構(gòu)回波的反射點位置，同時，缺陷信號的來源也可通過聲束的末端位置加以確定。

3.2 缺陷定位

為了能進(jìn)一步實現(xiàn)焊縫超聲相控陣檢測對焊縫缺陷信號進(jìn)行定位，除上述對內(nèi)壁回波進(jìn)行檢測和識別外，還需要檢測焊縫的自然缺陷，分別采用計算機(jī)輔助（見圖7）和作圖解析法定位焊縫缺陷位置，其中，采用計算機(jī)輔助確定的缺陷位置參數(shù)L0和H0分別為18.8mm和7.4mm，采用作圖解析法確定的缺陷位置參數(shù)L0和H0分別為19.6mm和7.1mm，兩者關(guān)于參數(shù)L0和H0的相對誤差分別為3.02％和5.32％。通過對比兩組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種缺陷定位方法的定位精度基本一致，相對誤差在6％以內(nèi)，數(shù)據(jù)相差也小于1mm，但計算機(jī)輔助與作圖解析法相比，能快速定位焊縫缺陷位置，且工作量小，檢測效率較高，因而有利于提高缺陷檢出率。

圖5 主管內(nèi)壁回波相控陣扇掃圖像

圖6 計算機(jī)輔助內(nèi)壁回波定位

圖7 缺陷位置計算機(jī)輔助定位

4 結(jié)論

通過作圖法建立TKY管節(jié)點焊縫接頭模型并確定相控陣聲束線，研究了TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣的計算機(jī)輔助檢測實現(xiàn)方式，并進(jìn)行計算機(jī)輔助檢測實驗。結(jié)果表明：采用計算機(jī)輔助焊縫超聲相控陣檢測，當(dāng)管節(jié)點焊縫邊緣與相控陣探頭相貼合且相控陣扇掃的角度范圍為30°～65°時，盲區(qū)最小，同時采用計算機(jī)輔助檢測能較好地對焊縫缺陷信號進(jìn)行識別，與作圖解析法相比，具有工作量小、缺陷檢出率高及對缺陷位置定位快速等優(yōu)點。

[1]萬升云，章文顯，劉仕遠(yuǎn)，等.聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)[J].電焊機(jī)，2011，41（11）：84-87.

[2]李云龍，余國民，張鴻博，等.自動超聲相控陣技術(shù)在海洋敷管環(huán)焊縫檢測中的應(yīng)用計[J].焊管，2006，29（5）：40-44.

[3]單寶華，歐進(jìn)萍.海洋平臺結(jié)構(gòu)管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)[J].焊接學(xué)報，2004，25（6）:35-37,42.

[4]陸銘慧，邵紅亮，劉勛豐，等.TKY管接點焊縫形狀模型在相控陣檢測中的應(yīng)用[J].無損檢測，2013，35（12）：13-15.

[5]袁建國.微機(jī)輔助檢測焊接質(zhì)量方法的探討[J].電焊機(jī)，2007，37（8）：27-28.

Com puter-aided detection w ith ultrasonic phased array for TKY tube jointweld

LIU Shunqing
（Tangshan Polytechnic College，Tangshan 063020，China）

In view of the problems that it's difficult to identify and locate the defect of TKY tube jointweld,the geometric drawing is adopted to establish themodel ofweld joints on TKY tube joint,and the phased array acoustic beam line is determined.On the basis of above analysis,computer-aided technology effectively reduces the detection blind area of ultrasonic phased array sector scan of TKY tube joint weld,and realizes the visualization of coverage of acoustic beam for welded joint,and the corresponding computeraided test is carried out.The result shows that the computer-aided detection with ultrasonic phased array can quickly identify and locate weld defects and significantly improve the efficiency of detection and defect detection.

TKY tube joint；ultrasonic phased array；weld detection；computer assist；defect location

TG409

A

1001-2303（2015）07-0045-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.10

2015-02-11

劉順清（1971—），男，河北唐山人，副教授，碩士，主要從事計算機(jī)應(yīng)用的教研工作。