基于相控阵超声的铝合金焊接监测方法.pdf

第 卷 第 期江苏船舶.年 月.基于相控阵超声的铝合金焊接监测方法闵少松朱志洁陆雷俊孟庆旭(.海军工程大学 舰船与海洋学院湖北 武汉.上海船舶工艺研究所上海)摘 要:针对小型高速艇船体修造过程中铝合金薄板极易出现焊接变形的问题提出了基于相控阵超声的焊接过程规范性监测方法 结果表明:该方法通过监测焊接过程及焊后质量检测可实现铝合金焊接质量综合管控保证铝合金薄板的焊接质量 该方法可为铝合金薄板焊接相控阵检测工艺标准奠定基础并为船厂开展铝合金船体结构修造作业提供参考关键词:相控阵超声检测铝合金薄板热输入量焊接监测中图分类号:.文献标志码:./.引言铝合金材料在各类中小型高速艇中得到了大量的应用 相对于钢质船体材料铝合金薄板在焊接过程中极易产生变形需要严格按照焊接工艺规范施工 但是依靠人工经验判断很难保证焊接工艺规范的严格执行 焊接过程中铝合金薄板焊缝会产生气孔和未熔合等常见缺陷常用的焊缝质量检测手段也容易出现漏检问题 对此类缺陷射线检测灵敏度不高常规超声检测由于壁厚较薄无法进行准确识别给准确评判焊接质量带来困难 由此导致铝合金船体结构的焊接质量难以得到保障进而对铝合金船体结构的修造质量和船舶安全使用带来隐患为有效解决这一问题需要从焊接过程及焊后检测 个方面来保证铝合金薄板焊接质量 在铝合金焊接过程监测方面:王蕤等利用点焊过程中熔核质量信息构建了以焊接磁场、焊接电压和电极位移为焊接质量评定特征信息的铝合金点焊质量监测系统于鹏基于焊接电流信号和焊接准稳态温度场温度信号开发了铝合金焊接监测系统张志芬研究了焊接电信号、电弧声信号、电弧光谱信号及熔池图像的多信息钨极惰性气体保护焊()焊接监测系统白韶军等构建了基于虚拟仪器技术的电弧焊参数和电弧物理形态的高速摄像测试系统收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:闵少松()男博士副教授从事舰艇健康监测工作并采用多传感器数据融合技术对焊接过程进行质量控制李玉龙等采用数值模拟和试验结合的方法分析了铝合金超声波焊接过程中不同焊接参数对焊接界面温度的影响规律 上述研究可有效监测铝合金焊接过程但现阶段修船厂难以对铝合金焊接过程的工艺参数进行实时采集与预警为此还需要更具广泛应用价值的监测手段 在焊后质量检测方面:等采用金相法观察 铝合金搅拌摩擦焊焊后的材料流动建立了三维数值模型并基于该模型计算了搅拌针附近塑性材料流动加速度分布吴振成等发现涡流阵列检测技术可用于铝合金等材料搅拌摩擦焊焊缝表面及近表面缺陷的检测洪宇翔等提出了支持向量机模型对熔池稳定状态进行识别的方法进而对铝合金爬坡钨极惰性气体保护焊熔池失稳状态进行检测闫中广等采用激光结构光视觉检测方法分析了铝合金焊缝各种缺陷在深度图像和灰度图像中的表现结果验证了该方法在铝合金焊缝缺陷检测方面中的可行性李小欣等采用自聚集探头和常规探头进行相控阵检测方法对铝合金焊接接头焊接质量进行检测结果表明就缺陷检出率和缺陷定量精度而言探头的选择与铝合金焊接接头的厚度有密切关系 上述铝合金焊接质量检测方法研究为铝合金焊接后质量检测提供了技术支撑相对于其他的检测方法相控阵超声检测从安全性、准确性和操作性方面具有显著的优势 但现阶段相控阵超声技术用于铝合金薄板的研究相对较少相关工艺参数尚未明确在实际工程应用中还存有不足 为此本文从焊接过程监测和焊接质量 江 苏 船 舶第 卷检测 个方面提出了以热输入量为指标的焊接过程工艺规范性监测方法和基于相控阵超声的焊后质量检测方法对相应方法的可行性进行了验证后基于焊接过程监测方法和焊后质量检测方法给出了铝合金焊接质量综合管控方法 基于相控阵超声的铝合金焊接质量管控.铝合金薄板焊接质量相控阵超声检测相控阵超声检测技术是常规超声检测在计算机、孔径合成和相位延迟技术上发展起来的超声检测技术将按一定规律排列的相控阵探头中的多个晶片按预先规定的设置(延时、增益、振幅等)激发被激发的晶片发射(或接收)偏转和聚焦的声束检测工件中的缺陷情况并对缺陷进行成像具有纵向声束可调等优点能克服常规超声检测单角度扫查、前沿较长等技术局限性 相控阵超声检测焊接缺陷的原理示意图见图 图 相控阵超声检测声波激发原理图.焊接工艺参数监测铝合金焊接过程中存在诸多因素影响焊接质量如:原材料因素、焊接设备因素、焊工因素、焊接环境因素、焊接过程因素、质量检验因素等 由于焊接过程热输入量的变化对焊接质量具有显著的影响通常以焊接过程中的热输入量作为焊接变形的关键参数依据这就需要获取实际焊接电流、电压及焊接速度 个关键工艺参数 实际焊接电流和电压信息的准确采集和记录极其困难目前主要依据焊机显示的电流和电压参数由人工事后填写施工记录表 这种做法存在以下问题:()人工记录的参数数据与实际焊接电流和电压之间存在较大的差异焊接热输入量的计算结果亦存在较大误差()焊接速度通常由施工人员在焊接施工完成后大致估算一个速度值或者在工艺给定的速度范围估计一个速度值并作为后期焊接热输入量的计算参数输入存在较大的人为误差因此焊接热输入量的计算结果存在较大的累积误差()焊接过程中缺乏相应的记录手段如焊接过程中出现热输入量超限(以实际焊接电流、电压和焊接平均速度计算得出)时无法及时预警和调整只有在焊接完成后通过事后检验手段才能发现焊接过程的不足()整个焊接过程无实时数据记录无法追溯无法为改进施工工艺和提高焊工水平提供参考为保证铝合金船体结构焊接质量采用相应的焊接过程监测手段对焊接电流、电压等工艺参数进行实时监测采集和处理并根据焊接时长及焊缝长度计算每道焊缝的平均速度进而得出该道焊缝的焊接热输入量作为判断焊接质量的辅助依据为了能够及时、清晰地采集焊接过程的焊接参数(焊接长度、平均电流、平均电压、平均焊接速度、实际热输入量)并进行分析输出使用焊接全过程质量追踪与分析系统对采集记录的焊接质量数据自动提取、计算并按固定格式生成与焊缝相对应的数据分析报告焊接全过程质量追踪与分析系统逻辑框图见图 具体流程:首先实时跟踪监测焊接过程中的质量影响参数实现焊接过程中不规范操作及时报警和操作记录然后使用相控阵检测重点排查焊接工艺规范执行不严格部位最后基于大数据分析技术对后续焊接施工工艺参数提供优化实际热输入量平均电压平均电流平均焊接速度焊接长度时间图 焊接全过程质量追踪与分析系统 为了确保焊接质量焊接热输入量必须处于规定的范围之内 按照工艺规范中规定电流()、电压(.)和焊接速度均值(/)计算得出的焊接热输入量参考标准为 /实例分析为验证铝合金薄板焊接过程监测与相控阵超声 第 期闵少松等:基于相控阵超声的铝合金焊接监测方法 检测方法取 块试板各试板检验测试参数见表.参数设置.焊缝检测角为充分检测焊接缺陷采用相控阵超声检测方法对焊缝检测时还需设置合适的角度 若选取角度过小探头偏置设置离焊缝过于靠近会导致小角度的二次波进入探头且显示从而混淆余高区域的缺陷信号可能造成如焊趾裂纹等缺陷漏检及结构信号误判为缺陷信号 为避免该情况出现检测角度设置为 表 试板基本参数编号试板类型平对接平对接对接对接 型接 型接 型接 型接 型接反射体类型侧边钻孔 刻槽刻槽侧边钻孔侧边钻孔侧边钻孔侧边钻孔侧边钻孔自然缺陷侧边钻孔反射体直径/长度/.步进偏移偏差除了设置合适的检测角度外采用相控阵超声检测方法对焊缝检测时还需设置合适的步进偏移偏差 当步进偏移超过 时本应显示在坡口中心的缺陷已经显示到坡口边上容易造成缺陷性质的错判与缺陷漏检 为此对于薄板检测定位精度的误差造成的图像质量影响会按比例放大 对于探头偏置误差的要求比常规的标准更为严格本文步进偏移偏差不超过 .扫查速度铝合金薄板焊缝相控阵超声检测扫查时扫查速度受脉冲重复频率、信号平均值、扫查角度增益等因素影响 过大的扫查速度会导致检测数据不能还原焊接缺陷的真实情况从而导致漏检和误检 结合初步工艺开展不同速度下的柱孔分辨力测试主要考察相邻缺陷的识别能力 为确保试验速度的可靠性用扫查工装控制扫查速度 将试板放置于平板上固定扫查装置校准相关距离参数后采用、/不同的扫查速度对 个试板进行测试 测试结果发现当扫查速度不大于 /时能区分相邻间距不超过 的 柱状通孔 考虑检测效率本文扫查速度设定为/.焊接过程监测铝合金焊接过程中焊接热输入量统计曲线见图从图中可以看出焊缝盖面焊接过程中实际焊接热输入量大部分处于焊接热输入量上下限范围内但有 条焊缝的热输入量超出范围其中最小热输入量为 /由于焊接热输入量较小焊接完成后可能会出现未熔合、未焊透等焊接缺陷因此在焊接完成后的质量检测中需重点关注图 焊接盖面焊热输入量统计曲线 针对铝合金薄板焊缝内部质量相控阵超声检测的实际情况开展对接接头的相控阵扫查实际范围测试测试区域设置槽、侧边横孔等反射体人工缺陷设计覆盖焊缝热影响区、焊趾、焊缝中心等不同部位的缺陷缺陷种类涵盖条状刻槽及侧边钻孔设计反射体能体现缺陷的存在部位和反射当量 试板焊接缺陷检测结果见表 表 试板焊接缺陷检测结果编号试板类型平对接平对接对接对接 型接 型接 型接 型接 型接检出效果检出检出检出未检出未检出未检出未检出检出检出缺陷形式 个侧边钻孔 个刻槽 个 孔断续条状断续条状 由结果可知在目标区域发现未熔合的焊接缺陷而该处的位置与热输入量过低的位置是一致的本文提出的铝合金薄板焊接质量综合管控方法可发现试板内部存在的所有自然原始缺陷检测范围可达焊缝全部区域显著提高了铝合金薄板焊接质量管控效率 结论()对焊接过程焊接参数监测与统计分析技术进行分析明确了焊接热输入量的统计计算方法提 江 苏 船 舶第 卷出以焊接热输入量上下限作为焊接过程监测指标()针对铝合金薄板相控阵超声检测实际需求开展了相控阵超声检测区域、过小角度检测、步进偏移试验和扫描速度试验验证等工作解决了优化制定铝合金相控阵超声检测原则工艺的关键问题为船厂提高铝质船体修造质量提供了方法手段参考参考文献:王蕤 罗震 步贤政 等.多元化铝合金直流点焊接质量监测系统的研发.焊接技术 ():.于鹏.铝合金脉冲多重控制 焊接质量在线监测研究.长春:吉林大学.张志芬.基于多信息融合的铝合金脉冲 过程焊接缺陷特征提取研究.上海:上海交通大学.白韶军 张存 汤金蕾 等.基于 的铝合金焊接电弧检测系统.航空制造技术(增刊):.李玉龙 刘达繁 茶映鹏.铝合金超声波点焊温度场数值模拟及试验.焊接学报 ():.():.吴振成 李来平 涂俊 等.铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的涡流阵列检测.无损检测 ():.洪宇翔 杨明轩 都东 等.铝合金爬坡 焊熔池失稳状态的视觉检测.焊接学报 ():.闫中广 闫志鸿 谷文涵.基于同位深度灰度图像的焊缝成形质量检测.热加工工艺 ():.李小欣 赵利军 郑延召 等.铝合金板材焊接接头的相控阵超声检测.无损检测 ():.(上接第 页)建立思路 通过船舶装卸系统数据处理、设备技术条件和自主决策方案的使用现状提出了船舶液舱装卸系统的优化方向在确保装卸过程安全可靠的基础上为有效提升装卸过程的执行效率和自主程度进而提升船舶货物管理智能化水平提供了新思路参考文献:中国船级社.智能船舶规范.北京:人民交通出版社.翁佳懋.散装液体化学品船舶安全运营浅析.交通与港航 ():.翁佳懋.散装液体化工品船转船过驳运输的分析.上海:上海交通大学.中国船级社.化学品船智能货物管理检验指南.北京:人民交通出版社.中国船级社.船舶与海上设施数字孪生系统指南.北京:人民交通出版社.(上接第 页)电气设备基座制作托盘生成原理是:通过电气设备模型类()获取设备基座编号自动提取连接电气设备基座的电气设备名称及代号通过 属性输出“基座重量”“数量”“单位”“表面处理”取默认值.电气设备基座制作图电气设备基座进行开发步骤如下:()根据近年来各系列船型生产设计经验积累罗列常用的电气中小型设备基座清单形成标准化统一在 软件中对这些基座进行三视图的设绘并对一些参数值进行定义如基座安装尺寸、安装孔大小、基座高度等数据()根据电气设备基座形式对基座进行参数化开发并在模板工程中进行调试应用()在服务器模板目录()下新建设备基座的 模板 首先通过 软件将 图形转换成图片格式其次将所有需输出的数据在工作表单元格中定义()基于 语言对参数化基座的参数值进行提取输出到 制作图中 结论()根据自身实际需求对.部分功能进行标准化定义建立和完善了设计标准体系()通过对.的二次开发提升了电舾托盘、制作图的输出效率满足了设计、生产和管理的需求参考文献:杨安海 韦乃琨 徐东 等.基于 的船舶三维设计与虚拟仿真数据重用技术/年中国造船工程学会/学术交流会议论文集.北京:中国造船工程学会:.陈辉 张军.电气设计系统研究及应用/年/学术交流会议论文集.北京.中国造船工程学会:.卢俊奇.基于.的电舾件腹板的参数化设计.九江职业技术学院学报():.任伟 吴泰峰 周彬.基于 .的舾装快速出图系统开发及应用.造船技术 ():.周彬 吴优.基于船舶设计软件.的二次开发.造船技术():.夏冬梅 胡波 金松.电气铁舾件及常用设备基座精细建模研究.广东造船 ():.