一种角焊缝焊脚尺寸及内部缺陷超声无损测量方法技术领域
本发明属于角焊缝焊脚无损测量领域，具体地说，涉及一种角焊缝焊脚尺寸及内
部缺陷超声无损测量方法。
背景技术
焊缝是焊接结构中最薄弱部位，焊接结构失效事故大部分是由焊缝失效引起，所
以为确保焊接结构的质量，焊接后需要准确获得焊缝关键参数，进而对焊接强度进行评价，
确保其能够满足设计要求。现有技术中铝合金角焊缝结构目前主要是采用焊前破坏工艺试
件的方法测量焊脚尺寸，进而确定合理的焊接工艺。由于无法对于实际焊接构件进行破坏
测量，因而难以获得准确的焊脚尺寸，这对实际构件强度的准确评价带来困难。并且，当工
件表面不平整时，数据闸门读取的波形不够准确。针对上述问题，本发明采用超声自动扫描
成像技术来准确测量焊脚尺寸，为角焊缝结构强度的评价提供有益技术方法。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种角焊缝焊脚尺寸及
内部缺陷超声无损测量方法：
包括第一焊接板，与第一焊接板成一定夹角焊接具有焊接区域的第二焊接板，所
述的焊接区域包括角焊缝或未熔合孔洞，具体包括：
S1、对第二焊接板进行扫查，获取目的截面的反射回波；
S2、根据所述的反射回波进行可视化扫查，获得所述回波所代表的目的截面平面
图；
S3、根据所述平面图计算角焊缝焊脚或未熔合孔洞尺寸。
进一步地，利用高频超声扫描系统对第二焊接板进行扫查，所述高频超声扫描系
统扫查方式包括A扫查，对第二焊接板的表面进行A扫查，获得第二焊接板上至少两种反射
回波，包括扫查表面的反射回波和目的截面的反射回波。
进一步地，所述的第二焊接板包括具有角焊缝的第一表面，和与第一表面对应未
进行焊接的第二表面，所述A扫查的目的截面包括第一表面，扫查表面包括第二表面。
进一步地，所述高频超声扫描系统设置有第一闸门和第二闸门，并控制第一闸门
读取一种反射回波，控制第二闸门在第一闸门读取的波形数据下读取另一种反射回波，通
过控制第一闸门和第二闸门读取不同的反射回波，获取一种反射回波；
所述的第二闸门在第一闸门读取的波形下触发一种反射回波的波形保持某一固
定延时，使其读取的波形所代表的截面与第一闸门读取的波形所代表的截面的倾斜度保持
一致。
进一步地，所述的第一闸门读取第二表面的反射回波，所述的第二闸门读取第一
表面的反射回波，获得与第二表面倾斜度一致的第一表面的反射回波。
进一步地，所述S2包括：
S21、设置第二闸门读取S1中读取的反射回波的读取范围，以确定目的截面。
S22、所述高频超声扫描系统扫查方式包括可视化扫查，所述的可视化扫查包括C
扫查，根据S21中读取的反射回波、设置的读取范围，对所述截面进行C扫查以获得目的截面
的平面图。
进一步地，所述读取反射回波包括读取回波的波峰数据，所述的第二闸门的读取
范围设置在第一表面反射回波的波峰上，确定第一表面为目的截面，获得第一表面的平面
图。
进一步地，所述S3中包括：
S31、将所述平面图置于坐标系中，所述的平面图包括同一坐标系中不同分布位置
的同一灰度范围值的平面图，根据所述不同分布位置的同一灰度范围值的平面图的边界之
间的距离确定角焊缝的焊脚。
S32、所述平面图的边界之间的距离对应至坐标系中的某一坐标轴上，计算所述距
离的长度，以得到角焊缝焊脚尺寸。
进一步地，所述第一表面的平面图包括同一灰度范围值分布在两个位置的平面
图，将第一表面的平面图置于坐标系中，根据分布在两个位置的平面图边界之间的距离确
定角焊缝的焊脚；
将所述平面图的边界之间的距离对应至坐标系中的某一坐标轴上，计算所述距离
的长度，以得到第二焊接板第一表面上角焊缝焊脚尺寸。
进一步地，所述的灰度平面图包括采用相位成像获得灰度平面图，所述的相位成
像通过设置第二闸门读取波形数据时的阈值判断相位是否发生反转；
所述的阈值设置2-4个，包括正向阈值和负向阈值；优选设置为2个正向阈值，1个
负向阈值。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明公开了一种角焊缝焊脚尺寸及内部缺陷(未熔合)超声无损测量方法，包括
第一焊接板，与第一焊接板成一定夹角焊接具有焊接区域的第二焊接板，所述的焊接区域
包括角焊缝或未熔合孔洞，包括对第二焊接板进行扫查，获取目的截面的反射回波；根据所
述的反射回波进行可视化扫查，获得所述回波所代表的目的截面平面图；根据所述平面图
计算角焊缝焊脚或未熔合孔洞尺寸。通过上述的测量方法，在不破坏焊接结构的情况下进
行测量，并准确的定位检测截面及内部未熔合缺陷尺寸，提高检测结果的准确性，为角焊缝
结构强度、寿命的计算及评估提供有益技术方法。
本发明提供的无损检测方法，适合现车使用，超声扫描速度快，检测精度高，首先
对进行焊接的焊接板进行扫描，获得焊接区域的多种反射回波，根据反射回波的幅度确定
目的波形，根据波形设置高频超声扫描系统的时间闸门，读取目的波形，以进行可视化扫
查，得到焊接区域的平面图。
由于高频超声检测精度较高，对扫查表面平面度、水平要求较高，若扫查表面平整
度较低导致第二闸门设置位置不够准确，采集脉冲的触发位置可能产生偏差，从而影响扫
查图像的精度。
因此，本发明中，在无损测量的基础上，采用了表面跟随技术，读取某一表面的波
形，将第一闸门设置在表面波形的某一波形数据上，设置第二闸门的扫查区域，当扫查的表
面不平整时，第二闸门随第一闸门的时间和阈值内的触发波形保持某一固定延时，使其与
表面的倾斜度保持一致，第一闸门始终跟随表面回波，可避免由于焊接板表面不平而导致
第二闸门位置不准确，准确的定位检测截面，提高检测结果的准确性，提高判断准确性，为
角焊缝结构强度的评价提供有益技术方法。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图
仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明实施例一焊接结构示意图；
图2是本发明实施例一测量结果示意图；
图3是本发明阈值设置示意图；
图4是本发明N＝8时的时域抽取运算流程图；
图5是本发明测量步骤示意图。
图中：1、无坡口角焊缝焊趾边界；2、无坡口角焊缝焊跟边界；3、开坡口角焊缝焊趾
边界；4、开坡口角焊缝焊跟边界；5、第二表面无坡口角焊缝；6、第二表面开坡口角焊缝；7、
第一焊接板；8、第二焊接板；t、时间。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范
围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但
不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖
直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便
于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本
领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
本实施例提供了一种铝合金角焊缝焊脚尺寸超声无损测量方法：
包括第一焊接板，与第一焊接板成一定夹角焊接具有焊接区域的第二焊接板，所
述的焊接区域包括角焊缝或未熔合孔洞，角焊缝结构的焊缝术语依据GB/T3375-94焊接术
语定义。
优选的，所述的第一焊接板垂直焊接在第二焊接板上，焊接后第一焊接板与第二
焊接板形成T型。
所述的第一焊接板包括开坡口进行焊接，或不开坡口进行焊接；
具体测量包括：
S1、对第二焊接板进行扫查，获取目的截面的反射回波；
S2、根据所述的反射回波进行可视化扫查，获得所述回波所代表的目的截面平面
图；
S3、根据所述平面图计算角焊缝焊脚或未熔合孔洞尺寸。
进一步地，利用高频超声扫描系统对第二焊接板进行扫查，所述高频超声扫描系
统扫查方式包括A扫查，对第二焊接板的表面进行A扫查，获得第二焊接板上至少两种反射
回波，包括扫查表面的反射回波和目的截面的反射回波。
进一步地，所述的第二焊接板包括具有角焊缝的第一表面，和与第一表面对应未
进行焊接的第二表面，所述A扫查的目的截面包括第一表面，扫查表面包括第二表面。
进一步地，所述高频超声扫描系统设置有第一闸门和第二闸门，并控制第一闸门
读取一种反射回波，控制第二闸门在第一闸门读取的波形数据下读取另一种反射回波，通
过控制第一闸门和第二闸门读取不同的反射回波，获取一种反射回波；
所述的第二闸门在第一闸门读取的波形下触发一种反射回波的波形保持某一固
定延时，使其读取的波形所代表的截面与第一闸门读取的波形所代表的截面的倾斜度保持
一致。
进一步地，所述的第一闸门读取第二表面的反射回波，所述的第二闸门读取第一
表面的反射回波，获得与第二表面倾斜度一致的第一表面的反射回波。
所述的第一闸门为跟踪闸门，所述的第二闸门为数据闸门。
所述的A扫查为定点扫查，得到的是超声换能系统在焊接板上特定位置的超声回
波，得到的是一种脉冲波形图。
A扫查的波形图中有两个时间闸门，第一闸门放置在第一表面回波上，以定位第二
闸门的参照起始时间，代表着第一表面位置，为跟随闸门；
第二闸门放置感兴趣的界面回波上，代表界面位置，为数据闸门。
由于高频超声检测精度较高，对扫查表面平面度、水平要求较高，若扫查表面平整
度较低导致第二闸门设置位置不够准确，采集脉冲的触发位置可能产生偏差，从而影响扫
查图像的精度。
因此，本发明中，在无损测量的基础上，采用了表面跟随技术，读取某一表面的波
形，将第一闸门设置在表面波形的某一波形数据上，设置第二闸门的扫查区域，当扫查的表
面不平整时，第二闸门随第一闸门的时间和阈值内的触发波形保持某一固定延时，使其与
表面的倾斜度保持一致，第一闸门始终跟随表面回波，可避免由于焊接板表面不平而导致
第二闸门位置不准确，准确的定位检测截面，提高检测结果的准确性，提高判断准确性。
可选的，超声换能扫描系统的扫查方式还包括B扫查，所述的B扫查为直线扫查。超
声换能器横向或纵向移动，得到一条直线上各点的的A扫查波形数据，选取闸门内的数据，
根据一定的成像算法进行处理，从而获得样品的横向或纵向的剖面声学成像图。
超声换能扫描系统的扫查方式还包括C扫查，C扫查是一种针对样品回波，移动超
声探头做水平面内逐行扫查，从而获得一个以回波幅度来确定图像灰度的平面图的成像方
式。
所述的超声换能系统包括超声换能器。
进一步地，所述S2包括：
S21、设置第二闸门读取S1中已读取的反射回波并设置读取范围，以确定目的截
面。
S22、所述的可视化扫查包括C扫查，根据S21中确定的目的截面进行C扫查以获得
所述截面的平面图。
进一步地，所述读取反射回波包括读取回波的波峰数据，所述的第二闸门的读取
范围设置在第一表面反射回波的波峰上，确定第一表面为目的截面，获得第一表面的平面
图。
进一步地，所述S3中包括：
S31、将所述平面图置于坐标系中，所述的平面图包括同一坐标系中不同分布位置
的同一灰度范围值的平面图，根据所述不同分布位置的同一灰度范围值的平面图的边界之
间的距离确定角焊缝的焊脚。
S32、所述平面图的边界之间的距离对应至坐标系中的某一坐标轴上，计算所述距
离的长度，以得到角焊缝焊脚尺寸。
进一步地，所述第一表面的平面图包括同一灰度范围值分布在两个位置的平面
图，将第一表面的平面图置于坐标系中，根据分布在两个位置的平面图边界之间的距离确
定角焊缝的焊脚；
将所述平面图的边界之间的距离对应至坐标系中的某一坐标轴上，计算所述距离
的长度，以得到第二焊接板第一表面上角焊缝焊脚尺寸。
本系统设计了跟踪闸门和数据闸门两个闸门，同时使用3个阈值(2正、1负向)来判
断是否发生相位反转。所述超声换能扫描系统还包括光栅编码器，通过光栅编码器自动对
超声脉冲发射/接收、数据采集进行硬件触发，峰值数据也由硬件确定，减少软件处理数据
量，提高运算成像速度。
跟踪闸门始终跟随第一表面回波，可避免由于焊接板表面不平而导致数据闸门位
置不准确，提高判断准确性。
所述的第一焊接板与第二焊接板焊接，形成角焊接区域；所述的角焊接区域包括
角焊缝；所述的焊缝包括焊脚；
所述的焊脚包括焊跟和焊趾，所述焊跟和焊趾之间的距离即为焊脚的尺寸。
所述的焊跟对应坐标系中某一坐标轴的d1位置，所述的焊趾对应坐标系中同一坐
标轴的d2位置，|d1-d2|即为焊脚的尺寸。
所述的角焊缝包括第二表面无坡口角焊缝5；第二表面开坡口角焊缝6。
所述的边界包括无坡口角焊缝焊趾边界1；无坡口角焊缝焊跟边界2；开坡口角焊
缝焊趾边界3；开坡口角焊缝焊跟边界4；
根据上述的测量方法与进行破坏测量测量得到以下检测结果：
表1检测结果对比
由上述检测结果对比可知，破坏检测的检测结果与超声检测结果的测量偏差2％
左右，完全满足工程应用需求。
实施例二
本实施例提供一种成像方式，包括相位成像方式，超声反射回波包含幅度、相位信
息，但常用超声设备只利用回波幅度信息，实际回波信号相位也反映了物体内部的介质情
况，甚至更为灵敏。本系统中把相位差转换为灰度值或颜色值来成像。
进一步地，所述的灰度平面图包括采用相位成像获得灰度平面图，所述的相位成
像通过设置第二闸门的读取波形数据时的阈值以判断第二闸门读取的波形相位是否发生
反转。
所述的阈值设置为2-4个；
优选的，所述的阈值包括3个，阈值1，阈值2和阈值3，其中阈值1，阈值2为正值，阈
值3为负值；
可选的，本系统还可以采用频域成像技术，超声换能器几何参数难以改变，且焦距
长度不宜过短，否则会影响穿透深度。因此，很多研究通过削减点源扩散函数效应来提高分
辨率，如应用MPSF对信号进行3D反卷积来减小换能器的模糊效果，提高超声C扫描图像分辨
率。
斯派罗准公式表明可以提高超声波频率来提高分辨率(即减小波长)。一般来说，
对于现有换能器很难做到，但是，在反射式高频超声扫描系统中，激发的超声脉冲是一个持
续时间很短的尖脉冲，使得该超声波具有一个较宽的频率范围，其分布类似于高斯函数，峰
值对应频率与换能器中心频率接近。
在传统峰值成像方式中，使用经过平均的信号，如使用换能器带宽范围内相对较
高的频率来成像，则能明显改善现有换能器成像的分辨率。
但是，由于高频超声中使用的高频超声在试样中传播时，其衰减比低频超声更大，
一个入射中心频率为50MHz超声脉冲，也许反射回时已变成30MHz。因此，选用固定频率来成
像在实际应用中会存在一些问题，比如选取的频率成分在回波中其实已经很小而根本不能
表现回波的特性。
借鉴傅立叶域成像的概念，提出了一种不用固定频率来成像，而是选取各个扫查
点上强度最大频率成分来成像的频域成像方法。实验表明，清晰度优于传统时域峰值成像，
且能够观察到一些传统成像方式无法展现的细节。
使用Cooley-Tukey算法对信号进行FFT变换，
如图4所示，N＝8时的时域抽取运算流程图。
本发明采用相位成像或频域成像的成像方式，提供更清晰平面图，更加精准的呈
现了焊缝的内部特征。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽
然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人
员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为
等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对
以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。