螺旋焊管的在线超声波自动探伤系统设计

　　0　引言

　　目前的超声波自动探伤设备都是离线的,不仅投资大,而且影响生产进度,增加了生产成本。经过广泛的调查研究并结合本公司的实际情况后,决定采用以精确的探头跟踪系统和先进的计算机技术为基础的数字式超声波自动探伤系统对焊管焊缝进行在线检测。

　　1　检测原理

　　探伤探头对同一段焊缝探测的分布如图1所示。

　　图中L为焊缝宽度,一般约16mm,设ΔL=L/8,当探头的K=2时, sinβ≈0. 9(β是超声波折射角),则超声波在ΔL中的往返传播时间为

　　式中:C为钢中的横波速度,且C=3 230m/s。

　　1个探头扫查6Δt,焊缝另一侧探头也扫查6Δt,两探头主声束覆盖整个焊缝以防止漏检。程序设计保证缺陷波出现在始波到6.5Δt之间有效。

　　6.5Δt≈9μs(2)

　　式中:9μs为程序中缺陷波闸门的宽度。

　　2　硬件设计

　　2.1　探头设计

　　根据在线探伤的特点,设计了复合探头,如图2所示。在普通斜探头的前半部分加装1个监视晶片,并使其平行于有机玻璃延迟块的底面。2个晶片,它们共用1个斜契,占用2个探伤通道,分时工作,互不干扰。监视晶片发射的超声波永远垂直射入钢板,将获

　　得与板厚对应的多次回波。耦合状态不良时,回波次数减少和回波高度降低,监视该探头的耦合状态非常直观。对其电信号作简单的峰值采样和A/D处理,则可直接由工控机监视耦合状态并及时输出不良声光报警信息。一般来说,焊道探伤斜探头的耦合条件变坏主要发生在探头的前沿。现在把监视部位选在容易出问题的前沿,因而能够准确地监视探伤探头的耦合状态。

　　2.2　跟踪系统设计

　　由于本系统是在线检测,针对钢管螺旋运动时焊道经常会有偏差、机架振动大、有水、有气等特点,需要设计出1套跟踪准确、不怕水、不怕气的探头跟踪系统,因此,选用涡流电磁跟踪传感器用于焊缝跟踪,它具有以上提及的这些优点。涡流传感器检测到偏离焊道的微信号,经放大后送到检测控制器,左右偏离信息被区别放大成正、负电压以驱动伺服电机。伺服电机可以调节控制,而且调速范围很宽(0~5 000 r/min),偏离小时调速慢,偏离大时调速快。其调速范围和响应速度又可通过伺服驱动器灵活设置,因而是机械设备实时跟踪调节的理想装置,如图1所示。

　　涡流跟踪传感器的工作原理是根据焊道内磁场的分布特性。如果焊道以中心线为对称轴线,同时对称变宽或对称变窄,则涡流传感器感受到的焊道磁场分布均匀性并不发生变化,即这时不输出偏移信号。但这时超声回波的焊道边缘波声程TB发生了变化,不过TB总趋向于1个平均值Tb。利用这一现象,设计了缺陷波闸门对边缘波平均Tb值的自动电子微跟踪系统,自动调整闸门位置及宽度,一旦捕捉到焊道边缘波,探伤工作站自动形成闸门。仪器内部的闸门微跟踪系统与外部利用涡流跟踪系统相结合可获得总系统的最佳实时跟踪状态。