探頭旋轉(zhuǎn)設(shè)備中多探頭布置與橫向檢測螺距的關(guān)系

嚴(yán)欣賢，周友鵬，王子成，左義鋒

(武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，武漢 430068)

探頭旋轉(zhuǎn)技術(shù)是一種檢測速度較高的螺旋掃查技術(shù)，國內(nèi)的探頭旋轉(zhuǎn)技術(shù)主要是從跟蹤、學(xué)習(xí)國外的探頭旋轉(zhuǎn)技術(shù)發(fā)展而來的，國內(nèi)探頭旋轉(zhuǎn)檢測設(shè)備的發(fā)展壯大使得國內(nèi)的探頭旋轉(zhuǎn)檢測技術(shù)越來越成熟[1]。目前，針對如何確定螺距、如何布置探頭等的分析還較少，以下僅對多探頭布置與檢測螺距的關(guān)系進(jìn)行模擬分析，為相關(guān)技術(shù)人員提供借鑒和參考。

1 組合式多探頭結(jié)構(gòu)

在探頭旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)速一定的情況下，為了進(jìn)一步提高檢測速度，需要增加探頭的數(shù)量。采用單晶片的獨(dú)立探頭時(shí)，由于探頭晶片外部有外殼，所以隨著探頭數(shù)量的增多，旋轉(zhuǎn)探頭的結(jié)構(gòu)會(huì)增大。為了減小結(jié)構(gòu)體積，后來出現(xiàn)了組合式多探頭。組合式多探頭是由一整塊晶片通過后期的切割做成的多個(gè)探頭，由于組合式多探頭共用一個(gè)外殼，所以相對于多個(gè)單體探頭，其具有結(jié)構(gòu)更緊湊、探頭有效覆蓋區(qū)之間的非檢測區(qū)間更小的特點(diǎn)，因此在探頭旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的應(yīng)用更加廣泛。其盡管是組合晶片，但晶片之間的有效覆蓋區(qū)域也不能完全搭接，組合晶片長度與單晶片覆蓋長度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 組合晶片長度與單晶片覆蓋長度之間的關(guān)系

2 多探頭布置與螺距的關(guān)系

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4082-2011《鋼管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)綜合性能測試方法》與GB/T 5777《無縫鋼管超聲波探傷方法》，超聲波自動(dòng)化設(shè)備可用于檢測無縫鋼管的縱向、橫向缺陷，通常所說的檢測速度也是設(shè)備對于縱向缺陷的檢測速度[2-3]。由于橫向缺陷在探頭長度方向的尺寸更小(最大寬度不超過1.5 mm)，所以對于縱橫向都需要檢測的設(shè)備，橫向缺陷的探頭覆蓋區(qū)域、檢測速度對設(shè)備的影響更大，為了避免設(shè)備漏報(bào)，以檢測橫向缺陷的組合探頭為例，對探頭布置與螺距進(jìn)行分析。

2.1 橫向缺陷檢測探頭

橫向檢測用組合探頭的單個(gè)晶片尺寸(長×寬)為12 mm×14 mm，單個(gè)晶片-6 dB的有效檢測區(qū)域?yàn)?.8 mm(大于晶片尺寸的0.5倍)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4082和GB/T 5777，橫向檢測為雙向檢測，為了研究方便，僅以單向檢測用的橫向檢測探頭為例進(jìn)行分析。為了實(shí)現(xiàn)工件正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的正常檢測，同向檢測的探頭應(yīng)在一個(gè)圓周上均勻分布。

2.1.1 2個(gè)探頭180°布置

2個(gè)探頭分為2組，每組1個(gè)探頭，且在螺釘圓周上為180°分布。2個(gè)探頭的布置及檢測方法示意如圖2所示，其檢測參數(shù)如表1所示。

表1 2個(gè)探頭的檢測參數(shù) mm

圖2 2個(gè)探頭的布置及檢測方法示意

圖2(a)中黃色部分表示右側(cè)探頭的檢測區(qū)域，藍(lán)色部分表示左側(cè)探頭的檢測區(qū)域，凸起的白色區(qū)域表示該區(qū)域漏檢,探頭軸向距離表示呈180°分布的2個(gè)探頭在工件軸向投影的位置距離。

2個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意如圖3所示，圖3中的探頭1,2表示設(shè)計(jì)的探頭，陰影部分表示探頭的有效覆蓋，鋼管左邊的探頭2和鋼管右邊的探頭1在回轉(zhuǎn)腔體的位置上相差180°，所以當(dāng)探頭1單獨(dú)運(yùn)動(dòng)到探頭2的位置時(shí)，探頭1與初始位置相差半個(gè)螺距。位于鋼管左邊的探頭2可上下移動(dòng)，表示探頭1和探頭2之間的初始相對位置差。從鋼管右側(cè)的圖形分析可知，為了確保橫向檢測100%覆蓋，當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)探頭的覆蓋區(qū)剛好接觸時(shí)，兩個(gè)探頭的有效覆蓋區(qū)域最大。此時(shí)探頭1、探頭2在鋼管長度方向上齊平。

圖3 2個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意

從以上分析可以看出，對于2組探頭，實(shí)現(xiàn)100%覆蓋時(shí)，探頭分布和螺距之間有如下關(guān)系。

(1) 探頭在軸向沿長度方向距離差為0 mm。

(2) 橫向檢測的最大螺距為13.6 mm。

(3) 組合探頭的覆蓋區(qū)長度為首尾探頭的有效覆蓋長度之和。

2.1.2 4個(gè)探頭180°布置(2組合晶片)

4個(gè)探頭分2組，每組2個(gè)探頭，且每組之間在圓周上為180°分布。4個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距如表2所示，其布置及檢測方法示意如圖4所示。

圖4 4個(gè)探頭的布置及檢測方法示意

表2 4個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距 mm

圖4中，當(dāng)螺距減到26 mm時(shí)，探頭之間還存在0.4 mm的區(qū)域漏檢，實(shí)際的螺距=探頭長度+2×單晶片覆蓋長度，無漏檢時(shí)，探頭軸向距離為單晶片覆蓋。

4個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意如圖5所示，圖5中的探頭1～4表示設(shè)計(jì)的探頭，陰影部分表示探頭的有效覆蓋區(qū)域，鋼管左邊的探頭1，2和鋼管右邊的探頭3，4在回轉(zhuǎn)腔體的空間位置上相差180°，所以左右兩側(cè)的探頭組(3，4)位置相差半個(gè)螺距。位于鋼管左邊的探頭1，2可上下移動(dòng)的距離，表示探頭1，2和探頭3，4之間的初始相對位置差。從鋼管右側(cè)的圖形分析可知，為了確保橫向檢測100%覆蓋，當(dāng)且僅當(dāng)探頭1，3或探頭2，4的覆蓋區(qū)剛好接觸時(shí)，4個(gè)探頭的有效覆蓋區(qū)域最大。此時(shí)探頭1，3在鋼管長度方向的位置差為半個(gè)螺距減去1個(gè)探頭的有效覆蓋長度。

圖5 4個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意

從以上分析可知，對于2組各2個(gè)探頭，實(shí)現(xiàn)100%覆蓋時(shí)，探頭分布和螺距之間有如下關(guān)系。

(1) 探頭在軸向沿長度方向距離差為6 mm(半螺距減去1個(gè)晶片的覆蓋區(qū)域長度)。

(2) 橫向檢測的最大螺距為25.6 mm。

(3) 組合探頭的覆蓋區(qū)間長度為前后2個(gè)覆蓋區(qū)之和再加上一個(gè)晶片的長度。

2.1.3 6個(gè)探頭180°布置(三組合晶片)

6個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距如表3所示，6個(gè)探頭的布置和檢測方法示意如圖6所示。

表3 6個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距 mm

圖6的三維圖中黃色部分表示右側(cè)探頭的檢測區(qū)域，藍(lán)色部分表示左側(cè)探頭的檢測區(qū)域，凸起的白色區(qū)域表示該區(qū)域漏檢，探頭軸向距離表示呈180°分布的兩個(gè)探頭在工件軸向投影的位置距離。

圖6 6個(gè)探頭的布置及檢測方法示意

6個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意如圖7所示，圖7中的探頭1～6表示設(shè)計(jì)的探頭，陰影部分表示探頭的有效覆蓋區(qū)域，在鋼管左邊有探頭1～3，鋼管右邊有探頭4～6。由于鋼管左右兩側(cè)的探頭4～6位置相差180°，所以左右兩側(cè)的4～6探頭組位置相差半個(gè)螺距。位于鋼管左邊的探頭1～3可上下移動(dòng)的距離，表示探頭1～3和探頭4～6之間的初始相對位置差。從鋼管右側(cè)的圖形分析可知，為了確保橫向檢測100%覆蓋，當(dāng)且僅當(dāng)探頭1，4或探頭3，6的覆蓋區(qū)剛好接觸時(shí)，6個(gè)探頭的有效覆蓋區(qū)域最大。此時(shí)探頭1、探頭4在鋼管長度方向的位置差為半個(gè)螺距減去1個(gè)探頭的有效覆蓋長度。如果左右兩側(cè)的探頭位置差大于一個(gè)晶片的長度，可以減去1個(gè)探頭的晶片長度，表示上一個(gè)螺距和當(dāng)前螺距互補(bǔ)后可實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。

圖7 6個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意

從以上分析可知，對于2組各3個(gè)探頭，實(shí)現(xiàn)100%覆蓋時(shí)，探頭分布和螺距之間有如下關(guān)系。

(1) 探頭在軸向沿長度方向距離差為0 mm(半個(gè)螺距減去1個(gè)晶片的覆蓋區(qū)域長度和1個(gè)晶片長度)。

(2) 橫向檢測的最大螺距為37.6 mm。

(3) 組合探頭的覆蓋區(qū)間長度為前后2個(gè)覆蓋區(qū)之和再加上2個(gè)晶片的長度尺寸。

2.1.4 8個(gè)探頭180°布置(四組合晶片)

同上，8個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距如表4所示，8個(gè)探頭的布置及檢測方法示意如圖8所示。

表4 8個(gè)探頭的覆蓋情況和螺距 mm

圖8的三維圖中黃色部分表示右側(cè)探頭的檢測區(qū)域，藍(lán)色部分表示左側(cè)探頭的檢測區(qū)域，凸起的白色區(qū)域表示該區(qū)域漏檢，探頭軸向距離表示呈180°分布的兩個(gè)探頭在工件軸向投影的位置距離。

圖8 8個(gè)探頭的布置及檢測方法示意

8個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意如圖9所示。圖9中的探頭1～8表示設(shè)計(jì)的探頭，陰影部分表示探頭的有效覆蓋，鋼管左邊有探頭1～4，鋼管右邊有探頭5～8。由于鋼管左右兩側(cè)的探頭5～8位置相差180°，所以左右兩側(cè)的5～8探頭組位置相差半個(gè)螺距。位于鋼管左邊的探頭1～4可上下移動(dòng)的距離，表示探頭1～4和探頭5～8之間的初始相對位置差。從鋼管左側(cè)的圖形分析可知，為了確保橫向檢測100%覆蓋，當(dāng)且僅當(dāng)探頭1，5或探頭4，8的覆蓋區(qū)剛好接觸時(shí)，8個(gè)探頭的有效覆蓋區(qū)域最大。此時(shí)探頭1、探頭5在鋼管長度方向的位置差為半個(gè)螺距減去1個(gè)探頭的有效覆蓋長度。如果左右兩側(cè)的探頭位置差大于一個(gè)探頭的距離，可以減去1個(gè)或多個(gè)探頭的晶片長度，表示上一個(gè)螺距和當(dāng)前螺距互補(bǔ)后實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。

圖9 8個(gè)探頭的覆蓋區(qū)間變化示意

從以上分析可知，對于2組各4個(gè)探頭，實(shí)現(xiàn)100%覆蓋時(shí)，探頭分布和螺距之間有如下關(guān)系。

(1) 探頭在軸向沿長度方向距離差為6 mm(半個(gè)螺距減去1個(gè)晶片的覆蓋區(qū)域長度和1個(gè)晶片長度)。

(2) 橫向檢測的最大螺距為49.6 mm。

(3) 組合探頭的覆蓋區(qū)間長度為前后2個(gè)覆蓋區(qū)之和再加上3個(gè)晶片的長度。

2.2 多探頭布置時(shí)探頭與螺距的關(guān)系

通過分析前述的探頭布置，采用歸納法可得出：對于多探頭布置的探頭旋轉(zhuǎn)檢測設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)100%橫向覆蓋檢測，單個(gè)探頭-6 dB覆蓋長度與探頭長度、數(shù)量、螺距，以及探頭之間的距離關(guān)系如式(1),(2)所示。

S=2×A+(N/2-1)×B

(1)

X=S/2-A-n×B

(2)

式中：S為與覆蓋長度對應(yīng)的缺陷檢測時(shí)的螺距；A為組合晶片中單個(gè)晶片相對某一缺陷-6 dB的覆蓋區(qū)域長度；N為探頭總數(shù)，為大于2的偶數(shù)；B為組合探頭中，單個(gè)探頭的長度；X為成180°分布的組合探頭在軸向方向的距離；為整數(shù)，且n為使X不為負(fù)的最大整數(shù)。

令N=4m(m為自然數(shù))時(shí)，則X=(2m-1)/2×B-n×B,即探頭相距半個(gè)晶片長度。

令N=4m+2(m為自然數(shù))時(shí)，則X=m×B-n×B,即探頭相距為0 mm。

從上述公式可以看出，對于組合探頭(或距離均布的單個(gè)探頭)，當(dāng)單側(cè)探頭數(shù)量多于2時(shí)，設(shè)備檢測的有效螺距小于所有探頭的有效覆蓋長度之和，并且數(shù)值與單個(gè)探頭的有效覆蓋長度和探頭的數(shù)量相關(guān)，探頭相距長度和探頭的尺寸及數(shù)量相關(guān)。

3 結(jié)語

當(dāng)探頭-6 dB覆蓋區(qū)域長度大于一半的晶片尺寸時(shí)，為了達(dá)到100%完全覆蓋，需要將-6 dB覆蓋區(qū)域最小的那組檢測螺距作為設(shè)備的檢測螺距,才能保證不漏檢。當(dāng)探頭-6 dB覆蓋區(qū)域尺寸小于一半的晶片尺寸時(shí)，可根據(jù)實(shí)際覆蓋數(shù)值與晶片尺寸的關(guān)系，等分布置同向檢測探頭以達(dá)到100%覆蓋的目的。