李 翔， 韓 焱， 秦 鵬， 李 凱， 劉 璐， 劉晉亮

(1. 中北大學(xué) 信息探測與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051；3. 中北大學(xué) 山西省無損檢測工程技術(shù)研究中心， 山西 太原 030051；4. 山西省工程機(jī)械廠， 山西 太原 030003)

基于蘭姆波的管件直焊縫缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 翔1,2,3， 韓 焱1，2，3， 秦 鵬1，2，3， 李 凱1，2，3， 劉 璐2， 劉晉亮4

(1. 中北大學(xué) 信息探測與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051；3. 中北大學(xué) 山西省無損檢測工程技術(shù)研究中心， 山西 太原 030051；4. 山西省工程機(jī)械廠， 山西 太原 030003)

板波是在板厚與波長相當(dāng)?shù)谋“逯袀鞑サ牟ǎ?就實(shí)用意義而言板波往往僅指蘭姆波. 本文主要設(shè)計(jì)利用施耐德PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一定長度薄壁壓力管件的夾持、 探頭直焊縫軌跡行走， 以及利用探頭發(fā)射的蘭姆波對(duì)管件直焊縫進(jìn)行缺陷的檢測與判別. 利用C#語言編寫上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷信號(hào)的顯示與處理. 整體設(shè)計(jì)可靠性高， 實(shí)用性強(qiáng)， 滿足了對(duì)薄壁壓力管件直焊縫缺陷進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化檢測的需求.

超聲蘭姆波； C掃描； PLC控制； C#上位機(jī)； 直焊縫檢測

焊接技術(shù)[1]被廣泛應(yīng)用在汽車、 輪船、 飛機(jī)、 高鐵等各個(gè)機(jī)械制造加工以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域， 給人們的生活質(zhì)量帶來了極大提升. 而檢驗(yàn)焊接質(zhì)量又是保證工業(yè)生產(chǎn)制造安全的重要一環(huán)[2].

由于超聲波能夠快速便捷、 無損傷、 精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷(裂紋、 夾雜、 折疊、 氣孔、 砂眼等)的檢測、 定位、 評(píng)估和診斷， 近年來已經(jīng)廣泛成熟地應(yīng)用在制造業(yè)、 鋼鐵冶金業(yè)、 金屬加工業(yè)、 化工業(yè)等需要缺陷檢測和質(zhì)量控制等領(lǐng)域， 以及航空航天、 鐵路交通、 鍋爐壓力容器等領(lǐng)域的在役安全檢查與壽命評(píng)估[3]. 而要實(shí)現(xiàn)探頭的精確探傷， 為其設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)掃查控制機(jī)構(gòu)也必不可少， 因?yàn)樘筋^掃查機(jī)構(gòu)的精度與穩(wěn)定性也直接制約著超聲回波信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性.

本文設(shè)計(jì)了基于施耐德PLC的探頭自動(dòng)掃查控制機(jī)構(gòu)， 應(yīng)用板波蘭姆波對(duì)薄壁壓力管件的焊縫進(jìn)行無損探傷， 然后對(duì)獲取的缺陷信號(hào)進(jìn)行分析處理， 最終實(shí)現(xiàn)焊縫疵病的檢測與判別. 本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于對(duì)7 m內(nèi)薄壁壓力容器的直焊縫檢測， 完全滿足檢測需求， 對(duì)無損檢測行業(yè)的設(shè)備生產(chǎn)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

圖 1 超聲波探傷原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic flaw detection

1 系統(tǒng)探傷工作原理

1.1 超聲波探傷原理

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處， 并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)， 在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法， 當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部， 遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波， 在熒光屏上形成脈沖波形， 根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷[4].

1.2 超聲波波型的選取

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)有多種波型， 檢驗(yàn)中常見到的有縱波、 橫波、 表面波和板波[5-7]. 其中縱波(壓縮波)與橫波(切變波)使用最為廣泛， 用縱波可探測金屬鑄錠、 坯料、 中厚板、 大型鍛件和形狀比較簡單的制件中所存在的夾雜物、 裂縫、 縮管、 白點(diǎn)、 分層等缺陷； 用橫波可探測管材中的周向和軸向裂縫、 劃傷、 焊縫中的氣孔、 夾渣、 裂縫、 未焊透等缺陷； 用表面波可探測形狀簡單的鑄件上的表面缺陷.

對(duì)于薄板， 無論用橫波還是縱波檢測都起不到探傷的作用， 尤其對(duì)于厚度在2 mm以下的薄板更是困難. 當(dāng)超聲波進(jìn)入薄板中傳播時(shí)由于上下表面的不斷多次反射， 發(fā)生波形轉(zhuǎn)換， 此時(shí)已經(jīng)形成一種新的導(dǎo)波形式， 就是蘭姆波[8-9]. 其與常規(guī)超聲波的逐點(diǎn)掃查有所不同， 采用線條掃查， 一次掃查一條線， 且可以將收發(fā)探頭放置在待檢工件的一側(cè)， 方便工業(yè)探傷需求. 因此蘭姆波在薄板探傷中具有常規(guī)橫縱波不可比擬的便捷性.

1.3 蘭姆波探傷原理

超聲波探頭通過壓電晶片將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘?hào)， 產(chǎn)生的信號(hào)通過耦合劑進(jìn)入薄板， 在薄板自由邊界的約束下， 在傳播中形成蘭姆波. 蘭姆波在板中沿橢圓形軌跡前行， 當(dāng)遇到材質(zhì)中的裂紋、 孔洞等缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象， 使得接收到的回波信號(hào)的波包幅值、 頻率成分及模式等發(fā)生改變. 只要分析提取其中的缺陷信息就可以對(duì)材料中的疵病進(jìn)行判別與評(píng)價(jià)[10].

2 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該管件直焊縫缺陷檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管體外徑φ140 mm、 管體長度3 500 mm、 管體壁厚2.2 mm 的產(chǎn)品A與管體外徑φ260 mm、 管體長度6 500 mm、 管體壁厚3 mm的產(chǎn)品B兩種管件進(jìn)行超聲波檢測. 考慮到用戶需求采用管件夾持與探頭行走的方式， 該系統(tǒng)整體框圖如圖 3 所示， 本文主要介紹管件夾持系統(tǒng)、 焊縫找正系統(tǒng)、 探頭超聲波檢測系統(tǒng)、 探頭行走移動(dòng)系統(tǒng)等4個(gè)核心系統(tǒng)， 各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)該設(shè)備對(duì)管件進(jìn)行超聲波檢測高效與可靠性的保障.

圖 3 管件直焊縫缺陷檢測系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of defect detection system for pipe fittings

2.1 管件夾持系統(tǒng)

管件夾持系統(tǒng)是整個(gè)檢測系統(tǒng)的首要工作流程， 是保證后續(xù)連續(xù)工作的基礎(chǔ). 在設(shè)備實(shí)際工作中， 當(dāng)待檢測工件被送入夾持系統(tǒng)左側(cè)錐形支撐固定端后， 右側(cè)的滑動(dòng)錐形支撐可以沿著軸向行走， 實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊， 可以方便后續(xù)對(duì)焊縫的定位以及檢測. 實(shí)物設(shè)備如圖 4 和圖 5 所示.

圖 4 左側(cè)錐形支撐固定端Fig.4 The left taper supports the fixed end

圖 5 右側(cè)滑動(dòng)支撐Fig.5 Right sliding supportThe left taper supports the fixed end

工作運(yùn)行過程中夾持系統(tǒng)的右側(cè)滑動(dòng)支撐采用扭矩模式控制伺服電機(jī)輸出恒定的夾緊力來保證管件被有效夾持， 同時(shí)采用光電限位開關(guān)對(duì)右側(cè)滑臺(tái)的退回位置以及極限位置進(jìn)行限定， 保證系統(tǒng)的安全可靠.

2.2 焊縫找正系統(tǒng)

焊縫找正系統(tǒng)是后續(xù)探頭超聲波檢測的基礎(chǔ)， 焊縫位置的準(zhǔn)確校準(zhǔn)直接影響著換能器所能采集到的焊縫質(zhì)量信息， 是衡量系統(tǒng)給出缺陷診斷結(jié)果是否可靠的關(guān)鍵一環(huán).

為此本系統(tǒng)采用自動(dòng)加手動(dòng)的方式， 自動(dòng)模式由攝像頭捕捉管件的圖像， 管件焊縫實(shí)物圖如圖 6 所示. 調(diào)用MATLAB軟件中的程序轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像后應(yīng)用投影法求出管件焊縫的具體位置與偏差距離， 進(jìn)而換算出管件需要正向步進(jìn)的距離， 然后發(fā)送信號(hào)給下位機(jī)控制伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)找正， 同時(shí)也可以取消旋轉(zhuǎn)電機(jī)的自鎖狀態(tài)， 利用左側(cè)錐形支撐平臺(tái)的手輪進(jìn)行手動(dòng)旋轉(zhuǎn)找正焊縫與機(jī)械鎖死， 焊縫投影如圖 7 所示.

圖 6 管件焊縫實(shí)物圖Fig.6 Pipe fitting weld material

圖 7 焊縫投影圖Fig.7 Weld projection

2.3 探頭超聲波檢測系統(tǒng)

探頭超聲波檢測系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)構(gòu)成. 其中硬件系統(tǒng)包括工控機(jī)、 超聲發(fā)射/接收卡、 探頭、 探頭盒、 探頭支架、 連接線路以及耦合劑等. 探頭采用雙點(diǎn)聚焦正交探頭組實(shí)現(xiàn)焊縫的全方位檢測， 探頭1用于產(chǎn)生周向蘭姆波來檢測軸向缺陷； 探頭2用于產(chǎn)生軸向蘭姆波來檢測周向缺陷.

多通道超聲發(fā)射接收卡用于激勵(lì)電信號(hào)與聲信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換； 工控計(jì)算機(jī)用于控制換能器激發(fā)時(shí)刻以及對(duì)疵病進(jìn)行判別與標(biāo)識(shí). 探頭盒主要用于耦合劑的存放； 探頭支架則負(fù)責(zé)探頭盒的托舉與探頭角度的調(diào)整， 以便能夠在合適的角度范圍內(nèi)調(diào)整探頭找出最佳探傷角度. 原理圖與現(xiàn)場實(shí)物系統(tǒng)組成如圖 8～圖 10 所示.

圖 9 探頭檢測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 Probe detection system object picture

圖 10 探頭支架實(shí)物圖Fig.10 Probe stand object picture

圖 11 軟件界面圖Fig.11 Software interface diagram

軟件系統(tǒng)是利用C#語言編寫的超聲檢測人機(jī)交互與控制系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射控制、 同步信號(hào)控制、 靈敏度自適應(yīng)調(diào)節(jié)、 接受控制(TGC、 檢波)等功能， 方便操作人員對(duì)探傷參數(shù)的調(diào)節(jié)， 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)A掃C掃描顯示控制以及探傷工藝的加載、 編輯和存儲(chǔ)查詢等功能.

2.4 探頭行走移動(dòng)系統(tǒng)

圖 12 探頭行走移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物Fig.12 The probe moves the mobile system in kind

探頭行走系統(tǒng)是保證超聲波發(fā)射信號(hào)與反饋回波平穩(wěn)可靠的基礎(chǔ)， 也是系統(tǒng)的最核心系統(tǒng)之一， 主要功能是承載探頭盒與探頭支架在確保了探頭盒上升到適當(dāng)?shù)奈恢煤笱刂鴮?dǎo)軌平穩(wěn)運(yùn)行， 適應(yīng)不同管件的焊縫長度， 使探頭檢測系統(tǒng)可以獲取穩(wěn)定的回波信號(hào)， 并對(duì)缺陷所在的精確位置進(jìn)行標(biāo)識(shí).

為此， 本系統(tǒng)采用施耐德TM218-LDAE 40DRPHN型PLC可編程邏輯控制單元作為下位機(jī)的主控制器， 對(duì)整體系統(tǒng)所需要的各個(gè)輸入輸出量進(jìn)行了IO分配， 并且直接使用其自帶的SoMachine軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整體運(yùn)動(dòng)控制邏輯和時(shí)間參數(shù)的編寫與設(shè)置， 選用松下伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行行走與運(yùn)動(dòng)控制. 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部針對(duì)速度、 位置做了軟件閉環(huán)反饋控制， 位置環(huán)與速度環(huán)的比例積分增益系數(shù)可調(diào)、 操作簡便且具備良好的魯棒性和自適性， 可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制.

3 調(diào)試運(yùn)行

3.1 時(shí)間參數(shù)調(diào)節(jié)

運(yùn)行時(shí)間是保證整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)鍵所在， 若時(shí)間控制不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率， 而且如果各部分參數(shù)過小會(huì)引發(fā)干涉碰撞. 經(jīng)過實(shí)際調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行對(duì)比， 將該系統(tǒng)的各部分時(shí)間參數(shù)設(shè)置為表 1 所示.

表 1 系統(tǒng)部分時(shí)間參數(shù)

3.2 邏輯順序調(diào)節(jié)

實(shí)際工作過程中有些邏輯的不適用性可能到了實(shí)踐時(shí)才會(huì)發(fā)覺， 所以很有必要進(jìn)行邏輯順序的調(diào)節(jié)， 在系統(tǒng)程序運(yùn)行過程中要準(zhǔn)確察覺各個(gè)單元的狀態(tài)和位置， 如有不適要主動(dòng)調(diào)整、 更改程序設(shè)計(jì)， 努力達(dá)到執(zhí)行效果最優(yōu)的目的.

4 結(jié) 論

本文從超聲波探傷原理出發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于蘭姆波的管件直焊縫缺陷檢測系統(tǒng)， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄壁管件缺陷性能指標(biāo)高效、 穩(wěn)定、 便捷的檢測， 經(jīng)過實(shí)際調(diào)試運(yùn)行達(dá)到了設(shè)備檢測的目的， 滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求.

[1] 林尚揚(yáng). 我國焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與焊接技術(shù)的發(fā)展[J]. 船舶工程， 2005， 27： 15-24.

Lin Shangyang. Present situation of welding production and development trend of welding technology in China[J]. Ship Engineering， 2005， 27： 15-24. (in Chinese)

[2] 曹朝霞. 特種焊接技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010.

[3] 敬人可， 李建增， 周海林. 超聲無損檢測技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 國外電子測量術(shù)， 2012， 31(7)： 18-20.

Jing Renke， Li Jianzeng， Zhou Hailin. Research progress of ultrasonic NDT technology[J]. Foreign Electronic Measurement Technology， 2012， 31(7)： 18-20. (in Chinese)

[4] 沈建中， 李宗津， 張之勇. 土木工程中的無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 無損檢測， 2000， 22(11)： 497-500.

Shen Jianzhong， Li Zhongjin， Zhang Zhiyong. Nonestructive testing techniques and their applications in aivil engineering[J]. Nonde Structive Testing， 2000， 22(11)： 497-500. (in Chinese)

[5] 孫明健， 劉婷， 程星振， 等. 基于多模態(tài)信號(hào)的金屬材料缺陷無損檢測方法[J]. 物理學(xué)報(bào)， 2016， 65(16)： 227-240.

Sun Mingjian， Liu Ting, Cheng Xingzhen， et al. Nondestructive detecting method for metal materialdefects based on multimodal signals[J]. Acta Physica Sinica， 2016 ， 65(16)： 227-240. (in Chinese)

[6] 魏勤， 衛(wèi)婷， 董師潤， 等. 超聲波法測量金屬材料的楊氏模量和剪切模量[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2012， 26(1)： 27-30.

Wei Qin， Wei Ting， Dong Shirun， et al. Ultrasonic determination of Young’s and shear modulus of metal materials[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)， 2012， 26(1)： 27-30. (in Chinese)

[7] 趙高遠(yuǎn). 鈦合金小直徑棒材超聲成像檢測方法研究[D]. 江西： 南昌航空大學(xué)， 2013.

[8] Alkassar Y， Agarwal V K， Alshrihi E. Simulation of lamb wave modes conversions in a thin plate for damage detection[J]. Procedia Engineering， 2017， 173： 948-955.

[9] 王杜. 金屬薄板的超聲蘭姆波無損檢測[D]. 湖北： 武漢科技大學(xué)， 2007.

[10] 鄭熙， 侯力， 王裕林， 等. 厚壁無縫鋼管的超聲波檢測系統(tǒng)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2010(7)： 90-92

Zheng Xi， Hou Li， Wang Yulin， et al. The ultrasonic inspection system of thick-walled seamless steel pipe[J]. Machinery Design & Manufacture， 2010(7)： 90-92. (in Chinese)

DesignofDefectDetectionSystemforStraightWeldedSeamofPipeFittingsBasedonLambWave

LI Xiang1,2,3, HAN Yan1,2,3, QIN Peng1,2,3, LI Kai1,2,3, LIU Lu2, LIU Jinliang4

(1. Institute of Signal Capturing & Processing Technology, Key Laboratory of Shanxi Province, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 3. Nondestructive testing Engineering Technology Research Center of Shanxi Province, North University of China, Taiyuan 030051, China；4. shanxi Engineering machinery Plant, Taiyuan 030003, China)

Plate wave is a wave propagating in a sheet whose thickness is equal to the wavelength. In practical terms, plate waves tend to refer only to lamb waves. This paper focuses on the design and implementation of Schneider PLC automatic control system that can probe a certain length thin-wall pressure pipe fittings and straight seam track walking. And the defects detection and discrimination of pipe fitting weld are carried out by using Lamb wave launched by probe. By using C# language the upper computer was written to realize the display and processing of defect signal. The overall design has high reliability and practicability and meets the requirement of industrial automatic inspection for the straight weld seam defects of thin-wall pressure pipe fittings.

ultrasonic lamb wave; C scan; PLC control; C# host computer； straight weld detection

1671-7449(2017)06-0485-06

2017-02-06

李 翔(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事超聲波智能信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.

TV698.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.06.004