一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法
2023-06-13 20:56:41 1
專利名稱：一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法
技術領域：
本發明涉及焊接缺陷的無損檢測領域，尤其涉及一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法。
背景技術：
焊接構件在現代科學技術和生產中得到廣泛應用，隨著鍋爐、壓力容器、船舶、汽車、航空太空飛行器、核電設施等向高參數以及大型化方向的發展，焊接構件的工作條件日益苛刻、複雜，這對焊接構件的質量提出了更高的要求。為能夠發現焊接構件中極小的焊接缺陷以便進行修復，從而提高焊接構件的安全運行能力和可靠性，有必要採用和發展先進且精確度高的焊接缺陷檢驗技術。焊接氣孔是十分常見的焊接缺陷之一，特別是在雷射焊接過程中，由於小孔的不穩定性，容易在焊縫的根部產生較大尺寸的宏觀氣孔。氣孔的存在不僅影響焊縫的緻密性，同時能夠削減焊縫的承載面積，進而降低焊縫強度、韌性、抗疲勞以及耐腐蝕等性能。同時，焊縫中氣孔的分布、尺寸和形貌各不相同，其中，氣孔的形貌及尺寸對構件的安全運行起著十分重要的作用，因此對焊縫中氣孔三維形貌及空間分布特徵的客觀反映，有利於針對性地提出抑制某種氣孔缺陷的措施。目前，檢測焊接氣孔的方法主要分為破壞性檢驗和非破壞性檢驗兩大類，一般來說破壞性檢驗獲得檢驗結果較為直觀，但由於提取的數據是來自構件局部的結果，隨機性較強，且往往無法反映整個構件的整體情況。而且，很多重要的焊接構件的產品驗收和在役的產品，檢測時不能破壞其原有形貌，需要採用不改變或不影響其使用性能的檢測方法來測試缺陷尺寸、形貌特徵以評價產品的安全性及可靠性，因此無損檢測技術在實際工業檢測中有著廣泛的應用。常見的檢測焊縫中氣孔缺陷的無損檢測方法包括X射線拍照法、超聲檢測法、電磁渦流檢測法、滲透檢測法等，其中X射線拍照法是檢測焊縫中氣孔最為常見的一種無損檢測方法，這種方法具有操作簡單、可靠性高等優點，但其成像質量不高、僅能分辨毫米級以上尺寸的氣孔，且就成像原理而言僅為二維圖像，難以客觀反映具有複雜形狀的氣孔的三維形態。此外，由於焊接材料的結構特性以及X射線檢測本身的特點，容易造成檢測成像對比度和信噪比低、圖像邊緣模糊、背景起伏較大等缺點，嚴重影響缺陷信號的檢出率和可靠性。綜上所述，目前檢測焊縫中氣孔的各種手段仍然存在較大的局限性，需要引入一種新的檢測方法來更加方便、準確地獲取焊縫中氣孔的分布、尺寸、形態等信息。
發明內容
本發明的目的是提供一種有效的檢測焊縫中氣孔的新方法，通過該檢測方法可以確定焊縫中氣孔的空間分布以及形態等三維特徵。本發明針對在雷射焊接金屬材料時極易出現的氣孔問題，結合X射線掃描技術、圖像三維重構技術，採用新型Nano-CT設備對焊接構件進行無損檢測。這種檢測焊縫中氣孔的方法可以通過圖像重構得到焊接構件以及焊縫氣孔缺陷的三維信息，由此準確地判斷焊縫中氣孔的分布及形貌特徵。
該技術是在傳統的二維X射線檢測基礎上發展起來的，當一束X射線穿過被檢測的焊接構件時，衰減的射線強度與焊接構件的材料、密度、尺寸、缺陷等信息有關，特別是當焊縫中存在氣孔缺陷時，穿過氣孔的X射線能量的衰減明顯低於穿透周圍焊縫的射線，採用平板探測器從不同角度採集衰減後的X射線能量，按照一定的圖像重構算法即可獲得二維的斷層掃描圖像，不斷重複上述過程，當得到足夠多的二維斷層圖像時，即可通過三維圖像重構模塊(通常可集成於計算機中)重建得到焊接構件以及其中氣孔的三維分布以及形貌信息。本發明的技術方案如下:一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，該方法包括以下步驟:(1)將帶有氣孔缺陷的焊接構件置於X射線設備的機械旋轉平臺，固定牢固，然後利用所述X射線設備對焊接件進行旋轉掃描得到多組連續的二維斷層圖像；(2)進行上述的多組連續的二維斷層圖像的三維重構，並進行適當的校正，對氣孔的邊界進行渲染，即可得到焊接構件的三維圖像，根據所述三維圖像獲得氣孔缺陷的三維形態及空間分布特徵信息。優選地，在所述步驟(I)之前，還包括:將帶有氣孔缺陷的焊接構件進行表面處理。所述焊接構件的表面處理方法可以採用任何檢測前的常用表面處理方法，在本發明的具體實施例中，優選的焊接構件表面處理方法為:首先將焊接構件的表面附著物打磨去除，使其表面平整，然後將焊接構件進行5-10分鐘超聲清洗，以完全去除其表面雜質。打磨方法可以採用任何一種業內常用的方法，本發明不對此進行限定。優選地，所述步驟(2)中，利用X射線設備對焊接件進行旋轉掃描的具體步驟為:控制所述機械旋轉平臺進行旋轉，並開啟X射線源使X射線穿透焊接構件，並使衰減後的X射線輻照在16位的數字平板探測器上，X射線持續輻照，機械旋轉平臺帶動焊接構件旋轉360度，數字平板探測器以15幀/秒的圖像採集速度獲取多幀二維圖像數據，得到多組連續的二維斷層圖像。在圖像採集速度的選取上，如果圖像採集速度太快，則雖然獲取的信息越全面，但同時會由於數據過多導致三維重構過程更困難；如果採集太慢，則會導致獲取二維數據太少，三維重構時信息量不足，15幀/秒的圖像採集速度是兼顧三維重構準確性與三維重構的計算難度而取得的比較合理的中間值，15幀/秒意味著數字平板探測器每秒間隔性的獲取15幀二維圖像，當工件旋轉360度後平板探測器即可獲得15*t幀(t為旋轉掃描時間)二維圖像。因此，雖然X射線是持續輻照到數字平板探測器上的，但在本發明的優選方案中，數字平板探測器並非連續獲取全部的圖像信息。優選地，所述步驟(2)中，焊接構件的放置位置為保證X射線在工件中穿透的距離儘量短。這樣做的好處是能夠保證射線穿過焊接構件後仍然有較高的強度，使平板探測器接收較為清晰的射線信號。優選地,所述X射線源的最大控制電壓為180kV，最大控制電流為120 μ A。實際檢測時可以根據實際檢測工件的大小與材質選擇不同電壓電流參數組合。優選地，所述機械旋轉平臺以5-10rad/min的速度旋轉。這樣的較慢的旋轉速度可以保證獲取足夠多幀二維斷層掃描圖像。優選地,所述X射線設備為Nano-CT設備。一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測裝置，其包括:
具有機械旋轉平臺的X射線設備，用於對焊接構件進行旋轉掃描得到多組連續的二維斷層圖像；三維圖像重構模塊，用於對上述得到的多組連續的二維斷層圖像進行三維重構。該三維圖像重構模塊可集成於計算機中。優選地,所述X射線設備為Nano-CT設備。與現有技術相比，本發明的有益效果如下:第一，本發明的檢測方法不受被檢測焊接構件的結構形狀影響，而且與傳統的X射線照相法相比能提供更多的缺陷信息，這是因為傳統的X射線照相法會有信息的重疊，從而降低了靈敏度，而在Nano-CT檢測過程中可以消除這些因素；第二，通過本發明的檢測方法可以得到氣孔缺陷的三維分布以及形貌信息，雖然傳統的二維斷層圖像也能一定程度上反映出氣孔的形貌，但其給出信息是不全面的，例如一個帶尖角的氣孔，要比同樣尺寸的圓整的氣孔危害大，因為尖角處容易有應力集中，而這種區別在二維斷層圖像中容易被忽視，而在三維圖像中則會被很好的體現；第三，傳統的X射線照相法不能夠給出焊縫中氣孔缺陷的準確位置，而三維CT圖像可以進行精確定位；第四，本發明的檢測方法檢測範圍廣泛，從微米級到一米多的焊接構件均能通過該方法得到有效檢測。當然，實施本發明的任一產品並不一定需要同時達到以上所述的所有優點。
圖1為本發明實施例1的採用Nano-CT檢測焊縫中氣孔工藝過程示意圖；圖2為本發明實施例1的被檢測焊接構件以及其中氣孔的三維結果圖；圖3為本發明實施例1的被檢測焊接構件以及其中氣孔的三視圖。
具體實施例方式本發明提供一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，該方法優選採用新型的Nano-CT設備，具體採用Nano-CT斷層成像系統對焊件進行檢測，首先將一定尺寸和形狀的焊接構件置於Nano-CT斷層成像系統的機械旋轉平臺，用計算機控制微聚焦的X射線源對焊接構件進行360°掃描，當X射線穿透焊件時會有一定程度的衰減，而穿過焊縫中氣孔的射線能量衰減會明顯低於周圍射線，平板探測器接收到不同程度衰減的透射能量，從而得到多組斷層掃描圖像，然後通過集成於計算機中的三維圖像重構模塊對多組斷層數據進行三維重構，得到焊件以及焊縫中氣孔缺陷的三維檢測圖像。此種檢測方法解析度高、成像直觀，且不受焊件材料種類、形狀結構等因素的影響，能夠得到焊縫中氣孔三維形貌、孔徑尺寸及空間分布特徵等常規方法難以得到的重要信息，對於氣孔的分類、缺陷評估等方面具有重要意義。 下方結合具體實施例對本發明做進一步的描述。實施例1本實 施例中檢測方法工藝過程示意圖參見圖1，此處選擇雷射焊接低碳鋼T型接頭工件進行檢測，因為雷射深熔焊過程中由於小孔的不穩定性，特別容易產生宏觀氣孔，因而所選焊接構件中氣孔較多，檢測觀察結果明顯，更利於檢驗該方法的可靠度。(I)首先截取適當尺寸的T型焊件，用粗砂紙將其表面打磨，去除表面飛濺、夾雜等附著物和雜質，使其表面平整，然後用超聲波清洗8min，以完全去除其表面雜質；其中，超聲清洗的時間可選擇5-10分鐘之內的任一時間，上述的Smin僅為舉例；(2)將表面處理後的T型焊件置於Nano-CT設備的機械旋轉平臺，使焊縫垂直於機械平臺，以保證X射線在工件中穿透儘量短的距離，並用橡皮泥將其固定牢固；(3)控制機械旋轉平臺以6rad/min的速度勻速旋轉,旋轉速度還可以為5_10rad/min區間內的任一速度,上述的6rad/min僅為一具體實例；開啟X射線源,保持其控制電壓為IOOkV,電流為80 μ A，使X射線穿透焊接T型焊件，並使衰減後的X射線輻照在16位的數字平板探測器上；(4)Χ射線持續輻照，機械旋轉平臺帶動T型焊件旋轉360°，數字平板探測器以15幀/秒的圖像採集速度獲取多幀二維圖像數據；(5)利用集成於計算機中的三維圖像重建模塊進行圖像的三維重建，並對圖像進行適當的校正，利用計算機軟體對檢測出的氣孔進行染色，比如渲染成紅色，以便觀察，然後導出其三維視圖和對應三視圖，其三維視圖和對應三視圖如圖2、3所示。從圖2和圖3可以看出，本實施例的檢測方法對焊縫中氣孔缺陷的準確位置進行了精確定位，使操作者能直觀的看到焊接構件的焊縫中氣孔三維形貌、孔徑尺寸及空間分布特徵。以上公開的本發明優選實施例只是用於幫助闡述本發明。優選實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式
。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使·所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。
權利要求
1.一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: (1)將帶有氣孔缺陷的焊接構件置於X射線設備的機械旋轉平臺，固定牢固，然後利用所述X射線設備對焊接件進行旋轉掃描得到多組連續的二維斷層圖像； (2)進行上述的多組連續的二維斷層圖像的三維重構，並進行適當的校正，對氣孔的邊界進行渲染，即可得到焊接構件的三維圖像，根據所述三維圖像獲得氣孔缺陷的三維形態及空間分布特徵信息。
2.如權利要求1所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，在所述步驟(I)之前，還包括:將帶有氣孔缺陷的焊接構件進行表面處理。
3.如權利要求2所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述焊接構件的表面處理方法為:首先將焊接構件的表面附著物打磨去除，使其表面平整，然後將焊接構件進行5-10分鐘超聲清洗，以完全去除其表面雜質。
4.如權利要求1所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，利用X射線設備對焊接件進行旋轉掃描的具體步驟為:控制所述機械旋轉平臺進行旋轉，並開啟X射線源使X射線穿透焊接構件，並使衰減後的X射線輻照在16位的數字平板探測器上，X射線持續輻照，機械旋轉平臺帶動焊接構件旋轉360度，數字平板探測器以15幀/秒的採集速度獲取多幀二維圖像數據，得到多組連續的二維斷層圖像。
5.如權利要求1或4所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，焊接構件的放置位置為保證X射線在工件中穿透的距離儘量短。
6.如權利要求4所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述X射線源的最大控制電壓為180kV，最大控制電流為120 μ A。
7.如權利要求4所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述機械旋轉平臺以5-10rad/min的速度勻速旋轉。
8.如權利要求1所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，其特徵在於，所述X射線設備為Nano-CT設備。
9.一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測裝置，其特徵在於，其包括: 具有機械旋轉平臺的X射線設備，用於對焊接構件進行旋轉掃描得到多組連續的二維斷層圖像； 三維圖像重構模塊，用於對上述得到的多組連續的二維斷層圖像進行三維重構。
10.如權利要求9所述的焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測裝置，其特徵在於，所述X射線設備為Nano-CT設備。
全文摘要
本發明公開了一種焊縫中氣孔形態及分布的無損檢測新方法，該方法採用新型的Nano-CT斷層成像系統對焊件進行檢測，採用X射線源對焊接構件進行360°掃描，當X射線穿透焊件時會有一定程度的衰減，而穿過焊縫中氣孔的X射線能量衰減會明顯低於周圍射線，用平板探測器接收到不同程度衰減的透射能量，從而得到多組斷層掃描圖像，然後對多組斷層數據進行三維重構，得到焊縫中氣孔缺陷的三維檢測圖像。本發明檢測方法解析度高、成像直觀，且不受焊件材料種類、形狀結構等因素的影響，能夠得到焊縫中氣孔三維形貌、孔徑尺寸及空間分布特徵等常規方法難以得到的重要信息，對於氣孔的分類、缺陷評估等方面具有重要意義。
文檔編號G01N23/18GK103234990SQ201310105079
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者蘆鳳桂, 李希彬, 唐新華, 崔海超, 吳毅雄 申請人:上海交通大學