GH706組織與超聲信號特征-開題報告

XX大學 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目 GH706組織和超聲信號特征的研究專 業(yè) 名 稱 測控技術與儀器班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一、選題的依據和意義隨著工業(yè)現代化的發(fā)展，GH706合金得到了廣泛的應用。從汽車行業(yè)到家電產品，從探索宇宙空間到開發(fā)海洋資源等等都離不開GH706合金。GH706合金是一種Ni-Fe-Cr時效強化型變形高溫奧氏體不銹鋼合金，成本低、具有良好的鍛造和焊接性。應用比較廣是渦流發(fā)動機、燃氣輪機及核工業(yè)中，特別是制造“F”級大型燃機渦輪盤。隨著“FA”及“H”級燃氣輪機的發(fā)展，渦輪盤的尺寸越來越大。但由于GH706合金中含有3%左右的Nb和9%左右的Ni，偏析傾向較大，在生產超大尺寸鑄錠時容易出現白、黑斑，柱狀晶組織明顯粗大等宏觀缺陷，從而影響材料的質量及使用1。GH706合金出現偏析和柱狀晶組織粗大究其原因是由于其焊縫全是奧氏體組織，而焊接技術的不成熟導致了一些災害性事故。諸如燃氣輪機爆炸，大型弧門失事、球罐爆炸、塔機主臂折毀、電廠廠房坍塌、飛機葉片斷裂等等。具體事故，如1979年12月，吉林市煤氣公司液化石油氣廠球罐爆炸事故，正由于球罐上下環(huán)焊縫焊趾裂紋所致。2010年12月，由于焊接缺陷致燃油管路泄漏造成的A380客機事故。究其原因，大都起因于焊縫的質量失控。為了確保工程的安全運行，人們期望能對焊縫的質量實施有力地監(jiān)控。因此，有必要對焊接接頭焊縫的檢測方法進行深入地研究，鋼制對接焊縫缺陷定性的研究，受到了人們高度重視。分析檢測焊接缺陷的一些方法也具有很重要的現實意義2-3。 對于奧氏體不銹鋼焊縫，其檢測方法有X射線檢測，超聲檢測，磁粉檢測以及滲透檢測。但是滲透檢測和常規(guī)磁粉檢測只能檢測表面或近表面缺陷，無法檢測焊縫內部缺陷。射線檢測對T型焊檢測位置受限，很多時候射線機無法合理擺放，浪費成本，對面積類缺陷檢出率較低，而且射線檢測的費用比較高。 超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術之一，是目前國內外應用最廣泛、使用頻率最高而且發(fā)展較快的一種無損檢測技術。超生檢測是產品制造中實現質量控制、節(jié)約原材料、改進工藝、提高勞動生產效率的重要手段，也是設備維護中不可或缺的手段之一。有資料表明，通過焊接加工的鋼材占世界鋼材產量的50%以上，超聲檢測是檢測焊接接頭缺陷并為焊接接頭質量評價提供重要數據的主要無損檢測手段之一4-5。本課題是針對當前比較流行的超聲衍射時差法（TOFD）探傷以及小波變換信號處理法來對GH706奧氏體不銹鋼焊接檢測進行分析，廣泛適用于焊接接頭的檢測。超聲TOFD是利用缺陷部位的衍射波信號來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式的原理進行檢測的。在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會接收到缺陷處產生的衍射波。除上述波外，還有缺陷部位和底面因波型轉換產生的橫波，一般會遲于底面反射波到達接收探頭。工件中超聲波傳播路徑見圖1：接收探頭發(fā)射探頭直通波底面反射波上端點衍射波下端點衍射波（1） 平板工件接收探頭發(fā)射探頭直通波底面反射波上端點衍射波下端點衍射波（2）凸面工件接收探頭發(fā)射探頭直通波底面反射波上端點衍射波下端點衍射波（3）凹面工件圖1不同形狀工件中超聲波傳播路徑而小波變換采用10db Daubechies小波，如圖2所示，此變換既可以顯示頻域信號的傅里葉變換特征，又可以捕捉信號時域的變換，具有易于重建和分解信號的優(yōu)點。將此變換用于超聲波信號，既能確定回波和柱晶雜波的頻率成分，又不失去時間軸的數據。圖2 10db Daubechies小波二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢1.超聲TOFD法國內外研究發(fā)展情況 超聲TOFD（Time Of Flight Diffraction）法最早于20世紀70年代由英國原子管理局國家無損檢測研究中心的哈威爾實驗室的M.G.Silk（英國原子能權威人士UKKAEA）根據超聲波衍射現象首先提出來的。TOFD最初的發(fā)展僅僅是作為定量工具，最初的想法是：使用常規(guī)技術探測到缺陷后使用TOFD進行精確的定量和監(jiān)測在線設備裂紋的擴展（例如檢測壓力容器）。很多年以來TOFD一直在實驗室里，各國做過大量實驗直到八十年代才為業(yè)界所認同；在這些實驗中，用事實證明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技術。自上世紀 9O年代起，超聲TOFD檢測法在國外工業(yè)無損檢測領域已得到廣泛應用，歐、美、日均已推出相應的應用標準。1992年英國標準BS7706問世，1996年美國ASME標準將其列入規(guī)范案例2235和第卷無損檢測附錄，2000年歐、日分別推出專用標準。用于不同壁厚的承壓設備焊接接頭的制造和在用檢測。 而在國內的也有所研究，武漢中科創(chuàng)新技術有限公司國產研制的國產第一臺便攜式TOFD超聲波檢測儀2005年研制成功,2006年HS800型產品在特檢行業(yè)應用,2007年底HS800成型產品推出市場, 2008年產品開始銷售，從此便攜式TOFD超聲檢測儀在國內得到廣泛的應用6-13。2.小波變換法國內外研究發(fā)展狀況 小波變換是由法國從事石油信號處理的工程師J.Morlet在1974年首先提出的，通過物理的直觀和信號處理的實際需要經驗的建立了反演公式，當時未能得到數學家的認可。正如1807年法國的熱學工程師J.B.J.Fourier提出任一函數都能展開成三角函數的無窮級數的創(chuàng)新概念未能得到認可。到了70年代，A.Calderon表示定理的發(fā)現、Hardy空間原子分解和無條件基的深入研究為小波變換的誕生做了理論的準備，而且J.O.Stromberg還構造了歷史上非常類似于現在的小波基：1986年著名數學家Y.Meyer偶然構造出一個真正的小波基，并與S.Mallat合作建立了構造小波基的統(tǒng)一方法-多尺度分析，從此小波變換發(fā)展起來。比利時女數學家I.Daubechies撰寫的小波十講對小波的普及起了重要的推動作用?，F在，它已在科技信息產業(yè)領域取得了令人矚目的成就。而且，信號處理已經成為當代科學技術工作的重要組成部分。從數學角度看，信號與圖像處理可以統(tǒng)一看成信號處理，小波分析的許多分析和應用問題，都可以歸結為信號處理問題。其應用范圍也越發(fā)廣泛，例如地震勘探數據處理、大型機械的故障診斷等方面。在信號分析方面的濾波、去噪聲、壓縮、傳遞等等。在圖像處理方面的圖像壓縮、分類、識別與診斷。特別是在無損檢測方面，其應用也越來也占據重要地位，例如：數據采集、處理、歸納等等14-19。 三、研究內容及實驗方案1.研究內容本課題主要針對GH706合金組織奧氏體焊縫進行檢測，利用超聲TOFD法以及小波變換法的檢測方法，從以下幾個方面進行研究：(1)對超聲TOFD法和小波變換法進行理論學習和探究；(2)探究超聲TOFD法及小波變換法在GH706合金組織奧氏體焊縫中的應用；(3)根據GH706合金組織奧氏體焊縫的檢測效果，評估分析此種方法的優(yōu)缺點，如何改進，以及是否能提出更好的檢測方法。2.實驗方案（1）帶缺陷焊接試板的制作 制作板厚50mm、X型坡口的9%Ni鋼焊接試板。為模擬未融合和裂紋類的內在缺陷，在接頭坡口面、表層和根部設置了電火花加工的窄槽。又通過局部附加多種熱循環(huán)，制作根部和表層有熱裂紋的試樣。（2）探頭的選擇 根據試樣，可選擇標稱頻率2.25MHz、晶片尺寸為13mm的寬帶斜探頭。（3）調整好儀器，開始在試塊上進行掃查，注意仔細觀察當探頭掃查到缺陷，無缺陷的各部位時的波形。（4）多次重復試驗，獲得多個試驗結果。（5）采用離散小波變換法對超聲TOFD法檢測出的結果進行分析，比較所得的結果，得出相應結論。四、目標、主要特色及工作進度1.目標 (1)了解焊縫無損檢測的方法，學習相關知識； (2)學習超聲TOFD法及小波變換法的基本原理及應用； (3)熟練運用TOFD檢測儀； (4)運用軟件對采集的信號進行處理并分析結果，并把此法應用于其他領域以及能夠提出更好的檢測方法。2.主要特色2.1超聲TOFD法的優(yōu)點（1）TOFD檢測結果與射線檢測結果都是以二維圖像顯示，不同的是TOFD能對缺陷的深度和自身高度進行精確測量，而射線只能得到缺陷的俯視圖信息，對于判斷缺陷危害性程度的重要指標，厚度方向的長度，射線是很困難的；（2）TOFD技術檢測缺陷的能力非常強，特殊的探傷方式使其具有相當高的檢出率，約90%左右，而相比之下，射線檢測的檢出率稍低，大約75%，在實際工作中，我們也發(fā)現有TOFD檢測出來的缺陷，X射線未能發(fā)現的情況，這給質量控制帶來了極大的隱患；（3）TOFD技術所采集的是數據信息，能夠進行多方位分析，甚至可以對缺陷進行立體復原；（4） TOFD技術是利用超聲波進行探傷，對檢測時的工作環(huán)境沒有特殊的要求。超聲波檢測是一種環(huán)保的檢測方式，對使用人員沒有任何傷害，所以在工作場合不需要特殊的安全保護措施；而射線檢測因其放射的危害性受到國家政策的嚴格控制，現場只能單工種工作，降低了檢測工作效率，阻礙了整個工程進度；（5）TOFD檢測成本低，重復成本少；而射線檢測，建造暗室需要較高的投入，平時工作中的耗材成本重復發(fā)生，綜合成本相對較高20-21。2.2小波變換法的優(yōu)點（1） 小波方差是基于多分辨率分析的一個有效特征量，可以表征不同尺度的信號特征，它撇開了直接處理大量的小波系數，而是建立在挖掘這些數據及蘊含信息的普適量上。（2） 小波方差具有意義明確、計算簡單，對噪聲不敏感的特點。而且，單一尺度下的小波方差對信號特征的提取效果依賴于尺度的選擇，但對于事后分析來說，這一點并不難做到。（3） 通過對小波變換所進行的理論分析和計算機模擬發(fā)現，利用小波變換具有的高低頻分離的特點，可在不丟失原信號重要信息成分的前提下，將原信號的邊緣部分進行濾化處理，消除了噪聲信息，重構出更加清晰的光譜特征圖形，從而提高了信號的清晰度，為信號的預處理提供了更加方便的條件。（4） 小波變換還可以對分析信號可進行任意的放大平移并對其特征進行提取，。對復雜信號做小波變換，進行多分辨率分析，在信號圖像分析領域已占據相當重要的地位。（5） 一個在局部范圍內有非0值而其余所有地方都等于0的函數，它的頻譜會呈現出一幅相當混亂的狀況，這時，頻域的信號反而不如時域的直觀，頻譜分析變得很困難，小波變換都可以克服這些。2.3工作進度(1) 文獻翻譯 03.0903.15(2) 查閱、收集GH706組織材料 03.1603.20(3)撰寫開題報告 03.2103.31(4)熟悉水浸聚焦超聲法及金相分析法的原理和特點 04.0104.30(5)學習操作實驗儀器并且熟練使用檢測系統(tǒng) 05.0405.15(6)實驗數據采集、信號處理及結果分析 05.1605.31(7)撰寫畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯 06.0106.26五、參考文獻1白亞冠 聶義宏 朱懷沈 趙帥 殷福星等，Al-Nb對700發(fā)電機組轉子用GH706合金組織和拉伸性能的影響，中國一重能源裝備材料科學研究所，天津300457,2003年8月2董建新 張麥倉 曾燕屏等，含鈮高溫合金液相中鈮偏聚行為A,北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083,2005年4月3李雄兵 宋永峰 倪培君 劉鋒等，面向晶粒尺寸的超聲多尺度衰減評價方法，中南大學CAD/CAM研究所J，長沙410075，2015年1月：121-1284劉鎮(zhèn)清，超聲無損檢測與評價中的信號處理及模式識別J，同濟大學 聲學研究所，上海 2009年,2001年1月5鄭暉 林樹青等，超聲檢測.第二版，北京：中國勞動社會保障出版社,2008 全國特種設備無損檢測人員資格考核統(tǒng)編教材，ISBN 978-7-5045-7069-76陳建 孫曉穎 林琳 王波等，一種高精度超聲波到達時刻的檢測方法N,吉林大學通信工程學院 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