开题报告-GH706组织和超声信号特征的研究.doc

毕业设计（论文）开题报告 题目 GH706组织和超声信号特征的研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 11081301学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 9 日一、选题的依据和意义随着工业现代化的发展，GH706合金得到了广泛的应用。从汽车行业到家电产品，从探索宇宙空间到开发海洋资源等等都离不开GH706合金。GH706合金是一种Ni-Fe-Cr时效强化型变形高温奥氏体不锈钢合金，成本低、具有良好的锻造和焊接性。应用比较广是涡流发动机、燃气轮机及核工业中，特别是制造“F”级大型燃机涡轮盘。随着“FA”及“H”级燃气轮机的发展，涡轮盘的尺寸越来越大。但由于GH706合金中含有3%左右的Nb和9%左右的Ni，偏析倾向较大，在生产超大尺寸铸锭时容易出现白、黑斑，柱状晶组织明显粗大等宏观缺陷，从而影响材料的质量及使用1。GH706合金出现偏析和柱状晶组织粗大究其原因是由于其焊缝全是奥氏体组织，而焊接技术的不成熟导致了一些灾害性事故。诸如燃气轮机爆炸，大型弧门失事、球罐爆炸、塔机主臂折毁、电厂厂房坍塌、飞机叶片断裂等等。具体事故，如1979年12月，吉林市煤气公司液化石油气厂球罐爆炸事故，正由于球罐上下环焊缝焊趾裂纹所致。2010年12月，由于焊接缺陷致燃油管路泄漏造成的A380客机事故。究其原因，大都起因于焊缝的质量失控。为了确保工程的安全运行，人们期望能对焊缝的质量实施有力地监控。因此，有必要对焊接接头焊缝的检测方法进行深入地研究，钢制对接焊缝缺陷定性的研究，受到了人们高度重视。分析检测焊接缺陷的一些方法也具有很重要的现实意义2-3。 对于奥氏体不锈钢焊缝，其检测方法有X射线检测，超声检测，磁粉检测以及渗透检测。但是渗透检测和常规磁粉检测只能检测表面或近表面缺陷，无法检测焊缝内部缺陷。射线检测对T型焊检测位置受限，很多时候射线机无法合理摆放，浪费成本，对面积类缺陷检出率较低，而且射线检测的费用比较高。 超声检测是五大常规无损检测技术之一，是目前国内外应用最广泛、使用频率最高而且发展较快的一种无损检测技术。超生检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产效率的重要手段，也是设备维护中不可或缺的手段之一。有资料表明，通过焊接加工的钢材占世界钢材产量的50%以上，超声检测是检测焊接接头缺陷并为焊接接头质量评价提供重要数据的主要无损检测手段之一4-5。本课题是针对当前比较流行的超声衍射时差法（TOFD）探伤以及小波变换信号处理法来对GH706奥氏体不锈钢焊接检测进行分析，广泛适用于焊接接头的检测。超声TOFD是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式的原理进行检测的。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，一般会迟于底面反射波到达接收探头。工件中超声波传播路径见图1：接收探头发射探头直通波底面反射波上端点衍射波下端点衍射波（1） 平板工件接收探头发射探头直通波底面反射波上端点衍射波下端点衍射波（2）凸面工件接收探头发射探头直通波底面反射波上端点衍射波下端点衍射波（3）凹面工件图1不同形状工件中超声波传播路径而小波变换采用10db Daubechies小波，如图2所示，此变换既可以显示频域信号的傅里叶变换特征，又可以捕捉信号时域的变换，具有易于重建和分解信号的优点。将此变换用于超声波信号，既能确定回波和柱晶杂波的频率成分，又不失去时间轴的数据。图2 10db Daubechies小波二、国内外研究概况及发展趋势1.超声TOFD法国内外研究发展情况 超声TOFD（Time Of Flight Diffraction）法最早于20世纪70年代由英国原子管理局国家无损检测研究中心的哈威尔实验室的M.G.Silk（英国原子能权威人士UKKAEA）根据超声波衍射现象首先提出来的。TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。很多年以来TOFD一直在实验室里，各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。自上世纪 9O年代起，超声TOFD检测法在国外工业无损检测领域已得到广泛应用，欧、美、日均已推出相应的应用标准。1992年英国标准BS7706问世，1996年美国ASME标准将其列入规范案例2235和第卷无损检测附录，2000年欧、日分别推出专用标准。用于不同壁厚的承压设备焊接接头的制造和在用检测。 而在国内的也有所研究，武汉中科创新技术有限公司国产研制的国产第一台便携式TOFD超声波检测仪2005年研制成功,2006年HS800型产品在特检行业应用,2007年底HS800成型产品推出市场, 2008年产品开始销售，从此便携式TOFD超声检测仪在国内得到广泛的应用6-13。2.小波变换法国内外研究发展状况 小波变换是由法国从事石油信号处理的工程师J.Morlet在1974年首先提出的，通过物理的直观和信号处理的实际需要经验的建立了反演公式，当时未能得到数学家的认可。正如1807年法国的热学工程师J.B.J.Fourier提出任一函数都能展开成三角函数的无穷级数的创新概念未能得到认可。到了70年代，A.Calderon表示定理的发现、Hardy空间原子分解和无条件基的深入研究为小波变换的诞生做了理论的准备，而且J.O.Stromberg还构造了历史上非常类似于现在的小波基：1986年著名数学家Y.Meyer偶然构造出一个真正的小波基，并与S.Mallat合作建立了构造小波基的统一方法-多尺度分析，从此小波变换发展起来。比利时女数学家I.Daubechies撰写的小波十讲对小波的普及起了重要的推动作用。现在，它已在科技信息产业领域取得了令人瞩目的成就。而且，信号处理已经成为当代科学技术工作的重要组成部分。从数学角度看，信号与图像处理可以统一看成信号处理，小波分析的许多分析和应用问题，都可以归结为信号处理问题。其应用范围也越发广泛，例如地震勘探数据处理、大型机械的故障诊断等方面。在信号分析方面的滤波、去噪声、压缩、传递等等。在图像处理方面的图像压缩、分类、识别与诊断。特别是在无损检测方面，其应用也越来也占据重要地位，例如：数据采集、处理、归纳等等14-19。 三、研究内容及实验方案1.研究内容本课题主要针对GH706合金组织奥氏体焊缝进行检测，利用超声TOFD法以及小波变换法的检测方法，从以下几个方面进行研究：(1)对超声TOFD法和小波变换法进行理论学习和探究；(2)探究超声TOFD法及小波变换法在GH706合金组织奥氏体焊缝中的应用；(3)根据GH706合金组织奥氏体焊缝的检测效果，评估分析此种方法的优缺点，如何改进，以及是否能提出更好的检测方法。2.实验方案（1）带缺陷焊接试板的制作 制作板厚50mm、X型坡口的9%Ni钢焊接试板。为模拟未融合和裂纹类的内在缺陷，在接头坡口面、表层和根部设置了电火花加工的窄槽。又通过局部附加多种热循环，制作根部和表层有热裂纹的试样。（2）探头的选择 根据试样，可选择标称频率2.25MHz、晶片尺寸为13mm的宽带斜探头。（3）调整好仪器，开始在试块上进行扫查，注意仔细观察当探头扫查到缺陷，无缺陷的各部位时的波形。（4）多次重复试验，获得多个试验结果。（5）采用离散小波变换法对超声TOFD法检测出的结果进行分析，比较所得的结果，得出相应结论。四、目标、主要特色及工作进度1.目标 (1)了解焊缝无损检测的方法，学习相关知识； (2)学习超声TOFD法及小波变换法的基本原理及应用； (3)熟练运用TOFD检测仪； (4)运用软件对采集的信号进行处理并分析结果，并把此法应用于其他领域以及能够提出更好的检测方法。2.主要特色2.1超声TOFD法的优点（1）TOFD检测结果与射线检测结果都是以二维图像显示，不同的是TOFD能对缺陷的深度和自身高度进行精确测量，而射线只能得到缺陷的俯视图信息，对于判断缺陷危害性程度的重要指标，厚度方向的长度，射线是很困难的；（2）TOFD技术检测缺陷的能力非常强，特殊的探伤方式使其具有相当高的检出率，约90%左右，而相比之下，射线检测的检出率稍低，大约75%，在实际工作中，我们也发现有TOFD检测出来的缺陷，X射线未能发现的情况，这给质量控制带来了极大的隐患；（3）TOFD技术所采集的是数据信息，能够进行多方位分析，甚至可以对缺陷进行立体复原；（4） TOFD技术是利用超声波进行探伤，对检测时的工作环境没有特殊的要求。超声波检测是一种环保的检测方式，对使用人员没有任何伤害，所以在工作场合不需要特殊的安全保护措施；而射线检测因其放射的危害性受到国家政策的严格控制，现场只能单工种工作，降低了检测工作效率，阻碍了整个工程进度；（5）TOFD检测成本低，重复成本少；而射线检测，建造暗室需要较高的投入，平时工作中的耗材成本重复发生，综合成本相对较高20-21。2.2小波变换法的优点（1） 小波方差是基于多分辨率分析的一个有效特征量，可以表征不同尺度的信号特征，它撇开了直接处理大量的小波系数，而是建立在挖掘这些数据及蕴含信息的普适量上。（2） 小波方差具有意义明确、计算简单，对噪声不敏感的特点。而且，单一尺度下的小波方差对信号特征的提取效果依赖于尺度的选择，但对于事后分析来说，这一点并不难做到。（3） 通过对小波变换所进行的理论分析和计算机模拟发现，利用小波变换具有的高低频分离的特点，可在不丢失原信号重要信息成分的前提下，将原信号的边缘部分进行滤化处理，消除了噪声信息，重构出更加清晰的光谱特征图形，从而提高了信号的清晰度，为信号的预处理提供了更加方便的条件。（4） 小波变换还可以对分析信号可进行任意的放大平移并对其特征进行提取，。对复杂信号做小波变换，进行多分辨率分析，在信号图像分析领域已占据相当重要的地位。（5） 一个在局部范围内有非0值而其余所有地方都等于0的函数，它的频谱会呈现出一幅相当混乱的状况，这时，频域的信号反而不如时域的直观，频谱分析变得很困难，小波变换都可以克服这些。2.3工作进度(1) 文献翻译 03.0903.15(2) 查阅、收集GH706组织材料 03.1603.20(3)撰写开题报告 03.2103.31(4)熟悉水浸聚焦超声法及金相分析法的原理和特点 04.0104.30(5)学习操作实验仪器并且熟练使用检测系统 05.0405.15(6)实验数据采集、信号处理及结果分析 05.1605.31(7)撰写毕业论文、准备毕业答辩 06.0106.26五、参考文献1白亚冠 聂义宏 朱怀沈 赵帅 殷福星等，Al-Nb对700发电机组转子用GH706合金组织和拉伸性能的影响，中国一重能源装备材料科学研究所，天津300457,2003年8月2董建新 张麦仓 曾燕屏等，含铌高温合金液相中铌偏聚行为A,北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083,2005年4月3李雄兵 宋永峰 倪培君 刘锋等，面向晶粒尺寸的超声多尺度衰减评价方法，中南大学CAD/CAM研究所J，长沙410075，2015年1月：121-1284刘镇清，超声无损检测与评价中的信号处理及模式识别J，同济大学 声学研究所，上海 2009年,2001年1月5郑晖 林树青等，超声检测.第二版，北京：中国劳动社会保障出版社,2008 全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材，ISBN 978-7-5045-7069-76陈建 孙晓颖 林琳 王波等，一种高精度超声波到达时刻的检测方法N,吉林大学通信工程学院 长春130022,2012年11月7张海燕等，小波变换和模糊模式识别技术在金属超声检测缺陷分类中的应用J.无损检测，2000年,22（2）：51-548张慧 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