超聲相控陣在模壓可燃藥筒粘接檢測中的應(yīng)用

郭 課，張志強

(1. 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 河南工學(xué)院機械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 引言

對于模壓可燃藥筒來說，其粘接質(zhì)量將直接影響火炮系統(tǒng)的戰(zhàn)斗能力，因此，可燃藥筒粘接質(zhì)量對于提高火炮系統(tǒng)可靠性、減少非戰(zhàn)斗損失具有非常重要的意義。

在所有的常用無損檢測方法中，超聲檢測法的應(yīng)用最為廣泛。對于薄壁金屬與復(fù)合材料環(huán)形粘接構(gòu)件的無損檢測，粘接缺陷正好分布在粘接結(jié)構(gòu)的界面處，由于超聲波傳播過程中在不同介質(zhì)界面處會反射劇烈的界面信號，而粘接層一般都很薄，其厚度大約只有0.1mm，粘接信號和界面反射信號幾乎完全重合。導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測精度不夠，很難將它們區(qū)分開來。本文運用超聲相控陣檢測技術(shù)對薄壁金屬與復(fù)合材料環(huán)形粘接所構(gòu)成的模壓可燃藥筒粘接面進行檢測，通過人為制造不同大小的缺陷，運用A/S/C等不同顯示模式對粘接缺陷進行了定性和定量的分析與描述[2]。

檢測結(jié)果表明，超聲相控陣檢測技術(shù)不僅能夠精確區(qū)分粘接信號和缺陷信號，而且能夠獲得缺陷的形狀、大小、分布等信息，同時對檢測的精度和可靠性有極大的提升。因此，超聲相控陣檢測技術(shù)是檢測薄壁金屬與復(fù)合材料環(huán)形粘接構(gòu)件粘接質(zhì)量的有效手段，本文正是基于此方法對可燃藥筒的粘接質(zhì)量進行研究。

2 超聲相控陣的檢測原理

超聲相控陣換能器由多個獨立的壓電晶片組成陣列，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個晶片單元，來調(diào)節(jié)控制焦點的位置和聚焦的方向。

一個陣列探頭就是在一個單一外殼中包含多個單個晶片的探頭，相控的意思是這些晶片被按序列完成脈沖觸發(fā)的方式。一般來說，一個相控陣系統(tǒng)基于一個專用的超聲探頭，這個探頭包含很多單個晶片(一般從16個到256個不等)，這些晶片可根據(jù)編排的序列被分別觸發(fā)。這些探頭可以接觸方式，或在水浸檢測中，與各種類型的楔塊一起使用。它們的形狀可以是正方形、長方形或圓形，最常見的檢測頻率范圍為1到10 MHz[3]。

超聲相控陣能通過控制延時來實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，同時結(jié)合相應(yīng)的硬件控制電路，可靈活控制陣元的組合方式和激發(fā)次序，從而使超聲相控陣技術(shù)具有特殊的三種工作方式，分別是電子掃查(線性掃查)、扇形掃查和動態(tài)聚焦。其中，電子掃查(線性掃查)是通過高頻電脈沖多路傳輸，使相鄰陣元從左到右依次激發(fā)，并對其加以相同的聚焦法則和偏轉(zhuǎn)法則，則可以掃查距陣列探頭固定距離的一條帶狀區(qū)域，這相當(dāng)于用常規(guī)超聲相控陣探頭做光柵檢測或串列檢測。本文采用電子掃查(線性掃查)的方式完成本文的檢測實例[4，5]。

3 人工缺陷的制作

模壓可燃藥筒粘接區(qū)域由硝化棉筒體和鋼底座構(gòu)成。圓柱筒體(紅棕色部分)，硝化棉復(fù)合材料，外徑160mm，厚度4mm，高度300mm，復(fù)材的參數(shù)可以按照縱波聲速 648m/s 橫波聲速480m/s，密度1000kg/m3來考慮。Q235碳鋼底座(黃棕色部分)，厚度1.2mm，高160mm，參數(shù)可以按照橫波聲速3230m/s 縱波聲速5920m/s，密度7850g/m3來考慮，藥筒與底座為嵌入式搭接粘接，實現(xiàn)過盈配合。底座與藥筒之間膠水層厚度大概0.1mm，膠水是環(huán)氧AB膠；涂膠寬度40mm，涂膠一圈，即一個圓環(huán)帶狀區(qū)域；缺陷按脫粘處理，即缺陷處無膠水，為空氣。詳見圖1與圖2。

圖1 模壓可燃藥筒粘接結(jié)構(gòu)

圖2 藥筒筒體與鋼底座模型

圖3 筒體與鋼底座粘接區(qū)域人工缺陷制作展開示意圖

圖4 筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔(左圖)和聚四氟乙烯貼片(右圖)人工缺陷實物圖

4 可燃藥筒粘接結(jié)構(gòu)仿真

本文利用CIVA仿真軟件中的UT模塊對可燃藥筒粘接情況進行仿真。CIVA仿真軟件是法國原子能委員會研發(fā)的一款專業(yè)的無損檢測仿真系統(tǒng)，為了滿足集中使用的要求，采用半解析近似法，整合了建模，成像和分析模塊，可以用于仿真超聲、電磁、射線、渦流、CT等無損檢測技術(shù)，常被用來設(shè)計或者優(yōu)化檢測工藝。使用CIVA軟件仿真步驟如圖5所示。

圖5 CIVA仿真步驟

首先在specimen中建立仿真模型并定義材料參數(shù)，如圖所示。模型由三層組成，最外層為外徑160mm、壁厚1.2mm的Q235碳鋼，中間層為壁厚0.1mm的AB環(huán)氧膠水，最內(nèi)層為壁厚4mm的可燃藥筒復(fù)合材料，筒體模型內(nèi)部介質(zhì)為空氣，各層材料的參數(shù)見表。在該仿真模型中設(shè)置有5*2個紅色圓形區(qū)域，它們位于中間的膠水層上，模擬的是脫粘缺陷，其材料為空氣，可在flaw模塊中進行缺陷的設(shè)置，缺陷的尺寸分別為?2，?4， ?6， ?8，?10缺陷之間的距離為15mm。

圖6 CIVA仿真模型

表1 仿真模型各層材料參數(shù)

結(jié)合文獻資料與檢測經(jīng)驗，對于薄壁圓筒構(gòu)件，通常采用的是相控陣垂直線性掃查方式?；诮?jīng)驗公式的研究，在probe模塊中對超聲相控陣換能器參數(shù)進行選擇：陣元數(shù)目為64個，每次激發(fā)12個陣元；晶片寬度 1 mm；晶片間距 0.1mm；晶片長度 70.3mm；如表1所示。換能器信號采用Hamming窗，聚焦類型選擇flat，分別用2.5MHz、5MHz、7.5MHz、10MHz的頻率進行掃查。楔塊形狀選擇cylindrical concave，軸線與圓柱軸線方向平行，調(diào)整楔塊的曲率半徑為160mm，這樣可以與工件耦合的更充分。設(shè)置好換能器后，在inspection模塊中進行設(shè)置，將換能器掃描起點置于缺陷附近，選擇合適的行進距離與掃描步長，使得所有缺陷全部位于掃描區(qū)域內(nèi)即可，掃描路徑設(shè)置如圖7所示。運行仿真計算之前的最后一步還需要對simulation settings模塊進行設(shè)置，model computation選擇3D模式，accuracy value取1，回波路徑選擇direct方式，其它可以保持默認值不變。最后運行計算，選取中間激發(fā)頻率為5MHz時，仿真結(jié)果如圖8所示，進一步保證換能器參數(shù)不變，只改變激發(fā)頻率，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7 掃描路徑設(shè)置

頻率為5MHz的換能器仿真成像結(jié)果如下圖所示。

圖8 仿真結(jié)果界面顯示

表2 三種不同頻率下缺陷的尺寸大小及誤差比較

測量四種頻率下仿真結(jié)果的尺寸得到表2數(shù)據(jù)，結(jié)果表明不同頻率的探頭采用垂直線性掃查薄鋁板都能檢測到缺陷，但頻率越高檢測得到的缺陷尺寸較實際缺陷誤差更??；因此，相控陣檢測薄鋁板應(yīng)選用高頻探頭，但是探頭頻率過高會造成檢測圖像的失真，在后續(xù)的選擇中探頭的發(fā)射頻率也不宜過高。

圖9 不同頻率下CIVA仿真結(jié)果

5 檢測過程

在檢測工作進行之前首先要將所需的耗材準備就緒，本檢測所需的耗材為筒體、鋼底座、AB膠、剪刀、毛刷、工作場地和直尺。其中剪刀和直尺用于制作聚四氟乙烯貼片人工缺陷，如圖10所示。筒體和鋼底座是檢測的本體，在檢測之前，需要完成筒體和鋼底座的膠接工作。具體制備過程如下：首先AB膠按照5：2的比例進行混合并攪拌均勻，待膠水靜置15分鐘后，將在制作好人工缺陷的筒體底部40的高度范圍內(nèi)涂滿AB膠，隨后將涂膠后的筒體插入鋼底座中，使得兩者在膠接的作用下處于過盈配合狀態(tài)，多余的溢出膠水用丙酮擦拭干凈。接著將膠接完成后的模壓可燃藥筒放入烘箱烘烤8小時或自然晾曬24小時使膠水完全固化，等待超聲相控陣設(shè)備進行缺陷檢測，如圖11所示。

圖10 聚四氟乙烯貼片實物圖

圖11 模壓可燃藥筒粘接完成圖

根據(jù)藥筒粘接區(qū)域的仿真結(jié)果和實際的檢測工況綜合考慮，本文選用廣州多普樂電子科技有限公司生產(chǎn)的DPL32-128型Robust 32/128PR支持256通道的相控陣超聲檢測板卡控制器，該相控陣超聲板卡為獨立的128個硬件發(fā)射通道，32個接收通道，具備2通道UT通道，并可獨立設(shè)置、同時并獨立顯示，支持一發(fā)一收功能，如圖12所示。

圖12 DPL32-128型Robust 32/128PR相控陣超聲檢測板卡

設(shè)備用定制專用集成楔塊相控陣雙線陣水浸探頭7.5DL128-AOD168，陣元數(shù)為128個，支持一發(fā)一收功能。發(fā)射陣元和接收陣元均為64個，呈兩排線陣分布，發(fā)射線陣與接收線陣按照夾角為140°呈屋頂角狀態(tài)分布。相鄰陣元中心距離為0.65mm，陣元間隙為0.1mm，陣元長度為4mm，有效孔徑為41.6*4mm，兩列晶片邊緣間距為2mm。與相控陣集成的楔塊為弧面楔塊，楔塊的曲率半徑與被測筒體和鋼底座粘接部分的曲率半徑相一致，保證在檢測過程中探頭與鋼底座的完全貼合。相控陣探頭垂直入射，探頭與被測工件的耦合方式為用75%濃度的酒精(或者水)，采用C掃描方式。探頭端與探頭端電纜線已經(jīng)密封，可以防水、防酒精，訂制的水浸探頭能一次性覆蓋40mm粘合區(qū)域，兼容外徑為120mm至165mm的炮彈彈體檢測，在工裝的配合下旋轉(zhuǎn)一周完成一個炮彈的檢測，如圖13所示。

圖13 7.5DL128-AOD168集成楔塊相控陣雙線陣水浸探頭

訂制專用的后分析軟件滿足如下要求：①能自動采集數(shù)據(jù)，簡單的分析處理，數(shù)據(jù)能夠?qū)С觯虎谀軝z測出缺陷大小，能夠以圖形方式顯示，能計算總體缺陷面積；③能與編碼器配合定出缺陷位置，無縫嵌入控制機構(gòu)和自動化系統(tǒng)；④開放接口以供二次開發(fā)。軟件同時支持工藝仿真，相控陣檢測，以及數(shù)據(jù)分析，可根據(jù)檢測需要設(shè)定探測工件外形、探測深度、掃查方式、增益、聲速等相關(guān)參數(shù)，如圖14所示[6，7]。

圖14 軟件主界面

詳細記載每次缺陷檢測的數(shù)據(jù)和圖像表現(xiàn)形式，將多普勒超聲相控陣探頭所能檢測出的最小分辨率記錄在案，為下一步進行脫粘面積實驗提供理論支撐和數(shù)據(jù)依托。

6 實驗樣塊及參數(shù)設(shè)定

在正式檢測之前，需要對相控陣超聲檢測儀進行參數(shù)設(shè)定和調(diào)節(jié)，力求在檢測過程中保證檢測的準確性和最優(yōu)性。需要調(diào)節(jié)的參數(shù)主要有探頭類型和探頭發(fā)射頻率的選擇、掃查方式的選擇、探測工件外形的選擇、聲速的設(shè)定、聚焦深度的選擇、收發(fā)方式的選擇、增益的設(shè)定、重復(fù)脈沖頻率的設(shè)定、靈敏度的設(shè)定、檢測模式、楔塊參數(shù)的設(shè)定、脈沖寬度的設(shè)定、楔塊角度的設(shè)定、延遲時間的設(shè)定、掃查速度的設(shè)定、系統(tǒng)帶寬的設(shè)定、圖像顯示方式的設(shè)定等[8]。

實驗樣塊由半圓環(huán)筒體與鋼底座粘接完成，在筒體的一側(cè)也均勻分布?2、?4、?6、?8、?10直徑的圓孔，如圖15所示。掃查中，帶有弧度的直探頭從粘接邊緣的一側(cè)開始掃查，至另一側(cè)終止掃查，采用時間軸的掃查方式，探頭掃查移動速度為5cm/min，聚焦點位置初步設(shè)置在1.2的深度處。掃描采用縱波直入法進行，在40的粘接區(qū)域內(nèi)，探頭沿鋼底座和筒體的粘接部分進行周向掃查，探頭在掃查過程中要始終與筒體和鋼底座的母線重合，采用 A /S /C多種顯示方式，相控探頭能自動識別。

圖15 實驗樣塊

7 檢測應(yīng)用實例及結(jié)果

7.1 筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔和聚四氟乙烯貼片人工缺陷對檢測結(jié)果的影響

超聲波穿過真實的脫粘缺陷時，分別穿過鋼底座層、空氣層和硝化棉筒體。在本文制作的人工缺陷模擬真實脫粘缺陷時，筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷和聚四氟乙烯貼片人工缺陷在超聲相控陣探測時，超聲波所穿過的介質(zhì)存在差異性區(qū)別。超聲縱波在對筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷進行檢測時，超聲波分別穿過鋼底座、空氣兩種介質(zhì)，在聲波被鋼底座和空氣吸收后，利用鋼底座和空氣兩種介質(zhì)聲阻抗的差異性，導(dǎo)致對超聲波的吸收量存在不同，進而利用接收衰減后的回波底波信號進行缺陷的檢出；超聲縱波在對聚四氟乙烯貼片人工缺陷進行檢測時，超聲波分別穿越鋼底座、聚四氟乙烯薄膜、和硝化棉筒體三種介質(zhì)，在聲波被鋼底座、聚四氟乙烯薄膜、和硝化棉筒體吸收后，利用鋼底座、聚四氟乙烯薄膜、和硝化棉筒體三種介質(zhì)聲阻抗的差異性，導(dǎo)致對超聲波的吸收量存在不同，進而利用接收衰減后的回波底波信號進行缺陷的檢出[9]。

在對筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷和聚四氟乙烯貼片人工缺陷檢測完成后的掃描圖譜分別如圖16和圖17所示，由檢測結(jié)果可以清晰的表明并得出以下結(jié)論。筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷能夠清晰的檢測出?6、?8、?10直徑的開孔脫粘缺陷，而?2、?4的開孔脫粘人工缺陷則無法檢出，如圖16中三個深紅色的圓形區(qū)域所示，但掃描圖譜中的?6、?8、?10直徑的開孔脫粘缺陷輪廓并非規(guī)則的圓形，與真實的圓形缺陷尚存在差異，初步判斷是筒體和鋼底座在粘接過程中，液體膠水在擠壓力的作用下流動到開孔缺陷的邊緣或內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致超聲相控陣的誤判，下一步將制作好的開孔人工缺陷內(nèi)壁用丙酮擦拭干凈后再固化進行檢測，找到檢出結(jié)果與真實結(jié)果圖形差異化的根源。

圖16 筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷檢測結(jié)果圖

圖17 聚四氟乙烯貼片人工缺陷檢測結(jié)果圖

7.2 多普樂超聲相控陣檢測系統(tǒng)對缺陷目標能檢出的最小分別率

DPL32-128型Robust 32/128PR相控陣超聲檢測板卡配合7.5DL128-AOD168集成楔塊相控陣雙線陣水浸探頭，在探頭和被測對象在耦合劑的作用下耦合充分，超聲所穿越的兩種介質(zhì)或多種介質(zhì)聲阻抗差異性比較大，且介質(zhì)沒有做過鍍膜著色或熱處理等相關(guān)工藝處理的前提下，理論上所能檢出缺陷的最小分辨率為?0.5，當(dāng)然理論最小分辨率跟諸多因素存在關(guān)聯(lián)，在實際檢測中很難達到理論最小分辨率的檢測水準。本文在對模壓可燃藥筒粘接區(qū)域的人工缺陷進行檢測時，筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷和聚四氟乙烯貼片人工缺陷在掃描圖譜所呈現(xiàn)的缺陷檢出分辨率存在明顯的差異性。筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷的檢測分辨率能達到?6，而?4和?2的開孔人工缺陷無法檢出，如圖11所示。聚四氟乙烯貼片人工缺陷的檢測分辨率僅能達到?8，而?6、?4和?2的貼膜人工缺陷無法檢出，如圖17所示。二者相比，開孔人工脫粘缺陷更有利于提高超聲相控陣的檢測分辨率，而?4和?2的開孔人工缺陷沒有被檢出，初步考慮是Q235鋼底座進行了表面發(fā)藍處理和?4和?2的開孔人工缺陷中存在溢膠造成的，以上因素都會造成超聲相控陣檢測的誤判和超聲波的異常損失，最終導(dǎo)致實際缺陷檢出分辨率和理論缺陷檢出分辨率存在較大差異[11]。

7.3 耦合劑(酒精或水)對檢測結(jié)果的影響

超聲檢測過程中耦合劑起著至關(guān)重要的作用。首先耦合劑能夠減小探頭與被測對象之間的摩擦力；其次耦合劑能夠起到非常好的耦合作用，它能夠迅速排開超聲相控陣探頭和被測物體之間的空氣，好的耦合劑的聲阻抗非常接近于被測物體，能夠減少干擾；再次好的耦合劑可以減少使超聲能量損失，提高檢測分辨力，提升掃描圖譜的圖像質(zhì)量。工業(yè)上常用的超聲耦合劑主要有五種，分別為水、甘油、機油(變壓器油)、水玻璃和化學(xué)糨糊，但是由于硝化棉筒體的易污染性和易霉變性，油脂類耦合劑首先被排除在外，本文綜合模壓可燃藥筒的物理和化學(xué)性質(zhì)，最終選取75%的酒精或水用作超聲相控陣探頭和鋼底座之間的耦合劑。用水做耦合劑的人工開孔缺陷掃描圖譜如圖18所示，用酒精做耦合劑的人工開孔缺陷掃描圖譜如圖19所示。對比二者的檢測掃描圖譜，水耦和酒精耦合都能檢出人工開孔缺陷?6、?8、?10的通孔，但仔細觀察可知，水耦檢出的圖像清晰度和圖像質(zhì)量遠高于酒精耦合檢出的圖像清晰度和圖像質(zhì)量。究其原因，是因為酒精在空氣中揮發(fā)過快，耦合的效果遠低于水，當(dāng)酒精揮發(fā)完后，超聲相控陣探頭和鋼底座之間被空氣包裹，由于空氣聲阻抗太大，導(dǎo)致超聲波在未進入鋼底座之前已損失過半，最終導(dǎo)致掃描圖譜的分辨率和圖像質(zhì)量不如水耦優(yōu)越。故此，在本檢測中，水耦是最佳選擇[12，13]。

圖18 水作耦合劑的掃描圖譜

圖19 75%的酒精作耦合劑的掃描圖譜

8 結(jié)束語

多普樂板卡式超聲相控陣檢測系統(tǒng)能夠?qū)δ嚎扇妓幫驳恼辰訁^(qū)域的人工缺陷很好的進行了檢出，可以用鮮明的不同顏色區(qū)分人工缺陷脫粘和粘接完好區(qū)域。A /S /C 顯示方式可提供全方位、多視角的直觀顯示，其中A掃描從主視圖XZ平面的角度顯示縱波底波回波的波幅強度，反映了脫粘缺陷的深度特征；S掃描即扇形或者方位顯示，其是所有A掃描疊加形成的二維圖像，在一定的扇形范圍內(nèi)顯示人工缺陷所在的范圍和實際深度，可精確的標識缺陷面積并清楚的反應(yīng)缺陷位置；C掃描從俯視圖XY平面的角度成像顯示缺陷面積和缺陷所在的位置；能夠全程記錄掃描過程，進行數(shù)據(jù)的分析處理；在粘接完好的區(qū)域，掃描圖譜均勻一致，存在脫粘缺陷時，缺陷呈深紅色顯示，缺陷部位的底波波幅強度雜亂無章呈現(xiàn)不連續(xù)排列，原因是空氣和聚四氟乙烯的聲阻抗比較大，把超聲波吸收導(dǎo)致的回波信號過弱。

通過檢測實例應(yīng)用表明：①筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷相比聚四氟乙烯貼片人工缺陷而言，對檢測結(jié)果的真實性和準確性有更好的保證，基本上能夠模擬真實的脫粘缺陷。②多普樂超聲相控陣檢測系統(tǒng)對人工缺陷目標進行檢測時，筒體與鋼底座粘接區(qū)域開孔人工缺陷能檢出的最小分別率為?6，聚四氟乙烯貼片人工缺陷能檢出的最小分辨率為?8，人工開孔缺陷檢出分辨率高于聚四氟乙烯貼片檢出分辨率。③用水做檢測耦合劑對比用酒精做檢測耦合劑，水耦合劑更有利于相控陣探頭在檢測過程中與被測對象的貼合，提高檢測的精確度和缺陷的檢出率。