中厚钢板受控射流耦合超声在线自动检测方法研究

摘要

本论文是在国家重点研发计划项目（2018YFF01012803）和国家自然科学基金(No.52075236)资助下完成的。中厚钢板是重要的钢铁产品，在线自动检测是提高产品质量、提升生产效率的重要手段。当前国内外中厚钢板自动检测主要采用接触式水膜耦合超声，探头容易出现磨损、撞击等情况，维修成本高。针对这种情况，中国特种设备检测研究院与奥瑞视（北京）科技有限公司合作对一条5米线探伤设备进行改造，建设了国内第一套自主知识产权的大型宽厚板受控射流耦合在线超声自动探伤线系统（论文研究的系统），于2020年投入试运行。受控射流耦合超声方法中换能器和钢板间有较大厚度的水层，从而避免换能器磨损，适用于大批量钢板的在线检测。但是，受控射流耦合超声方法作为一种新的非接触式探伤方法，国内外缺乏相关标准。因此，本文通过研究该方法得出探伤工艺参数，为相关标准制定奠定基础，进而达到推广受控射流耦合超声检测系统的目的。　　本文以系统使用的水浸线聚焦探头为对象，研究了其应用于生产线的工艺参数，研究的主要内容包括：　　（1）研究水浸线聚焦探头一致性要求，并提出测定及评价方法。受控射流耦合超声检测系统由多个检测模块组成，一个检测模块由8个水浸线聚焦探头组成，为了保证探伤灵敏度及一致性要求，需要对这些探头进行参数的一致性提出要求并给出测定与评价方法。探头参数包括性能参数以及声场参数。使用试块检测探头的性能参数，包括上下表面盲区、有效声束宽度和DGS曲线，然后，对性能参数的一致性做出评价并给出评价方法；使用水听器测试探头的声场参数，包括焦距，焦柱尺寸，声场均匀性以及旁瓣信号，并对声场参数做出一致性评价。最后，挑选出8个性能参数相近的探头构成一个探头组。实践证明，文中提出的探头一致性的测定和评价方法有效可靠，有助于实现故障探头的互换性。　　（2）研究被挑选出的水浸线聚焦探头检测灵敏度的影响因素，并提出参数范围。研究的影响因素包括水距、探头偏转角度、钢板表面典型污染、水的浑浊度以及气泡。实验环境为完全水浸，对各个影响因素进行量化实验，最后对实验结果进行分析。实验得出了适用于中厚钢板的受控射流检测系统的现场工艺参数范围，为系统现场工艺参数的选取提供参考依据。　　（3）研究并制定受控射流耦合超声检测系统的现场检测工艺流程，制作测试板，对误判原因进行分析并给出解决方法。安装调试系统，规划探伤工艺流程，根据探头的参数和影响因素参数制定现场检测的工艺参数。制作一块测试系统性能的测试板，确保探伤系统的有效性。对一定数量的样板进行检测，分析产生误报的原因并给出相应的解决方案。钢板产线检测结果验证了工艺参数的可行性及合理性。　　综上所述，本文首先对水浸线聚焦探头进行一致性的测定及评价，选取出8个探头组成一个探头模块；然后研究影响这些探头检测灵敏度的影响因素，得出合适的现场工艺参数范围；最后，整合探头的参数和影响因素参数范围，应用于受控射流超声检测系统的现场检测，制定检测流程检测试板及样板，对误判进行分析并给出解决方法。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外中厚板自动探伤系统发展状况

1.2.1国外中厚板自动超声检测系统的发展历程

1.2.2国内中厚板自动超声检测系统的发展历程

1.2.3国内引进中厚板自动超声检测系统及其应用情况

1.2.4当前国内外知名中厚板在线自动检测系统

1.3钢板在线自动检测标准现状

1.4主要研究内容与创新点

1.4.1主要研究内容

1.4.2创新点

1.5本章小结

第2章 中厚钢板受控射流耦合超声检测技术

2.1引言

2.2中厚钢板概述及常见缺陷

2.3受控射流耦合超声检测技术

2.3.1受控射流耦合超声检测技术原理

2.3.2受控射流耦合超声检测技术的缺陷评定方法

2.4水浸线聚焦探头

2.4.1水浸线聚焦探头的结构

2.4.2水浸线聚焦探头的原理

2.4.3聚焦声束轴线上的声压分布

2.4.4焦柱的几何尺寸

2.4.5焦点在工件中的位置

2.5本章小结

第3章 受控射流耦合超声检测用线聚焦探头一致性的测定及评价

3.1引言

3.2探头参数基本要求

3.3实验装置、试件及探头

3.3.1实验装置

3.3.2钢板Φ5mm平底孔试件

3.3.3测厚阶梯B试块

3.3.4水浸线聚焦探头

3.4盘环件C扫系统工艺参数设置

3.5性能参数的测定与评价

3.5.1盲区的测定与评价

3.5.2有效声束宽度测定与评价

3.5.3 DGS曲线的绘制与评价

3.6水浸线聚焦探头声场测试与评价

3.6.1 XZ平面扫查

3.6.2 YZ平面扫查

3.6.3 XY平面扫查

3.7本章小结

第4章 受控射流耦合超声检测用线聚焦探头检测灵敏度影响因素研究

4.1引言

4.2实验装置及试块

4.2.1实验装置

4.2.2试块

4.3检测灵敏度影响因素实验结果

4.3.1水距对检测灵敏度的影响

4.3.2探头偏转对检测灵敏度的影响

4.3.3钢板典型表面污染物对检测灵敏度的影响

4.3.4水的浑浊度对检测灵敏度的影响

4.3.5气泡对检测灵敏度的影响

4.4检测灵敏度影响因素实验结果分析及参数范围设定

4.4.1影响因素实验结果分析

4.4.2影响因素的参数范围设定

4.5本章小结

第5章 受控射流耦合超声检测设备现场检测工艺研究

5.1引言

5.2受控射流耦合超声检测设备

5.2.1受控射流耦合超声检测设备的系统组成

5.2.2受控射流耦合超声检测设备工艺参数

5.2.3检测系统的组成部件

5.2.4检测系统探伤工艺流程的制定

5.3现场中厚钢板检测

5.3.1动态试板的制作

5.3.2动态试板的检测结果

5.3.3产品板的检测结果

5.4探伤系统常见的误判原因及处理方法

5.4.1失波现象

5.4.2探头组自动标定增益过高

5.4.3射流腔内结构噪声

5.4.4被检钢板温度高

5.4.5钢板板形

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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