[发明专利]使用相控阵超声装置的焊缝跟踪系统

说明书

技术领域

本发明涉及无损测试和检验系统(NDT/NDI)，尤其涉及一种与NDT/NDI检验操作相协作的使用相控阵(phased array，PA)装置的自动焊缝跟踪系统。

背景技术

焊接是长期以来一直采用的工艺，用于将单独的金属物体接合在一起以构建支撑结构以及生产管、器皿和其它产品。存在很多类型的焊接技术，包括气焊、电弧焊和电阻焊(ERW)。焊接物体的共同特性是焊接区域和非焊接区域之间的厚度有差异。

由于焊接完整性的检验使得能够检测裂纹、气孔、未焊透、加渣、侧壁未融合以及其它的有损焊接强度的缺陷，因而焊接完整性的检验一直被认为是至关重要的。许多现有的NDT/NDI产品可用于焊接检验，例如超声和涡流仪器以及探头。

对于一些焊接检验应用，挑战之一在于如何有效地和/或自动地跟踪焊接位置由此引导紧靠在焊接位置附近的检验探头。例如，对于电阻焊(ERW)产品，管是通过将矩形金属片给送到焊接机以使它们的相对边被焊接在一起而形成的。然后，在离开焊接和焊接确认系统之前，对焊缝的外表面和内表面进行修整。

在其中一项现有技术中，通过超声相控阵(PA)系统在传输通过焊接和焊接检验系统的同时检测焊缝的完整性。长管上的焊缝位置有沿圆周漂移的倾向，同时在传输中需要操作者从视觉上监视焊缝位置并调节管或PA探头位置以保持中心位于焊缝上。应该注意，管轴向移动50米时焊缝位置仅少量漂移是常见的。

上述手动跟踪方法的缺点之一在于：由于操作者必须在场以监视和在需要时调节焊缝位置，因此妨碍了焊接和焊接检验系统的完全自动化。

为了克服焊缝跟踪的上述问题，申请人所能想到的一些现有技术包括英国的Metavision所提供的解决方案。Metavision装置使用激光跟踪技术以引导NDI检验。该方法的局限性在于其需要沿着管的可视标记线以引导PA探头跟随焊缝。在相对于焊缝的给定距离处标绘可视线(还被称为导向线)在工业操作条件下存在相当的难度。为了精确，导向线必须被标绘在温度较高的焊接处理位置附近，因而导致标记线没有标绘或被部分地掩盖。激光跟踪装置等的光学装置用于监视管上的暗面和白线之间的对比，以建立适当的位置。如果对比不足，则装置可能错过焊接位置。

Metavision装置的其它缺点还包括使用激光传感器以及需要单独的两组传感器和相关联的硬件/软件来执行焊缝跟踪和检验任务，由此导致了不期望的较高系统投入。

另一解决方案在Girndt的美国专利申请(公开号2009/0132181A1)中进行了描述。Girndt的专利申请通过采用两组超声传感器跟踪焊缝来解决焊缝跟踪问题，所采用的两组传感器的其中一组用于跟踪焊缝，另一组用于检验焊缝，由此导致了材料和操作成本的增加。

Girndt也未能提及使用相控阵超声系统，由此妨碍了获得沿着焊缝及其附近覆盖较宽的扫描区域带的能力。此外，Girndt存在需要扫描整个外部管面以获得焊缝位置的局限性，这与仅扫描焊缝和边界区域相比是极其低效的。

发明内容

这里公开的本发明的目的是解决与用于定位NDT/NDI装置以进行焊缝检验的焊缝跟踪有关的问题，同时避免现有焊缝跟踪技术具有的上述缺点，例如避免手动跟踪或使用除了NDT/NDI检验装置以外的额外传感器/跟踪装置所引起的低效率和高成本问题。

应该注意，在本发明中，传感器、探头和转换器是可以互换使用的。

因此，本发明的总体目的是提供一种与NDT/NDI操作相协作直接使用NDT/NDI传感器的焊缝跟踪装置。焊缝跟踪算法的处理能够容易地与现有的NDT/NDI检验装置的现有数据处理元件集成或组合在一起。

本发明的另一个目的是利用相控阵(PA)系统的检验传感器，利用诸如C-扫描等的传统的PA处理数据，并从C-扫描中提取厚度变化信息，从而识别焊缝位置。

本发明的另一个目的是利用PA探头的优点，其中，该PA探头提供了比单元件探头或双元件探头的扫描区域宽的扫描区域，从而使得扫描区域能够覆盖焊缝及其附近的整个宽度。这点很重要的原因在于在沿着焊缝方向的一次移动中使得能够平滑地进行焊缝跟踪和检验。这从本质上使得不需要在测试对象的较大表面或整个表面上移动传感器以定位焊缝。

本发明的另一个目的是与焊接检验相协作进行焊缝跟踪，从而使得不需要诸如激光或红外传感器等的任何额外传感器也不需要与额外传感器有关的任何额外数据处理能力。所公开的新方法从本质上减少了材料和操作成本，并提高了操作效率。