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        鋁合金板材焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)

        2020-12-25 02:52:02李小欣趙利軍鄭延召王曉貞
        無(wú)損檢測(cè) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:自聚焦相控陣波束

        李小欣,趙利軍,鄭延召,王曉貞

        (1.平高電氣股份有限公司,平頂山 467001;2.平高集團(tuán)焊接技術(shù)及壓力容器實(shí)驗(yàn)室,平頂山 467001)

        鋁合金材料被廣泛應(yīng)用在GIS(氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān))、GIL(氣體絕緣輸電線路)等電氣設(shè)備的外殼中,焊接類(lèi)外殼的焊接接頭質(zhì)量是保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素之一,因此接頭的檢測(cè)尤為重要。目前,GIS、GIL用殼體焊接接頭的檢測(cè)一般采用X射線和常規(guī)超聲波檢測(cè),而X射線有輻射,對(duì)人體有害,常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果不直觀,主觀性較強(qiáng)。而相控陣超聲檢測(cè)以其安全、準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多地應(yīng)用于電力領(lǐng)域[1-2]。近幾年,國(guó)內(nèi)一些科研院所、企業(yè)單位紛紛開(kāi)展了相控陣方面的相關(guān)研究,如:胡棟等[3]研究了奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣檢測(cè),其結(jié)果表明,對(duì)10 mm深缺陷來(lái)說(shuō),相控陣檢測(cè)的信噪比遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲的;肖武華等[4]發(fā)現(xiàn)相控陣的定位和定量的準(zhǔn)確性較高;梁世蒙等[5]對(duì)相控陣探頭的聚焦位置、陣元數(shù)量、晶片面積等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,驗(yàn)證了其對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響;原可義等[6]對(duì)相控陣近場(chǎng)聚焦和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)靈敏度、分辨率進(jìn)行了量化分析;余亮等[7]采用5L64探頭對(duì)母材厚度為10 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行檢測(cè),定量準(zhǔn)確,靈敏度高。GIS、GIL等設(shè)備用鋁合金外殼的厚度主要有10 mm和16 mm,由于目前焊接外殼的無(wú)損檢測(cè)方法存在不足,所以基于相控陣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),為了探索相控陣檢測(cè)能否代替現(xiàn)有的檢測(cè)手段,筆者以母材厚度為10 mm和16 mm的鋁合金焊接接頭為對(duì)象,采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭進(jìn)行相控陣檢測(cè),對(duì)檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度、缺陷檢測(cè)率進(jìn)行了綜合分析,評(píng)價(jià)了相控陣檢測(cè)的可行性。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)方案

        選擇高壓開(kāi)關(guān)常用鋁合金(5052板材)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)分兩組,第一組采用厚度為10 mm的鋁板進(jìn)行對(duì)接焊,第二組采用厚度為16 mm的鋁板進(jìn)行對(duì)接焊,兩組試件中分別預(yù)制缺陷。采用兩種不同型號(hào)的探頭進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè),檢測(cè)時(shí)用底面1次反射法(2次波),使聲束能全面覆蓋整個(gè)焊縫截面,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

        1.2 試件制備

        第一組焊接試件采用10 mm×125 mm×800 mm(高×長(zhǎng)×寬)的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊,第二組焊接試件采用16 mm×125 mm×800 mm的5052鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接焊,焊接方法采用MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊),采用單面焊雙面成形工藝,焊接接頭形式及坡口尺寸示意如圖1所示。

        圖1 焊接接頭形式及坡口尺寸

        針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況,鋁合金焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷主要是氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等,在試件上預(yù)制上述缺陷。預(yù)制缺陷深度和尺寸如表1所示。

        表1 預(yù)制缺陷深度和尺寸 mm

        試件制作完成后,清除試件上的焊接飛濺,并使用砂紙將探頭移動(dòng)區(qū)域打磨平整,表面粗糙度不大于12.5 μm。

        2 相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)選擇及設(shè)置

        2.1 探頭選擇

        表2為GB/T 32563-2016《無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》對(duì)探頭的選擇要求。由表2(表中T為檢測(cè)厚度)可以看出,隨著檢測(cè)厚度的增加,探頭頻率逐漸降低,孔徑逐漸增大。從提高檢測(cè)精度方面考慮,結(jié)合表2對(duì)探頭頻率等參數(shù)的選擇,試驗(yàn)擬采用自聚焦探頭和常規(guī)探頭檢測(cè)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10),常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5-10)。

        表2 GB/T 32563-2016推薦采用的探頭參數(shù)

        2.2 楔塊選擇

        根據(jù)探頭型號(hào),匹配合適的楔塊型號(hào)。自聚焦探頭型號(hào)為D10(7.5S16-0.5×10-D10),匹配楔塊型號(hào)為SD10(SD10-N60S-IH),常規(guī)探頭型號(hào)為D2(5L32-0.5×10-10),匹配楔塊型號(hào)為SD2(SD2-N55S)。

        2.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

        試驗(yàn)采用PHASCAN便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀檢測(cè),建立4套配置文件,基本參數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 配置文件基本參數(shù)

        3 檢測(cè)結(jié)果及分析

        在試件上沿焊縫軸線標(biāo)記步進(jìn)偏置絕對(duì)值,沿設(shè)置的掃查方向開(kāi)始掃查焊縫,掃查過(guò)程中保持勻速前進(jìn),耦合良好,對(duì)兩組試件進(jìn)行檢測(cè),得到某個(gè)缺陷的A-S掃視圖,使用-6 dB法對(duì)該缺陷進(jìn)行定性、定量分析。

        3.1 板厚為10 mm試件的檢測(cè)結(jié)果分析

        兩種探頭檢測(cè)的典型缺陷圖像如圖2,3所示,檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

        圖2 10 mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測(cè)圖像

        圖3 10 mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像

        表4 10 mm厚試件的檢測(cè)結(jié)果

        由表4可以看出,自聚焦探頭將預(yù)制的8處缺陷全部檢出。常規(guī)探頭檢出預(yù)制的6處缺陷,有兩處預(yù)制缺陷未檢出,缺陷檢出率是自聚焦探頭的75%。

        自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷位置尺寸的相對(duì)誤差如表5所示。

        表5 10 mm厚試件的自聚焦探頭檢出缺陷尺寸

        常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷位置尺寸的相對(duì)誤差如表6所示(√表示檢出,×表示未檢出)。

        表6 10 mm厚試件的常規(guī)探頭檢出缺陷尺寸

        缺陷深度與長(zhǎng)度相對(duì)誤差曲線如圖4所示。

        圖4 10 mm厚試件的缺陷深度與長(zhǎng)度相對(duì)誤差曲線

        從圖2可以看出,自聚焦探頭的檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。波束直徑影響檢測(cè)靈敏度和精度,超聲相控陣探頭波束直徑計(jì)算公式如式(1)所述。

        DB-6 dB=0.256 8DF/N

        (1)

        式中:D為探頭直徑(主動(dòng)孔徑),mm;D=n·p,n為晶片數(shù)量,p為晶片中心間距,mm;F為焦距,mm;N為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度,mm。

        近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式如式(2)所示。

        N=K矩形D2f/(4c)

        (2)

        式中:K矩形為近場(chǎng)修正系數(shù);f為探頭頻率,MHz;c為材料橫波聲速,m·s-1。

        由式(2)得到自聚焦探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為54 mm,常規(guī)探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為102 mm;由式(1)得到自聚焦探頭的波束直徑約為2.4 mm,常規(guī)探頭的波束直徑約為1.6 mm,波束直徑越小,被某個(gè)特定位置的缺陷反射的能量越多,缺陷越清晰。自聚焦探頭近場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)小于常規(guī)探頭的,且頻譜更寬,諧波聲壓的疊加更加明顯,能使聲壓-距離關(guān)系變得更為平滑,也有利于檢測(cè),綜上分析,自聚焦探頭檢測(cè)精度高于常規(guī)探頭的。

        對(duì)常規(guī)探頭未檢出的缺陷進(jìn)行分析: 2處缺陷直徑為1 mm左右,根據(jù)上述波束直徑的討論,自聚焦探頭波束直徑小,更利于檢測(cè)出微小的缺陷,而常規(guī)探頭波束直徑大,是2#,4#缺陷漏檢的原因之一。另外,理論認(rèn)為自聚焦探頭是窄脈沖與寬頻帶超聲波探頭,諧波的頻率范圍寬(頻帶寬),疊加而成的脈沖持續(xù)時(shí)間短,脈沖持續(xù)時(shí)間(脈沖寬度)比相同參數(shù)的普通超聲波探頭更短,脈沖寬度小,能獲得高的分辨力,也是自聚焦探頭檢出小缺陷的原因。

        3.2 板厚為16 mm試件的檢測(cè)結(jié)果分析

        兩種探頭的典型缺陷檢測(cè)圖像如圖5,6所示,檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

        圖5 16 mm厚試件的缺陷自聚焦探頭檢測(cè)圖像

        圖6 16 mm厚試件的缺陷常規(guī)探頭檢測(cè)圖像

        由表7可以看出,自聚焦探頭檢出預(yù)制的7處缺陷,1處缺陷未檢出。常規(guī)探頭對(duì)預(yù)制的8處缺陷全部檢出,自聚焦探頭的缺陷檢出率是常規(guī)探頭的87.5%。

        表7 16 mm厚試件的檢測(cè)結(jié)果

        自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差見(jiàn)表8。

        表8 自聚焦探頭檢出的缺陷尺寸及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差

        常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸分析及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差見(jiàn)表9。

        表9 常規(guī)探頭檢出的缺陷尺寸及其與預(yù)制缺陷尺寸的相對(duì)誤差

        對(duì)缺陷深度和長(zhǎng)度的檢測(cè)數(shù)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差進(jìn)行比較,得到的誤差曲線如圖7所示。

        圖7 16 mm厚試件的缺陷長(zhǎng)度和深度相對(duì)誤差曲線

        從圖7可以看出,常規(guī)探頭的檢測(cè)精度稍高于自聚焦探頭的。這是因?yàn)槎尾z測(cè)16 mm左右厚度的焊縫時(shí),可達(dá)到的深度約為32 mm,超過(guò)了自聚焦探頭的聚焦區(qū)域。

        (3)

        式中:SF為歸一化焦距。

        由式(3)得到自聚焦探頭的聚焦區(qū)域?yàn)?2.7 mm,常規(guī)探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度為24.4 mm,聚焦區(qū)域內(nèi)聲束能量集中,檢測(cè)靈敏度高,且超出聚焦區(qū)域,聲波發(fā)散,檢測(cè)靈敏度低。這是常規(guī)探頭檢測(cè)靈敏度高于自聚焦探頭檢測(cè)靈敏度的原因。

        對(duì)自聚焦探頭未檢出的2#缺陷進(jìn)行分析:通過(guò)對(duì)該缺陷的定量測(cè)量發(fā)現(xiàn)其位于自聚焦探頭的聚焦區(qū)域外,檢測(cè)靈敏度低,因此自聚焦探頭未檢測(cè)出該缺陷。

        4 結(jié)論

        (1) 對(duì)母材厚度為10 mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí),自聚焦探頭(7.5S16-0.5×10-D10)能檢出全部預(yù)制缺陷,檢測(cè)小缺陷的分辨力高,缺陷檢出率明顯高于常規(guī)探頭的;缺陷的定量精度受波束直徑影響,波束直徑小,定量精度高。

        (2) 對(duì)母材厚度為16 mm左右的鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí),常規(guī)探頭(5L32-0.5×10-10)能檢出全部預(yù)制缺陷,自聚焦探頭(7.5S16-0.5×10-D10)受聚焦區(qū)域的影響,未能檢出全部預(yù)制缺陷,檢出率和缺陷的定量精度均低于常規(guī)探頭的。

        (3) 采用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)鋁合金焊接接頭時(shí),當(dāng)主筒體厚度為10 mm的板材選用自聚焦探頭檢測(cè),16 mm的板材選用常規(guī)探頭檢測(cè)時(shí),檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、缺陷定量精度高,且該技術(shù)可作為主要檢測(cè)手段,射線檢測(cè)作為輔助檢測(cè)手段,主要用于GIS、GIL等設(shè)備焊接外殼的檢測(cè),以提高檢測(cè)效率、降低射線檢測(cè)帶來(lái)的輻射危害。

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