內(nèi)壁不規(guī)則筒型構(gòu)件的無損檢測(cè)

高　瑜，張艷花，楊　錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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內(nèi)壁不規(guī)則筒型構(gòu)件的無損檢測(cè)

高瑜，張艷花，楊錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要：內(nèi)壁不規(guī)則的筒型構(gòu)件由于在其內(nèi)壁上存在臺(tái)階和棱角，所以對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生棱角波和臺(tái)階波等干擾。這些干擾信號(hào)夾雜在缺陷信號(hào)中很難區(qū)分，容易出現(xiàn)漏檢和誤判。因此設(shè)計(jì)一套專門檢測(cè)該類構(gòu)件的無損檢測(cè)系統(tǒng)十分重要。通過對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)以及缺陷特點(diǎn)的分析，提出用超聲爬坡與多探頭組合的方法，并結(jié)合損耗補(bǔ)償算法來提取缺陷信號(hào)。從而達(dá)到了對(duì)構(gòu)件缺陷的有效識(shí)別，極大地減少了漏檢率跟誤判率。采用多通道數(shù)字超聲系統(tǒng)能夠提高檢測(cè)的效率，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)不規(guī)則構(gòu)件的無損檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；超聲爬坡；筒型構(gòu)件；損耗補(bǔ)償

當(dāng)今社會(huì)無損檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量都有很重要的作用。不規(guī)則的筒型構(gòu)件經(jīng)常是炮彈、軸承等的制作材料，這些產(chǎn)品的材料中如果存在氣孔、夾雜、裂縫等缺陷的話，有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量事故。所以對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)具有很重要的意義。

1構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與缺陷特點(diǎn)

構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，此類構(gòu)件由圓弧型薄壁管和小直徑實(shí)棒組成，外徑為30 mm。圓弧型管的內(nèi)壁呈六邊形，因此在內(nèi)壁存在棱角，當(dāng)探頭掃查時(shí)棱角會(huì)反射超聲波，產(chǎn)生干擾信號(hào)。我們把與軸線平行的徑向缺陷稱為縱向缺陷，與軸線垂直的徑向缺陷稱為橫向缺陷[1]。

圖1　構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖

本次被檢構(gòu)件缺陷的類型主要有：分布于管壁內(nèi)部與外部的橫向缺陷跟縱向缺陷，以及分布于實(shí)棒部分的孔型缺陷。缺陷分布如圖2所示。

圖2　構(gòu)件缺陷分布

2檢測(cè)原理

根據(jù)聲學(xué)原理，當(dāng)超聲波從傳播速度小的介質(zhì)入射到傳播速度大的介質(zhì)時(shí)，入射角增大折射角也增大。當(dāng)入射角α=arcsin(C1l/C2l)時(shí)，縱波在聲速大的介質(zhì)中的縱波折射角等于90°，這時(shí)的入射角α稱為第一臨界角。此時(shí)折射縱波將沿界面?zhèn)鞑?，把沿材料表面下一定距離處的折射縱波和表面橫波之間的峰值波稱為爬波[2]。C1l為入射縱波在波速較小介質(zhì)中縱波的聲速，Cl2為入射縱波在波速較大介質(zhì)中折射縱波的聲速。

爬波的聲速和波長(zhǎng)較大因此在表面的散射較弱，具有對(duì)表面的粗糙不敏感的特性。另外，爬波衰減較快，因此只對(duì)表面附近的缺陷敏感，適合檢測(cè)薄壁構(gòu)件。調(diào)整縱波的入射角可以改變爬波在材料內(nèi)部主能量的方向，可以使反射回波具有更好的檢測(cè)靈敏度[3-5]。所以選擇爬波原理來對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。

在超聲檢測(cè)中，回波信號(hào)的能量強(qiáng)弱與超聲波的入射方向和缺陷位置有關(guān)，所以針對(duì)不同的缺陷類型，我們?cè)O(shè)置不同的探頭來進(jìn)行檢測(cè)。由于工件的曲率大，為了減少表面散射，實(shí)驗(yàn)中采用水浸聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)。探頭的設(shè)置如圖3所示。

軸向探頭采用2.5 MHz的點(diǎn)聚焦探頭，該探頭用來檢測(cè)管壁內(nèi)和實(shí)心棒表面以及內(nèi)部的橫向缺陷；垂直探頭采用5 MHz的點(diǎn)聚焦探頭，該探頭用來檢測(cè)實(shí)心棒內(nèi)部的缺陷；軸向探頭用2.5 MHz的線聚焦探頭，用來檢測(cè)管壁內(nèi)部和實(shí)心棒表面及內(nèi)部的縱向缺陷。

3軟硬件部分

系統(tǒng)的軟件部分是由VC編寫的上位機(jī)程序，硬件部分包括：PLC控制系統(tǒng)、8通道超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字超聲處理系統(tǒng)、探頭、檢測(cè)平臺(tái)。每個(gè)工件有三個(gè)通道負(fù)責(zé)檢測(cè)，每個(gè)通道都由放大電路、檢波電路、門選電路、峰值保持電路組成，可以對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。每個(gè)通道的工作框圖如圖4所示，整體系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4　單通道工作框圖

圖5　檢測(cè)系統(tǒng)框圖

4算法簡(jiǎn)介

對(duì)于夾雜棱角波與臺(tái)階波的缺陷信號(hào)，我們先對(duì)其進(jìn)行10點(diǎn)滑動(dòng)平均處理，由于缺陷對(duì)超聲波的反射比棱角的反射強(qiáng)，所以缺陷回波的能量比棱角波的能量要高很多。而臺(tái)階波的能量當(dāng)靠近臺(tái)階時(shí)增加，遠(yuǎn)離臺(tái)階時(shí)減小，經(jīng)過滑動(dòng)平均處理可以極大地提高信噪比。但在滑動(dòng)平均處理時(shí)有能量的損耗，所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行損耗補(bǔ)償，并進(jìn)行歸一化處理，這樣就可以很好地去除棱角波。損耗補(bǔ)償系數(shù)隨回波信號(hào)能量變化反應(yīng)出回波信號(hào)中是否包含缺陷信號(hào)，最后通過閾值判傷可以識(shí)別缺陷信號(hào)。

恢復(fù)的缺陷信號(hào)：X[n]=Y[n]×x[n]，x[n]為需處理的信號(hào)。

對(duì)于臺(tái)階波，其回波能量在接近臺(tái)階時(shí)增加，遠(yuǎn)離臺(tái)階時(shí)減小。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于管壁的縱向缺陷會(huì)夾雜棱角波，橫向缺陷會(huì)夾雜臺(tái)階波，所以我們對(duì)工件進(jìn)行人工刻傷時(shí)取3種類型的傷，分別在管壁內(nèi)壁刻橫向跟縱向的傷，在實(shí)心部分刻一個(gè)孔。橫傷與縱傷的大小為：長(zhǎng)10mm，寬0.2mm，深0.2mm?？椎闹睆綖?.8mm，長(zhǎng)5mm。實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果如圖6，圖7，圖8所示。

圖6　有臺(tái)階波的橫向缺陷

圖7　有棱角波的縱向缺陷

圖8　孔型缺陷

6結(jié)論

1) 由圖可以看出，滑動(dòng)平均與損耗補(bǔ)償算法有效地濾去了臺(tái)階波與棱角波的干擾，提取出缺陷信號(hào)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件的無損檢測(cè)。

2) 由于探頭的步進(jìn)速度為8mm/s，工件的旋轉(zhuǎn)速度為300r/min，所以當(dāng)探頭靠近缺陷處與遠(yuǎn)離缺陷處時(shí)，信號(hào)波形會(huì)呈現(xiàn)出周期性遞增與遞減特性。而實(shí)際的信號(hào)波形與此正好吻合。說明檢測(cè)效果良好。

3) 通過對(duì)多件有傷的工件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏檢率為0，誤判率也為0，完全可以滿足在線生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]全國(guó)鍋爐壓力容器無損檢測(cè)人員資格考核委員會(huì).超聲波探傷[M].北京：中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社,1995:173-188.

[2]李家偉，陳積懋.無損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:155-221.

[3]江山，霍立興.表面及進(jìn)表面裂紋的爬波無損檢測(cè)[J].無損檢測(cè)，2005,29(3):7-11.

[4]廉德良，魏天陽.薄壁管材探傷用爬波探頭的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].無損檢測(cè),2004,26(7):352-354.

[5]廉德良，魏天陽.超聲爬波探頭聲場(chǎng)指向特性實(shí)驗(yàn)研究[J].無損檢測(cè)，2005,29(7):479-481.

Nondestructive Testing for the Cylinder Component with Irregular Lining

Gao Yu, Zhang Yanhua, Yang Lu

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:In the irregular inner wall of cylinder type structure, there are steps and edges, so the nondestructive testing for it will be interfered by angular wave and steps wave. The interference signal is difficult to be distinguished among the detect signals, so the missed detecting and judging may easily occur. Therefore, it is very important to design a set of non destructive testing system to detect this kind of component. Based on the analysis on the component structure and the characteristics of defect, a new method is proposed, which is combined with the ultrasonic climbing and multi probe, and the defect signal is extracted with the loss compensation algorithm so as to achieve the effective recognition of component defects. It greatly improves the detection rate and false alarm rate. Multi channel digital ultrasonic system can improve the efficiency of detection, and it can realize the nondestructive testing for irregular components.

Key words:nondestructive testing; ultrasonic climbing; tube type; loss compensation

中圖分類號(hào)：TM933

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0038- 02

作者簡(jiǎn)介：高瑜(1989- )，男，山西呂梁人，碩士，研究方向：無損檢測(cè)。

收稿日期：2015-11-19