金屬板材的自動化超聲檢測系統(tǒng)的研制

周原

摘 要：為提高航空金屬合金板材超聲探傷的效率和準(zhǔn)確性，并可以更加清晰直觀的顯示探傷結(jié)果，設(shè)計并制造了一種自動化掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以移動至板材貯存車間，自動完成金屬板材的原位超聲檢測，并保存B掃和C掃圖像。目前該設(shè)備在實際運用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：超聲檢測；金屬板材；航空；自動化；原位檢測

中圖分類號：TH878.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0011-02

Abstract： In order to improve the efficiency and accuracy of ultrasonic flaw detection for aeronautical metal alloy sheet， and to display the inspection result more clearly and intuitively， an automatic scanning system is designed and manufactured. The system can be moved to the plate storage workshop， automatically complete the in-situ ultrasonic detection of the metal plate， and save the B-scan and C-scan images. At present， the equipment has achieved good results in practical use.

Keywords： ultrasonic testing； metal sheet； aeronautical； automation； in-situ testing

1 概述

鋁合金、鈦合金等金屬板材具有密度小、強度高、耐腐蝕性好、加工性能優(yōu)良等優(yōu)點，被大量用于航空器蒙皮、粱、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件的制造。隨著大飛機項目的開展，越來越多的金屬板材被采購用于制造飛機零部件，對金屬板材進行的入廠驗收成為了保證飛行器安全的第一道關(guān)口。

超聲波探傷是一種利用超聲波在物體內(nèi)部傳播時如果遇到裂紋、氣泡等缺陷時會發(fā)生反射和折射的原理，通過探測器讀取反射波的強度和間隔，來判斷缺陷的深度和形式。所以超聲波探傷是檢測原材料內(nèi)部缺陷最常用的方法之一。

目前各大飛機制造廠對金屬板材的入廠無損檢測大多采用手動A型超聲波掃描的方式進行驗收，由于單塊金屬板材的尺寸一般在3m×1.6mm左右，這種檢測方式的效率比較低。當(dāng)需檢測大量金屬合金原材料時，低效率的無損檢測手段會導(dǎo)致大量原材料堆積，無法進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，嚴重影響生產(chǎn)計劃的開展。同時，探傷人員需在移動探頭的同時監(jiān)視儀器上的波形顯示，注意力被分散，且長時間檢測容易視力疲勞，可能造成檢測結(jié)果判斷疏漏或者不能達到100%檢測率。且由于板材面積大，需不斷搬動設(shè)備，對檢測造成不方便。為了確保材料檢驗的準(zhǔn)確性，就需要研制一種可以方便移動至檢測現(xiàn)場的自動化檢測設(shè)備。

2 檢測手段現(xiàn)狀

目前，我國對金屬板材的自動化檢測主要使用固定式超聲探傷設(shè)備[1]，這種設(shè)備的效率較高，在檢測時將幾十上百個探頭固定在板材上方，當(dāng)板材通過探頭時檢測設(shè)備記錄該板材的檢測數(shù)據(jù)并檢測是否存在缺陷。這種檢測方式有著檢測速度快、效率高、檢測精度高等優(yōu)勢。但是這種設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，占用場地較大，需配置大型工裝設(shè)備搬動金屬板材進行檢測。

現(xiàn)場檢測一般采用手工檢測，無損探傷人員使用手持式便攜超聲檢測設(shè)備在板材表面逐行檢查最終獲得檢測數(shù)據(jù)。這種檢測方式存在較大的人為誤差風(fēng)險，檢測效率低，勞動強度大，單位時間檢測面積小，漏檢可能性大和隨機性大，容易造成威脅工程質(zhì)量的隱患。

因此，研制一種針對小批量大尺寸中厚金屬板材的現(xiàn)場自動化檢測設(shè)備，以克服便攜式設(shè)備自動化程度低、勞動強度大、漏檢率高，大型自動設(shè)備投資大、檢測地點固定等缺點的自動檢測設(shè)備是十分必要的。[1-5]

3 系統(tǒng)組成和檢測原理

系統(tǒng)組成：

整個系統(tǒng)包括控制終端、電腦主機、多通道探傷儀、掃查系統(tǒng)、系統(tǒng)檢測軟件以及耦合系統(tǒng)等主要部分。多通道探傷儀安裝于掃查機械系統(tǒng)上，通過光纖專用控制線路使其相互連接通信。整個系統(tǒng)采用便攜式、模塊化設(shè)計，可以移動到其它地點進行金屬板的原位自動化檢測，系統(tǒng)示意圖如下（圖1）。

3.1 機械系統(tǒng)

掃查機械系統(tǒng)如圖1所示，主要由縱向滾動模組、橫向滑動模組、探頭夾具、耦合系統(tǒng)等幾部分組成。運動模組采用線性模組實現(xiàn)探頭平面方向的橫向、縱向兩種方向的運動。且該設(shè)備可以在600mm-1500mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)檢測寬度，以適應(yīng)被測板材的寬度。而縱向移動則是由履帶式前進機構(gòu)完成。經(jīng)計量該設(shè)備在橫向重復(fù)定位精度小于1mm，縱向定位精度小于2mm。

由于掃查過程中會出現(xiàn)金屬板材兩端的盲區(qū)，探頭上下運動模組裝有兩個探頭，在縱向上相隔固定距離，以完成對兩端盲區(qū)的檢測，系統(tǒng)軟件將檢測結(jié)果融合于統(tǒng)一的檢測圖中。

在垂直方向上為確保探頭與被測表面間的耦合，采用機械式的導(dǎo)柱確保探頭下壓方向垂直與板材表面；為了更好的耦合，探頭與板材之間應(yīng)存在一定的壓力，為此在導(dǎo)柱和探頭夾具的結(jié)合處安裝了彈簧調(diào)節(jié)裝置用以調(diào)整探頭與工件表面壓力，保證檢測過程中的藕合可靠性，確保檢測效果。當(dāng)設(shè)備無需進行掃描時（即非掃描移動（空程或懸停）時），探頭與被檢表面脫離接觸。

3.2 超聲探傷儀

使用南通友聯(lián)公司生產(chǎn)的MCH型系列數(shù)字探傷儀。這種探傷設(shè)備可以與控制計算機聯(lián)合使用。該設(shè)備以數(shù)字化控制和數(shù)據(jù)采集與處理、波形顯示為核心。可實現(xiàn)閘門調(diào)節(jié)、探傷靈敏度調(diào)節(jié)，聲速設(shè)置、零點調(diào)校、深度定位等功能，并且各通道均能獨立完成探傷功能。

3.3 軟件控制

檢測系統(tǒng)軟件可根據(jù)用戶需求定制，設(shè)計采用模塊化設(shè)計，各功能模塊相互獨立，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時也為今后系統(tǒng)升級預(yù)留了接口。檢測系統(tǒng)軟件具有如下功能：

（1）探傷信息輸入

現(xiàn)場探傷檢測開始時，可進行檢測人員、檢測時間、工件名稱、工件信息、編號等探傷信息的輸入與修改。

（2）探傷工藝設(shè)定

根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)，測試和設(shè)置探傷所需的各項參數(shù)，如探頭零點、角度、前沿等的測試，不同規(guī)格工件探傷的靈敏度、聲程標(biāo)度、聲程范圍、延時、波門參數(shù)等的設(shè)置，探傷工藝可保存和調(diào)用。

（3）探傷檢測操作

調(diào)用已制作的探傷工藝，對實際工件進行探傷操作，分析并顯示檢測結(jié)果，并記錄探傷數(shù)據(jù)。

探傷界面可同時顯示單通道的A掃描波形，顯示真實回波信號的幅值，每個通道設(shè)立掃查增益調(diào)節(jié)功能，可獨立調(diào)節(jié)。根據(jù)檢測位置信息，連續(xù)顯示各通道模擬測量數(shù)據(jù)（門內(nèi)最高回波幅值的連續(xù)記錄）以及對應(yīng)的數(shù)字報警信息（超標(biāo)回波的同步報警）的圖像。

每個工件探傷開始時，需輸入工件詳細信息；探傷結(jié)束時，可記錄工件信息及所有實時A掃波形數(shù)據(jù)以及檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)據(jù)如位置坐標(biāo)和缺陷當(dāng)量，根據(jù)A掃波形及掃查裝置的反饋信號，探傷軟件將實時計算出整個板材檢測的C掃和B掃圖像。

（4）探傷數(shù)據(jù)分析

制作專業(yè)的離線分析軟件，具有探傷數(shù)據(jù)檢索（日期、人員、工件編號）、打開、回放、分析判斷、打印、刪除等功能。

4 使用效果

為了驗證設(shè)備性能，按ASTM 127制作了一塊材料為7050-T6狀態(tài)的對比試塊，并在對比試塊上預(yù)埋了4個？椎1.2mm的平底孔，這四個孔的埋深分別為60mm、50mm、40mm以及30mm，其掃查圖像如下（圖2）

從該圖的下半部分的C掃描圖像中可以看出4個預(yù)埋缺陷均被檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在軟件中逐一點開缺陷部位的A掃描圖像后，可以讀出缺陷的當(dāng)量和埋深（圖2）。

經(jīng)過現(xiàn)場檢驗設(shè)備能力以及對比手動掃查結(jié)果的信息，自動化可移動超聲檢測系統(tǒng)滿足了日益發(fā)展的生產(chǎn)節(jié)奏需求，探傷過程達到了相關(guān)技術(shù)文件的要求。自動化可移動超聲檢測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用，更新了上飛公司板材入廠復(fù)驗的手段。

5 結(jié)束語

該設(shè)備的依據(jù)AMS、大客及支線等相關(guān)規(guī)范的要求進行設(shè)計，可確定缺陷的位置、埋深，提高了探傷的智能化程度，同時避免了操作者人為原因造成的評判差異，該設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲功能還能保證檢測數(shù)據(jù)的可追溯性。

自動化可移動超聲檢測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用，為上飛公司的金屬板材入廠復(fù)驗提供了可靠的質(zhì)量保證和檢測效率保障。在支線飛機即將批量生產(chǎn)、大客飛機研制進入攻堅階段的背景下，保證大批量金屬板材入廠復(fù)驗的效率和準(zhǔn)確性，能顯著減輕公司的物流壓力，同時為上飛公司節(jié)約了人力成本、創(chuàng)下了顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]石增強，程洪杰，謝建，等.大型圓筒件超聲檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].無損檢測，2005，27（9）：475-478.

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