小直徑銅棒的超聲波自動檢測系統(tǒng)應(yīng)用

楊順民，董曉麗，宋文愛，楊 錄

（1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，太原 030051）

小直徑銅棒是火工品生產(chǎn)中常用原材料之一，其質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)火工品的性能。因構(gòu)件尺寸太小且復(fù)雜，實(shí)施檢測難度較大，只能通過檢測加工前的原材料，從中挑選出優(yōu)質(zhì)棒材來保證加工構(gòu)件的質(zhì)量和性能。目前，棒料檢測主要分布在兩個(gè)階段進(jìn)行，其一是在生產(chǎn)過程中的抽檢（在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，不能滿足火工品質(zhì)量要求）；其二是使用方在加工產(chǎn)品前對棒料進(jìn)行端口抽檢，該檢測方法既造成太大浪費(fèi)，又容易漏檢，經(jīng)常在加工過程中出現(xiàn)因缺陷引起的工件破裂，或者在工件使用過程中出現(xiàn)故障引發(fā)嚴(yán)重事故，輕者造成設(shè)備損壞，重者造成人員傷亡等惡性事件。因此，嚴(yán)格而有效地對棒料進(jìn)行無損檢測，成為保證火工品質(zhì)量和性能的重要手段。

1 小直徑銅棒的檢測方法

銅棒是將坯料經(jīng)過軋機(jī)軋制而成的，這類半成品在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷既有內(nèi)部的也有表面的。內(nèi)部缺陷是由錠、坯內(nèi)存在的雜質(zhì)在軋制過程中延展而成，主要是在中心部位的縮孔和夾雜物，還有在軋制過程中以這些缺陷為起點(diǎn)而產(chǎn)生的裂紋等。這類缺陷一般都沿縱軸延展，當(dāng)軋制變形量較大時(shí)，缺陷也會變得更長些［1］。目前，國內(nèi)外對棒材進(jìn)行無損檢測的常用方法有磁粉、渦流、漏磁、超聲波等。液體滲透檢測只能檢查試件表面的開口缺陷，對于埋藏在表面下或內(nèi)部的缺陷則無能為力；熒光磁粉探傷靈敏度高，容易檢測到微小裂紋，但檢測結(jié)果受人為因素的影響較大，可用于各種材料表面細(xì)小缺陷的探傷；渦流探傷主要用于棒材近表面缺陷的檢測，無法對棒材內(nèi)部較深的缺陷進(jìn)行檢測；漏磁法檢測是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率特性之上，適用于各種鐵磁材料，可以檢測出裂紋、腐蝕等缺陷，并可以判別缺陷的位置；超聲波檢測主要用來探測棒材的縱、橫向缺陷，有較高的檢測靈敏度，對棒材中的裂紋、直道等缺陷比較敏感，也能探測出非金屬夾雜等體積型缺陷。因此，其適用于檢驗(yàn)質(zhì)量要求較高的棒材和管料及板材等，其缺點(diǎn)是檢測速度較慢，一般作為高質(zhì)量材料的離線檢驗(yàn)手段。因此，采用超聲波方法對φ2.5～15mm的銅質(zhì)棒材進(jìn)行無損探傷成為最佳選擇［2－3］，而對于φ2.5mm以下的銅質(zhì)棒材和絲材采用渦流檢測是首選。

2 小直徑銅棒超聲波檢測原理

檢測原理如圖1所示，采用一發(fā)一收的聯(lián)合縱波雙探頭（TR探頭）并輔以表面波單探頭進(jìn)行水浸檢測?？v波雙探頭為頻率5MHz，焦距20mm，晶片直徑為12mm的點(diǎn)聚焦探頭，主要負(fù)責(zé)銅棒內(nèi)部缺陷的檢測；表面波單探頭頻率為2.5MHz，焦距為20mm，晶片直徑為12mm的線聚焦探頭，主要負(fù)責(zé)表面缺陷和近表面缺陷的檢測。表面波探頭入射角的計(jì)算如式下所示［4－5］：

式中：σ＝0.35，為黃銅的泊松比；ct＝2 050m／s，為黃銅的橫波速度；cr為黃銅中表面波的速度；cl＝1 480m／s，為耦合劑水的縱波速度。

圖1 銅棒檢測探頭布置示意圖

3 超聲波檢測系統(tǒng)組成

超聲波檢測系統(tǒng)組成如圖2所示，主要有工控計(jì)算機(jī)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)射接收電路、信號調(diào)理電路、水浸組合探頭裝置、探頭盒拖動裝置、銅棒旋轉(zhuǎn)裝置以及缺陷打標(biāo)裝置。工控計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡與信號調(diào)理電路相連，完成檢波信號的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號處理、檢測結(jié)果顯示、報(bào)表打印等功能。工控計(jì)算機(jī)通過RS232串口與單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)控制缺陷打標(biāo)裝置、探頭盒拖動裝置、銅棒旋轉(zhuǎn)裝置及發(fā)射接收電路的啟停。缺陷打標(biāo)裝置在有缺陷的銅棒上噴涂顏料以標(biāo)記缺陷的具體位置；探頭盒拖動裝置拖動水浸組合探頭盒完成對銅棒軸向的掃描檢測；銅棒旋轉(zhuǎn)裝置帶動銅棒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水浸組合探頭對銅棒周向掃描檢測。發(fā)射接收電路負(fù)責(zé)組合探頭觸發(fā)以產(chǎn)生回波信號；信號調(diào)理電路完成對超聲全波信號的峰值保持以獲取檢波信號。檢測過程完全由工控計(jì)算機(jī)開發(fā)的檢測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)自動控制，用戶只需打開檢測系統(tǒng)軟件，點(diǎn)擊“開始檢測”，系統(tǒng)即可自動啟動探頭盒拖動電機(jī)、銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)、發(fā)射接收電路、數(shù)據(jù)采集卡、缺陷打標(biāo)裝置等進(jìn)行同步協(xié)調(diào)工作，棒材檢測長度最長為1 800mm，檢測到銅棒末端時(shí)探頭盒觸到限位開關(guān)表示檢測過程結(jié)束。檢測過程中，在探頭盒拖動電機(jī)和銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)的共同作用下實(shí)現(xiàn)組合探頭對銅棒的螺旋掃描檢測。探頭盒拖動電機(jī)的行進(jìn)速度為30mm／min，銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)／min，棒材旋轉(zhuǎn)一周約為300ms，每1ms觸發(fā)探傷儀1次，獲取探傷儀全波列信號中缺陷波信號的一個(gè)最高峰值點(diǎn)。棒材旋轉(zhuǎn)一周采樣約300點(diǎn)，以φ15mm的棒材為例，棒材的周長47.1mm，周向分辨力為0.157mm，所得數(shù)據(jù)波形稱為檢波信號，檢波信號長度為500ms（即500點(diǎn)的數(shù)據(jù)長度）。

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)

4 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如圖3～8所示。由于系統(tǒng)采用縱波穿透和表面波反射的組合探頭進(jìn)行檢測，因此，所有檢測結(jié)果中上半部分波形為縱波穿透法獲取的底波峰值信號。當(dāng)沒有缺陷時(shí)，縱波接收探頭獲取的底波峰值為4V左右的信號；當(dāng)有缺陷時(shí)，由于缺陷的存在，發(fā)射探頭的能量被部分或全部反射，因此，縱波接收探頭獲取的底波峰值為低于4V的信號。所有檢測結(jié)果中下半部分波形為表面波反射法獲取的缺陷波峰值信號。當(dāng)沒有缺陷時(shí)，表面波探頭獲取的是幅度和時(shí)間寬度都很小的少量的干擾波形峰值信號；當(dāng)有缺陷時(shí)，表面波探頭獲取的幅度和時(shí)間寬度都很大的缺陷波形峰值信號。這是因?yàn)楸砻娌ㄌ筋^的缺陷信號受到銅棒表面的油污、光潔度的影響較大，因此表面波信號中有少量的干擾信號，可以通過檢測前清理表面油污以及抑制波形噪聲、降低靈敏度的方法來提高表面波信號的信噪比。其中，圖3～5為φ15mm 銅棒上直徑分別為0.5，0.8，1.0mm，深度為1／4D（D 為棒徑，即深度3.75mm）標(biāo)準(zhǔn)平底孔當(dāng)量缺陷檢測結(jié)果。從圖3～5中可以看出，在平底孔深度相同的情況下，隨著直徑的增大，縱波穿透探頭所獲取的底波波形峰值在幅度和時(shí)間寬度上都在增加，具有較好的線性關(guān)系；表面波探頭所獲取的缺陷波波形峰值由于受銅棒表面光潔度的影響，隨著平底孔直徑的增大，在幅度和時(shí)間寬度上變化不大，因此，只體現(xiàn)了缺陷有無的判定依據(jù)。圖6～8檢測結(jié)果為φ2.5mm銅棒上直徑分別為0.5，0.8，1.0mm，深 度 為 1／4D （即 深 度0.625mm）標(biāo)準(zhǔn)平底孔當(dāng)量缺陷。從圖6～8可以看出，縱波探頭體現(xiàn)了定量檢測的判定依據(jù)，表面波探頭提供了定性檢測的判定依據(jù)。對于同為直徑0.5mm、深度1／4D的平底人工孔的標(biāo)準(zhǔn)缺陷，在φ2.5mm銅棒上獲取的縱波穿透探頭信號在幅度和時(shí)間寬度上大于φ15mm的銅棒，體現(xiàn)了較好的線性定量檢測關(guān)系。因?yàn)棣?.5mm的孔對于φ15mm的銅棒是小缺陷，而對于φ2.5mm的銅棒是大缺陷，因此，縱波探頭獲取的底波波形峰值信號不同。另外，檢測小于φ6mm的銅棒時(shí)，由于檢測探頭的晶片為φ12mm，在實(shí)際檢測過程中需加擋聲板，以保證發(fā)射探頭的能量集中在銅棒中，從而達(dá)到最好的檢測效果。

圖3 φ15mm銅棒上φ0.5mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖4 φ15mm銅棒上φ0.8mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖5 φ15mm銅棒上φ1.0mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖6 φ2.5mm銅棒上φ0.5mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

5 結(jié)論

采用脈沖反射法的表面波和穿透法的縱波相結(jié)合的方法，可以實(shí)現(xiàn)對φ2.5～15mm銅質(zhì)棒材的超聲自動檢測?？v波穿透探頭在深度相同的情況下，隨著人工平底孔直徑的增加，所獲取的底波波形峰值信號在幅度和時(shí)間寬度上也隨之增加，體現(xiàn)了較好的定量檢測特性，為判定缺陷的大小提供了判定依據(jù)；表面波反射探頭在深度相同的情況下，隨著人工平底孔直徑的增加，所獲取的缺陷波形峰值信號在幅度和時(shí)間寬度上變化并不明顯，只體現(xiàn)了定性檢測特性，可為判定缺陷的有無提供判定依據(jù)。檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)的研制較好地解決了對φ2.5～15mm銅質(zhì)棒材的定性定量超聲檢測，達(dá)到了工程應(yīng)用的檢測要求。

圖7 φ2.5mm銅棒上φ0.8mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

圖8 φ2.5mm銅棒上φ1.0mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：184－191.

［2］ 馮若.超聲手冊［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2006：342－343.

［3］ 蔣危平，方京.超聲檢測學(xué)［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1991：124－155.

［4］ 胡智，劉偉成，彭應(yīng)秋.小直徑棒材超聲檢測方法研究［J］.南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（9）：16－18.

［5］ 鄒明，陳曉.超聲波檢測技術(shù)研究進(jìn)展［J］.世界科技研究與進(jìn)展，2010（4）：198－199.