1.1 课题背景 无损检测即NDT(Non-destructive testing),就是利用声、光、磁和 电等特性,在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下,检测被检对象 中是否存在缺陷或不均匀性,给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息, 进而判定被检对象所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术 手段的总称。 常用的无损检测方法:射线照相检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测 (MT)和液体渗透检测(PT) 四种。其他无损检测方法:涡流检测(ET)、声 发射检测(AT)、热像\红外(TIR)、泄漏检测(LT)、交流场测量技术(ACFMT)、 漏磁检验(MFL)、远场测试检测方法(RFT)等。 在工业中,超声检测(UT)是常用无损检测的方法之一。超声波在媒质 中传播会产生衰减、反射、声阻抗等,而超声检测技术就是利用超声波在 媒质中的这些传播特性对被测对象进行浓度、密度、强度、硬度、温度和 缺陷等这些非声学量的测定。超声波因其波长短、分辨率高,所以能探测 到0.02 毫米以下的内部缺陷,材料内部缺陷的声学性质对超声波的传播具 有一定的影响,而超声检测就是利用者一点,在不破坏原材料或元件的前 提下,探测材料内部如裂纹、夹渣、气泡等这些内部和表面缺陷,并探测 出它们的大小、形状和分布情况,以及测定材料的性质。超声波检测所用 到的设备比较简单,价格低廉,使用条件和安全性能也很好 超声波检测是无损检测的主要方法之一。它因灵敏度高、穿透力强、检测速度快、成本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点广泛应用 于工业实际。近年来,超声无损检测技术的广泛应用和计算机技术的飞速 发展,对超声检测技术提出了一些新的要求。一方面制造业中结构件的组 合化,要求把可检性预测和检测工艺设计应用于早期的结构设计,在设计 周期短和成本降低的同时提高质量水平;另一方面,超声无损检测的数学 模型由于广泛的工业应用兴趣正发展为一个方兴未艾的学科分支,大容量 高速度的个人计算机也逐步普及,这些都为选择合适的模型进行超声无损 检测的模拟仿真和可视化研究提供了可能和方便。 超声波检测技术由于其自身的检测手段和方法的优势,在焊缝探伤中 得到了成功的应用。不仅在中厚板焊缝探伤中,而且现在在薄板焊缝探伤 中,缺陷定量的曲线也广泛使用。因此,在焊缝探伤前,必须完成绘制缺 哈尔滨理工大学学士学位论文 陷定量曲线。由于电脑超声波探伤仪具有记忆功能,所以制作缺陷定量曲线更加简单方便。同时,借助于微处理器的计算和处理,缺陷定量曲线的 绘制也有多种方法.本文将简要介绍使用广泛的缺陷定量曲线的绘制方法。 1.2 超声波检测时应用曲线 在超声波检测探伤过程中,对缺陷当量大小取值方法,目前主要应用 两类方法:DAC 曲线和AVG 曲线为主的两种方法。 对焊缝的超声波横波探伤中,通常会用到 DAC 曲线,对缺陷当量大小 常用 DAC+_dB 或者SL+_dB 的方法来表示(SL 线为定量线)。而对锻、铸 件的超声波纵波探伤中,通常会用到 AVG(DGS)曲线,于是,很多人认为 DAC 曲线就是横波斜探头制作的曲线,而AVG(DGS)曲线就是纵波直探头 制作的曲线。其实,这种看法并不全面,比如:铸钢件探伤中,也需要用 直探头制作 DAC 曲线的方法来调整灵敏度。为此在这里分别简单介绍一下 DAC 曲线和AVG 曲线。 1.2.1 焊缝超声波检测时DAC 曲线 1.2.1.1 DAC 概念 DAC(distance amplitude curve )距离-波幅曲线是描述某一确定 反射体回波高度随距离变化的关系曲线。因此,AVG 曲线和 DAC 曲线都有 纵波、横波制作的曲线,并不是简单地由纵波、横波来划分何为 AVG 曲线、 何为 DAC 曲线,更不是由直探头、斜探头来划分的。 1.2.1.2 制作方法 DAC 曲线以横坐标表示距离(斜探头通常表示深度,直探头通常表示声 程),纵坐标表示规则反射体波幅。DAC 曲线只是一种特定尺寸规则反射体 的曲线,如图1-1 所示。 dB距离/mm DAC 曲线(φ 3*40) 判废线(RL) 定量线(SL) 评定线(RL)哈尔滨理工大学学士学位论文 DAC曲线 DAC曲线规则反射体有很多种,例如,斜探头常用横孔做DAC 曲线,直探头常用平底孔、大平底制作 DAC 曲线。而某些特殊构件,如钢 板、钢锻件超声横波检测、无缝钢管轴向横波检测、奥氏体钢锻件斜探头 检测通常需要制作 形槽对比试块,DAC曲线通过 1.2.1.3DAC 曲线的实际应用 DAC 曲线应用非常的广泛,例如:在大型铸铁件进行超声波检测时应 DAC曲线进行缺陷定量;大型直径棒状材料超声波检测;船体全焊透 型接头超声波检测应用DAC 曲线进行缺陷定量;铸钢件应用 DAC 曲线进行 缺陷修正;铝制母线焊接接头超声波检测 DAC 曲线;石油化工管道焊缝超 声检测 DAC 修正以及不锈钢超声检测时 DAC 曲线的应用。所以,在大多数 的超声波检测都会应用到DAC 曲线。 1.2.2 焊缝超声波检测时AVG 曲线 1.2.2.1 AVG 的概念 是德文距离、增益和大小字头的缩写,其英文缩写为DGS (distance gain size)。AVG 曲线是描述规则反射体的距离、回波高度及 当量大小之间关系的曲线。AVG 曲线按照通用性分为通用AVG 和实用 AVG; 按照波型不同分为纵波 AVG 和横波 AVG;按照反射体不同分为平底孔 AVG 1.2.2.2AVG 曲线的制作 AVG 曲线有通用 AVG 曲线和实用 AVG 曲线不同的制作方法。通用 AVG 曲线采用归一化距离A 和归一化缺陷当量大小G 来表示。规则反射体以平 底孔为例,如图1-2 所示。 图1-2 平底孔通用 AVG 曲线 哈尔滨理工大学学士学位论文 区域内,由于理论公式不适用,因此该区域内的曲线一般不绘出或由实测得到。由公式可以看出,A 与反射体至探头距离x、近场区距离 有关;G与反射体直径Df、波源直径Ds 有关。因此,通用 AVG 可以适用于不同规格 的探头,通用性好。 实用 AVG 曲线以横坐标表示实际声程,纵坐标表示规则反射体相对波 高,用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系,以平底孔为例,图1-3 右上角标出了探头型号、尺寸。实用 AVG 曲线与通用 AVG 曲线 一样,X3 的部分需要通过实际测得。由于实用 AVG 曲线是由特定探头实测和计算得到的,实用 AVG 曲线也只适 用于特定探头,因此,一定要在实用 AVG 曲线中要注明探头的尺寸和频率 图1-3平底孔实用 AVG 曲线 1.2.2.3 AVG 曲线的应用 AVG 曲线,即:DGS 曲线。以KK 的探头和仪器为例,KK 的探头都会附 带一张实用 DGS 曲线图。该曲线是此探头对各种尺寸反射体(各种孔径的 平底孔和大平底)的DAC 曲线的综合,这些曲线是该探头在多种尺寸的反 哈尔滨理工大学学士学位论文 ,如图1-4~图1-5 所示。 图1-4 直探头 MB 图1-5斜探头 MWB 5-4(E)1.3 我国超声波检测时曲线的现状及发展 目前,国外超声波检测对于缺陷当量的绘制主要以模拟和仿真研究一 方面集中在以解析方法为主开发工业应用的软件系统,进行超声波检测工 艺及可行性、可靠性分析,以降低检测成本,提高效率;另一方面是采用 数值方法进行模拟和仿真,针对现代工业广泛使用的各向异性材料和特殊 结构件进行超声检测研究,以提高检测精度,拓宽超声波检测的应用范围。 八十年代以来,计算机技术在我国超声检测中得到了广泛的应用,主 要集中在超声信号的采集、量化和处理及超声成像系统和自动超声探伤系 统的研制上。九十年代以来浙江大学还开发出了无损检测工艺制定专家系 统(CAPPNDT),冶金部压力容器检测站研制了无损检测专用软件 NDTS。但 新技术的研究和开发中计算机技术的应用是我国无损检测的薄弱环节,目 前我国超声波检测模拟和仿真方面的研究进行的很少。在加入 WTO 天,我国超声检测要实现跨越式发展,就必须加紧自主研究和开发,加快超声波检测模拟和仿真研究。 随着超声检测技术的不断发展,超声检测过程的模拟成为研究热点。 超声波声场关系到缺陷的定位定量以及检测精度和灵敏度,了解声场结构 及分布特征对于提高检测可靠性、准确性以及提高检测效率至关重要,所 以超声波焊缝检测DAC 曲线技术具有重要地位。 科学计算可视化(简称可视化),是计算机图形学的一个新领域,指的 是运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据及计 算结果转换成图形或图像,并在屏幕上显示出来等一系列交互处理的理论、 方法和技术。由于电脑超声波探伤仪具有记忆功能于,此同时借助于微处 理器的计算和处理技术使得制作DAC曲线更加简单方便快捷。 1.4 本文主要研究内容 在超声波声场中声压随距离的增大而减小,因而当被探对象的距离变 化时,须作距离(Distance)一波一隔(Amplitude)校正(Correction),以获 得相同的当量灵敏度。所以在许多锻件和焊缝探伤标准中都使用DAC 曲线。 本文的主要研究内容有: 学习各种DAC曲线的制作方法,并分析。 描述DAC曲线的在实际过程中的具体应用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 超声波检测DAC曲线的制作 在焊缝超声波探伤中,对于性质和大小相同的缺陷,由于深度(声程) 的不同,缺陷反射的回波高度也不同。 对于传统的灵敏度调节方法是根据探头 值和工件厚度计算一次波、二次波水平位置(因为钢管壁厚小,通常采用水平调节法调整扫描比例, 工件厚度较小时还需计算三次波水平位置),在它们对应的水平位置附近找 N5 刻槽或直径 1.6mm 竖通孔的最高波,分别记下一次波、二次波达到基准 波高(满屏的80%)时的幅值。为了避免漏检,超声检测人员通常用较高的 灵敏度(二次波或三次波的灵敏度)作为扫查灵敏度。当在扫查过程中发 缺陷时,根据缺陷波距一次波、二次波(三次波)的水平位置远近选用水 平差值最小的波次的灵敏度对缺陷进行定量。这种传统灵敏度调节方法在 对缺陷定量的过程中存在两个不足,一、因为怕漏检,超声检测人员通常 用较高的二次波灵敏度(工件厚度较小时用三次波灵敏度)作为扫查灵敏 度,这样不仅示波屏上杂波增多,而且增大了近场区尤其是紧邻始波后面 一段区域缺陷漏检的几率。因为在高灵敏度下始波占宽变大,再加上近场 区声压极大值、极小值的影响,使一些缺陷回波湮没在始波中,导致不能 识别造成漏检。二、传统灵敏度调节和缺陷定量方法操作步骤繁多,每发 现一处可疑回波就得把仪器增益调至相近位置的灵敏度进行比较,无形中 增大了超声检测人员的工作量 因此采用曲线DAC 缺陷定量,该方法克服了传统灵敏度调节方法的不 足,使不同声程处的缺陷回波都有自己的灵敏度评定依据,而且简化了超 声检测人员的操作过程,不用每发现一处可疑回波就调一次仪器,大大减 小超声检测人员的工作量。 2.1 DAC 曲线分类 DAC 曲线中的纵坐标(幅度)可以用线性值或对数值 dB 表示。本文将纵 坐标为 dB 的实测 DAC 曲线特称为 dB-S 曲线。而把纵坐标为波高线性值的 DAC 曲线特称为DAC 面板。由于:dB-S 曲线纵坐标是dB 值,与波高不成线 性关系,在实际探伤时使用回波为墓准波高时的dB 值更方便,从而在实际 操作上与DAC 面板法(曲线可直接画在萤光屏面板上)有明显区别。 2.1.1 dB-S 曲线(实测DAC 曲线) dB-S 曲线的制作可以有计算法和实测法两种。而实际测定可以分为现 场测定和按种类测定。现场测定指每次探伤前用所使用的仪器和探头等作 现场测定,按种类测定是指一种规格的探头和仪器组合,一般只作一次测 哈尔滨理工大学学士学位论文 定。探伤人员在每次探伤时,只要探头和仪器规格不变,可使用原先测定的dB-S 曲线。其关键差别是按类测定承认同类仪器和同规格探头可有互换 性。忽略其差异及随时 时间的变化。对这点许多标准(如JDll52-81, GB11345-89 等)并未作明确规定。 2.1.2 DAC 面板 DAC 面板的制作也可有计算法和实测法两种。德国 Krautkramer 70年代和80 年代初供应的超声探伤仪可以提供不同探头的DAC 面板,我国汕 头超声仪器厂也曾提供过部分 DAC 面板,它们都由计算所得。由于计算的 DAC 面板得到多数标准的采用,同的随数字化超声探伤仪的出现,仪器的距 离-波幅补偿功能已非常完善,不同声程的同当量回波幅度可以完全相同, 因此现在仪器厂提供 DAC 面板已经没有必要。至于现场测定法则直接将测 得的DAC 曲线画在仪器显示面板上(以下简称DAC 面板法) [5,6] 从而可得以下分类结果:2.2 各种绘制方法在标准中的使用 DAC曲线的绘制也有多种方法,本文将主要介绍使用在电脑探伤仪上三 种DAC曲线的绘制方法。 理论的AVG 曲线 部分修正的计算的DAC 曲线 其他计算法(TOCT14782-86 使用另外的计算公式 计算的DAC 面板 实际测定的dB-S 曲线(A)—现场测定 实际测定的dB-S 曲线(B)—按种类测定 DAC 面板 2.2.1直接连线法 直接连线是最简单的绘制DAC 曲线方法。它将采样后记录在电脑的采 按照距离远近和幅度大小次序用直线连接起来。虽然在国标、部 标和行业标准中,DAC曲线都是光滑的曲线, 但是,由于人工徒手绘制时, 很难绘制出一条光滑的DAC 曲线,因此使用直接连线的DAC曲线绘制方法更 容易掌握和实行。图2-1 是使用直接连线法绘制的DAC曲线, 从图上可以 明显地发现直接连线法造成的折线痕迹和标准的DAC 曲线相距甚远, 误差 较大。虽然如此, 由于这种方法的简便易行, 因此,在许多手工情况下, 这种方法依然得到广泛应用 0.019.4 38.8 58.3 77.6 图2-1直接连线法绘制DAC 曲线 2.2.2 最小二乘法曲线拟合 曲线拟合有许多种方法,,通过最小二乘准则,可以将测量的离散点 用一条光滑的曲线来代替。这条光滑曲线并非经过所有测量点,而是使得 该曲线能够尽可能地靠近所有的测量点。在超声检测中,声波幅度和传播 距离存在一定的函数关系。在理想状态下,声波幅度在传播过程中呈指数 衰减,但是,由于实际材料内部结构的影响。这种规律遭到破坏,我们假 定其幅度已双曲线规律衰减,选择方程为:Y=k/X-b 其中Y代表超声波振幅;X代表距离;k和b表示待确定系数。 设有n组测量值,分别为: X1、X2、…Xn Y1、Y2、…Yn 设定n组第i个测量点的测量误差为Vi,则有 哈尔滨理工大学学士学位论文 Vi=k/Xi-b-Yi全部n个测量点的误差平方和为 由最小二乘法原理可知,通过选择最佳参数k和b。可能使得ψ值最小。此时两个参数值满足 解出方程求出k和b,后根据原始方程Y=k/X-b求出曲线各点的数据。图2-2表示曲线拟合法所得到的DAC曲线结果。从图2-2不难发现,虽然拟合后 的DAC曲线比较光滑,但是你和后的DAC曲线不能兼顾到五个采样点,他们 和DAC曲线间存在较大的误差。 0.0 19.4 38.8 58.3 77.6 图2-2 双曲线拟合法绘制DAC曲线 出现这种情况的原因是由于曲线拟合方法的限制。虽然最小二乘法能 够实现各采样点距离曲线的误差平方和最小,但是如果曲线本身选择的不 够精确,其结果就会带来很大的误差。从最终曲线拟合效果看。这种方法 有一定的缺陷。尽管如此,当采样点的最高波寻找出现误差时,最小二乘 法可以帮助修正由此而造成的DAC曲线偏差,这是该方法的优点。 2.2.3 为了更好地拟合DAC曲线,是曲线既能兼顾各个采样点,又能够光滑,哈尔滨理工大学学士学位论文 拉格朗日插值法根据已有若干测量点,采用外插或内插求的任意的波幅值,它的基本特点是精度高,通过所有的采样点,拟合曲线光滑,曲线 走势考虑整体采样点的分布。 设有(n+1)个测量数据 X1、X2、…Xn、 Xn+1 Y1、Y2、…Yn、Yn+1 则通过这些点的多项式可以表达为: 其中Li(x)为n次多项式所以DAC曲线方程为: Y=L0(x)Y0+L1(x)Y1+L2(x)Y2 0.0 19.4 38.8 58.3 77.6 图2-3拉格朗日插值法拟合曲线 在电脑超声波探伤仪上一般采用三点拉格朗日插值法。三点拉格朗日 插值法考虑了插值区域前后采样点,曲线比较光滑,同时,在拟合曲线时, 计算比较简便。图2-3表示使用拉格朗日插值法曲线拟合结果。 从图2-3可以知道,使用拉格朗日插值法的曲线拟合结果比较好,和实 际情况比较吻合。图2-4表示根据:JB4730-94超声波检测标准绘制的测长 哈尔滨理工大学学士学位论文 线、定量线和判废线。其中测长线DAC-9dB定量线为DAC-3dB DAC-5dB0.0 19.4 38.8 58.3 77.6 图2-4拉格朗日播值法绘制的定量线、测长线和判废线 2.2.4 结论 在电脑超声波探伤仪上. 由于使用了微处理器, 它可以进行相当复杂 的运算, 因此可以选择比较好的方法来克服人工绘制造成的误差。比较上 面三种绘制DAC 曲线方法后, 可以发现, 拉格朗日插值法是比较好的绘 制方法, 使用这种方法绘制的DAC曲线不仅光滑, 而且经过各个采样点, 是比较理想的曲线拟合方法 2.3衰减型和增益型探伤DAC 曲线绘制 2.3.1 衰减型DAC 曲线的绘制 2.3.1.1 在坐标纸上绘制DAC 曲线 采用衰减型超声波探伤仪(如CTS-22 型)在坐标纸上绘制DAC 曲线。当 检测厚度T=15 mm 的对接焊缝时,DAC 曲线绘制方法如下: 1.先测定探头的入射点(前沿长度)和K 值,根据检测板厚选择按照水平 方式调节扫描速度。 2.将探头置于CSK-IIIA 试块上,调节增益旋钮,使深度为10 mm mm孔的最高回波显示为满屏的 80%以此作为基准波高,记录衰减器读 数。保持增益不变,调节衰减器,记录不同深度的