管座焊缝超声扫查位置的研究

管座焊缝超声扫查位置的研究

1平板工件声程根据操作要求，厚壁容器采用螺纹盘的侧壁焊接，形状为插入式管座焊接。超声检测时,探头在筒体上垂直于管座焊缝沿圆周进行扫查(图1)。如图1所示,θc角表示探头轴线与筒体轴线夹角;12点位置:θc=0°(相当于检测筒体环缝,与探测平板焊缝相似,此时曲率最小为0);9点位置:θc=90°(相当于检测筒体纵缝,此时曲率最大)。因此,对管座焊缝进行扫查时,探头所在不同位置,对应的曲率也不同,介于0点至12点位置之间不断变化。图2是平板工件与曲面工件声程示意图。由图2可以看出,相同厚度的曲面工件与平板工件相比,曲面工件的声程大于平板工件的声程。而且曲面的曲率不同,对应的声程也不同。因此对管座焊缝进行扫查时,探头的位置不断变化,对应的曲率也不断变化,声程也随之发生变化。即对应一个确定声程的反射,在不同的位置,可能是不同的反射信号。这将影响到对缺陷的准确识别。2接头折射角与接头轴线相垂直声程(S)除与筒体内径r、外径R及斜探头折射角β有关外,还与探头轴线与筒体轴线夹角θc有关。因厚壁容器的超声检测只采用直射法,所以在这里只研究一次声程的计算。2.1声束入射到筒体内壁的几何关系假设探头在0点位置(θc=0°),相当于检测筒体环缝,则S0=S平=R−rcosβ=R-rcosβ。如探头在9点位置(θc=90°),相当于检测筒体纵缝。当探头和筒体尺寸一定时,由几何关系可知(图2),声束入射到筒体内壁时,其入射角β′大于探头折射角β,即:φ=β′−βR∙sinβ=r∙sinβ′β′=sin−1(sinβr/R)φ=sin−1(sinβr/R)−βφ=β′-βR•sinβ=r•sinβ′β′=sin-1(sinβr/R)φ=sin-1(sinβr/R)-β∴S90=R−rcosφcosβ=R−rcos[arcsin(sinβr/R)−β]cosβS90=R-rcosφcosβ=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ(1)2.2透照速率半径以上讨论了当θc=0°、θc=90°时一次声程的情况。而在图1所示的0点到12点之间,一次声程需考虑在不同的θc值所对应的曲率变化。因管座焊缝被0点到6点、3点到9点二条线分割成相同的4个象限,所以只研究其中的1个象限即可知道其他象限的情况。下面以12点到9点之间,即0°<θc<90°这个象限为例进行分析。当探头在0°<θc<90°任一点进行扫查时,即声束轴线与筒体轴线夹角为θc时,声束轴线与筒体相交的截面为椭圆,筒体外径长RL,由几何关系可知:RL=RsinθcRL=Rsinθc。根据前面推导式(1)可知,一次声程与焊缝所在曲面的曲率半径R′有关。由高等数学知识可知,曲线上任一点的曲率K与该点的曲率半径ρ的关系为:ρ=1K=(1+y′2)3/2|y′′|ρ=1Κ=(1+y′2)3/2|y″|由椭圆方程可导出:图3所示焊缝边缘外表面处E点处的曲率半径ρ:ρ=(RL2cos2α+R2sin2α)3/2R∙RL=Rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(2)ρ=(RL2cos2α+R2sin2α)3/2R•RL=Rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(2)焊缝边缘内表面处G点处的曲率半径ρ内:ρ内=(rL2cos2α+r2sin2α)3/2r∙rL=rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(3)ρ内=(rL2cos2α+r2sin2α)3/2r•rL=rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(3)式中的α为筒体开孔中心线OC与焊缝边缘处OE的夹角,可由开孔半径L及筒体内径确定,tanα=Lrtanα=Lr。将式(2)、式(3)代入式(1),即可推导出当探头在任一点进行扫查时所对应的一次声程Sθc:Sθc=ρ−ρ内cos[arcsin(sinβρ内/ρ)−β]cosβ=R−rcos[arcsin(sinβr/R)−β]cosβ∙sinθc[cos2αsin2θc+sin2α]3/2=R−rcos[arcsin(sinβr/R)−β]cosβ∙sinθc[cos2(arctanLr)sin2θc+sin2(arctanLr)]3/2Sθc=ρ-ρ内cos[arcsin(sinβρ内/ρ)-β]cosβ=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ•sinθc[cos2αsin2θc+sin2α]3/2=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ•sinθc[cos2(arctanLr)sin2θc+sin2(arctanLr)]3/23种多模式法对于厚壁容器的管座焊缝超声检测,不同于平板焊缝的超声检测,多用声程来判定反射信号,但由于不同位置的曲率变化,造成一次声程也随之变化。在实际检测中大多采用手工作图法根据声程来确定反射信号的位置,从而确定是否为焊接缺陷。但这种方法费时、费力。如果借助现有的计算机技术编程,根据建立的数学模型,在确定管座焊缝的参数后,只需输入探头声束轴线与筒体轴线夹角θc,就可以计算出管座焊缝