鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷的超聲波精確檢測(cè)方法

張榮繁，倪培君，李紅偉，李雄兵，左 欣，付 康

(1.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103; 2.中南大學(xué)CAD/CAM研究所， 長(zhǎng)沙 410075)

1 引言

鎂合金材料具有密度小、尺寸穩(wěn)定高、阻尼減震性能好、機(jī)械加工方便等優(yōu)良力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)鋼質(zhì)或鋁合金具有明顯的減重優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化的重要技術(shù)途徑。目前，變形鎂合金在航空、航天、軍工及汽車制造領(lǐng)域均已取得了廣泛應(yīng)用。而復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件受原材料，以及制造過(guò)程中擠壓、鍛造等工藝的影響，構(gòu)件內(nèi)部容易出現(xiàn)小當(dāng)量的缺陷，如夾雜、細(xì)小裂紋和高密度偏析。如不能及時(shí)有效檢出工件中的缺陷，將嚴(yán)重影響武器裝備的整體性能和服役安全。

現(xiàn)階段針對(duì)復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)的方法中，超聲波檢測(cè)則由于其適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)成本低，可作為有效檢測(cè)手段。而目前大多采用龍門架式多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)規(guī)則回轉(zhuǎn)體的自動(dòng)檢測(cè)，但難以實(shí)現(xiàn)鎂合金殼體構(gòu)件這種變曲率、變厚度組合回轉(zhuǎn)體的全覆蓋式掃查，且存在效率低、曲面跟蹤精度差等問(wèn)題；另外，回轉(zhuǎn)類工件螺旋C掃描檢測(cè)過(guò)程中，受檢測(cè)機(jī)制影響，內(nèi)部缺陷定位時(shí)除了深度信息外，三維坐標(biāo)定位以及對(duì)于缺陷在實(shí)際被檢工件上的標(biāo)定也成為一大難題。因此，針對(duì)當(dāng)前檢測(cè)現(xiàn)狀，本文提出了一種基于6自由度工業(yè)機(jī)器人的螺旋C掃描檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面構(gòu)件全覆蓋掃描成像檢測(cè)，并能對(duì)內(nèi)部缺陷的進(jìn)行精確定量與定位分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 鎂合金構(gòu)件自動(dòng)檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件檢測(cè)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)原理示意圖分別見(jiàn)圖1、圖2，系統(tǒng)由超聲波探頭、史陶比爾6自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人TX60L、轉(zhuǎn)盤、自定心夾緊裝置、基座、水槽、水循環(huán)系統(tǒng)、JSR脈沖發(fā)射接收器DPR300、Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡M4i.4420、研華工控機(jī)及配套線纜組成。其中，工業(yè)機(jī)器人用于夾持探頭完成掃查路徑；轉(zhuǎn)盤軸用于帶動(dòng)被檢工件高速旋轉(zhuǎn)，其伺服電機(jī)由PCI總線運(yùn)動(dòng)控制卡獨(dú)立控制，并實(shí)時(shí)反饋位置信號(hào)。

2.2 掃描成像方法

為實(shí)現(xiàn)鎂合金構(gòu)件全覆蓋式螺旋C掃描成像，構(gòu)件由內(nèi)撐式三爪卡盤夾緊，并在轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下按規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，6自由度工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)超聲波探頭，沿構(gòu)件輪廓母線勻速運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)過(guò)程中超聲波聲束始終與構(gòu)件表面垂直。并利用被檢工件CAD模型實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃，從而大大簡(jiǎn)化機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，如圖3所示。掃描過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)盤軸編碼器信號(hào)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)同步外觸發(fā)采集，以保證超聲波信號(hào)與被檢工件空間位置的精確對(duì)應(yīng)，避免C掃描圖像出現(xiàn)錯(cuò)位、鋸齒等問(wèn)題。

圖1 復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Ultrasonic testing system for magnesium alloy components with complex profile

圖2 超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.2 Structural diagram of automatic ultrasonic testing system

圖3 鎂合金構(gòu)件螺旋C掃描示意圖Fig.3 Spiral C-scan diagram of magnesium alloy components

為簡(jiǎn)化鎂合金構(gòu)件C掃描的成像模型，在對(duì)其像素點(diǎn)進(jìn)行劃分時(shí)，按照構(gòu)件的實(shí)際尺寸將成像模型劃分為×個(gè)四邊形面片，每個(gè)四邊形面片對(duì)應(yīng)一個(gè)檢測(cè)采樣點(diǎn)，各母線段掃描過(guò)程中單行均采集個(gè)原始超聲回波信號(hào)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，由復(fù)雜型面構(gòu)件最大直徑和掃描步距決定：

(1)

掃描開(kāi)始時(shí)，工業(yè)機(jī)器人從母線起點(diǎn)處開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤從零位轉(zhuǎn)動(dòng)。掃描過(guò)程中按照設(shè)置的掃描步距與觸發(fā)脈沖參數(shù)進(jìn)行到位采集，并實(shí)時(shí)更新機(jī)器人空間位置。相鄰母線段的轉(zhuǎn)角處，機(jī)器人從當(dāng)前母線段終點(diǎn)調(diào)整到下一母線段的起始點(diǎn)位姿，過(guò)程中轉(zhuǎn)盤依然保持勻速空轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人到位后發(fā)送消息，則從當(dāng)前時(shí)刻轉(zhuǎn)盤的角度位置處開(kāi)始重新采集超聲信號(hào)，并重新成像，避免相鄰2個(gè)母線段圖像產(chǎn)生錯(cuò)位，最終完成整個(gè)回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的掃描成像。

2.3 動(dòng)閘門、多閘門設(shè)置

超聲波螺旋C掃描過(guò)程中，復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件往往存在一定的裝夾誤差，以及被檢件的加工誤差，導(dǎo)致構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中表面回波、底波存在一定抖動(dòng)現(xiàn)象。普通單閘門掃描成像時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中表面回波或底波嚴(yán)重抖動(dòng)往往導(dǎo)致缺陷的誤判；另外，復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件作為組合回轉(zhuǎn)體，存在多個(gè)母線段，且具有變曲率、變壁厚等特點(diǎn)。各母線段的壁厚均不相同，甚至部分壁厚存在一定坡度，導(dǎo)致底波也會(huì)隨掃查高度而改變位置。

為此，采用動(dòng)閘門與多閘門的形式解決該問(wèn)題。具體為：設(shè)置3個(gè)閘門，界面波閘門和底波閘門分別實(shí)現(xiàn)表面回波與底波的跟蹤識(shí)別；缺陷波閘門根據(jù)所處位置的壁厚進(jìn)行設(shè)置，從而確定該閘門的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。掃描過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別表面與底面回波信號(hào)，用于成像的缺陷波閘門自動(dòng)跟隨表面、底面回波時(shí)域位置進(jìn)行跳動(dòng)。另外，各母線段還需設(shè)置多段不同的閘門參數(shù)。如圖4(a)、圖4(b)所示，即為針對(duì)圖3所示鎂合金構(gòu)件第1、第2母線段分別所設(shè)置的動(dòng)閘門參數(shù)。而為了保證大批量檢測(cè)效率，鎂合金構(gòu)件進(jìn)行全覆蓋式掃描時(shí)自動(dòng)選取適宜的閘門，相鄰母線段之間當(dāng)探頭位姿調(diào)整完畢后自動(dòng)跳入下一組閘門參數(shù)。同一類型被檢件的多段動(dòng)閘門參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行存儲(chǔ)，批量檢測(cè)時(shí)可大大提高檢測(cè)效率。

3 超聲測(cè)量模型

超聲波檢測(cè)小缺陷定量分析時(shí)，可采用計(jì)算法、試塊當(dāng)量對(duì)比法。而計(jì)算法只能針對(duì)聲程大于3(為探頭近場(chǎng)長(zhǎng)度)的缺陷才能夠計(jì)算當(dāng)量大小，局限性較大；試塊當(dāng)量對(duì)比法前期需要加工足夠的標(biāo)準(zhǔn)試塊，尤其復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件檢測(cè)時(shí)需要大量不同曲率半徑的試塊，成本花費(fèi)高。本文中，結(jié)合對(duì)鎂合金構(gòu)件平面類型、曲面類型超聲波入射模式時(shí)的多元高斯聲場(chǎng)模型、超聲檢測(cè)系統(tǒng)影響因子以及基于基爾霍夫近似的超聲散射模型，從而建立精確的超聲測(cè)量模型，通過(guò)獲取的系統(tǒng)函數(shù)以及被檢工件材料、尺寸等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部缺陷的超聲回波信號(hào)預(yù)測(cè)，生成平面工件和不同曲率半徑(30～100 mm)鎂合金構(gòu)件中直徑為φ0.5 mm～φ2.5 mm，深度為0～50 mm平底孔的DAS曲線簇，基于定量曲線以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷的精確定量分析。

圖4 多閘門與動(dòng)閘門設(shè)置示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi gate and movable gate setting

3.1 理論模型

超聲波系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：輸入系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。輸入電壓在超聲換能器中轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)，進(jìn)行發(fā)射和接收之后，再由接收器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)變換成為數(shù)字信號(hào)以便于用后續(xù)處理。其中，內(nèi)部缺陷的輸出電壓響應(yīng)()可以使用給定的物理參數(shù)來(lái)表示。輸入電壓()，脈沖發(fā)生器和電纜的響應(yīng)()，電子信號(hào)通過(guò)發(fā)射器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的過(guò)程()，傳播到缺陷的波束()，材料衰減()，缺陷的衍射效應(yīng)()，聲波從水到工件的傳播過(guò)程()，缺陷的散射()，從試塊到水的傳播過(guò)程()，缺陷波被換能器接收的衍射效應(yīng)()，電信號(hào)經(jīng)由接收換能器的轉(zhuǎn)換過(guò)程()，以及接收器和電纜的修正()。當(dāng)超聲波測(cè)量系統(tǒng)被認(rèn)為是線性時(shí)不變系統(tǒng)時(shí)，輸出電壓響應(yīng)為：

(2)

但通過(guò)對(duì)物理過(guò)程建模來(lái)精確獲得這些參數(shù)比較困難，特別是對(duì)于與脈沖發(fā)生器接收器和電纜相關(guān)的參數(shù)。因此通過(guò)將一些相關(guān)物理量簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單且易于獲得的參數(shù)，即將相關(guān)的參數(shù)整和到一個(gè)單一的參數(shù)，式(2)可以改寫為：

()=()()

(3)

其中

()=()()()()()

(4)

()=()()()()()()()

(5)

()代表系統(tǒng)影響因子，即系統(tǒng)函數(shù)，由檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入、信號(hào)放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。()代表聲彈性傳遞函數(shù)，表示介質(zhì)和界面以及檢測(cè)缺陷之間的轉(zhuǎn)換元素。式(3)表明整個(gè)測(cè)量模型由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是系統(tǒng)影響因子，只考慮測(cè)量系統(tǒng)中的所有電氣和機(jī)電部件；另一部分是聲彈性傳遞函數(shù)，描述了超聲波的傳播和反射，以及缺陷散射和接收過(guò)程。聲彈性傳遞函數(shù)又與超聲在介質(zhì)中的聲場(chǎng)以及缺陷散射有關(guān)。

3.2 系統(tǒng)函數(shù)測(cè)定

系統(tǒng)影響因子是由檢測(cè)系統(tǒng)中的許多因素構(gòu)成的復(fù)雜函數(shù)，所以求出系統(tǒng)影響因子最好的辦法不是將每個(gè)因素精確測(cè)量，這樣很難保證測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，而是將其作為一個(gè)整體，用一個(gè)理想狀況的系統(tǒng)設(shè)置間接求出。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)函數(shù)通常通過(guò)在平面反射體的垂直入射脈沖回波實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量來(lái)獲得。式(6)表明可以通過(guò)反卷積獲得系統(tǒng)函數(shù)，即

(6)

其中：_ref()代表校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到的平面反射體回波；_ref代表聲彈性函數(shù)。

3.3 平面工件的超聲測(cè)量模型

多元高斯模型對(duì)于超聲聲場(chǎng)的建模中的最大優(yōu)點(diǎn)在于該方法計(jì)算效率高，而且利用聲束疊加，可以模擬出平面波球面波。利用近軸近似可以得到單高斯聲束的表達(dá)式改寫為：

(7)

對(duì)于平面超聲換能器，將它考慮成活塞聲源，用高斯系數(shù)的疊加來(lái)得到聲束的近似結(jié)果，由聲場(chǎng)計(jì)算的格林函數(shù)，通過(guò)近軸近似的方法，從而可以推導(dǎo)出空間內(nèi)任一點(diǎn)的聲振動(dòng)速度和聲壓幅值：

(8)

(9)

當(dāng)預(yù)測(cè)缺陷回波時(shí)，需要同時(shí)得到缺陷的散射聲場(chǎng)。對(duì)于超聲檢測(cè)的內(nèi)部缺陷，可以通過(guò)建立對(duì)應(yīng)當(dāng)量尺寸的缺陷散射模型確定其散射幅值，進(jìn)而確定含有缺陷輻射聲場(chǎng)中的聲壓值。具體地，當(dāng)超聲波輻射到標(biāo)準(zhǔn)平底孔缺陷時(shí)，可以使用基爾霍夫近似來(lái)寫入缺陷散射，其中缺陷半徑為。結(jié)合缺陷散射和波束，可以獲得平底孔的聲彈性傳遞函數(shù)：

(10)

當(dāng)聲束入射面為平面并且表面光潔時(shí)，結(jié)合式(3)和式(10)可以得到理想試樣的超聲測(cè)量模型為：

(11)

其中()為系統(tǒng)影響因子，常數(shù)項(xiàng)為系統(tǒng)和試塊的參數(shù)，積分項(xiàng)為所求的測(cè)試點(diǎn)聲壓平方對(duì)超聲換能器的表面積分。結(jié)果為頻域范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)波形，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換可以轉(zhuǎn)化為可以具有識(shí)別度的數(shù)據(jù)信號(hào)，即成為時(shí)域范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)波形。

3.4 曲面工件的超聲測(cè)量模型

基于多元高斯聲束模型的聲場(chǎng)建模中，引入帶曲率的高斯參數(shù)復(fù)值矩陣(即矩陣)，從而擬合較為準(zhǔn)確的聲場(chǎng)模型。式(12)為擬合超聲聲壓的多元高斯聲束模型，

(12)

各層介質(zhì)的初始矩陣的表達(dá)式可以表示為：

(13)

對(duì)于不同介質(zhì)的界面發(fā)生透射時(shí)，考慮入射角和相位角，由此得到的透射到第二層介質(zhì)的透射矩陣：

(14)

考慮到曲面界面的存在，需要添加另外的曲面散射聲場(chǎng)矩陣。在矩陣式的內(nèi)部，加入了曲率矩陣于式(14)，、、、分別表示所求點(diǎn)所在表面的法向主曲率。本文研究的曲面都是可展面，以柱面的應(yīng)用最為廣泛，其曲率矩陣元素可以表示為：=1，=∞，==0。通過(guò)改進(jìn)聲束散射模型，可完成曲面界面的超聲測(cè)量模型修正。

以外徑為146 mm鎂合金圓筒試塊中埋深10 mm、直徑2 mm的平底孔人工缺陷為例，采用10 MHz、φ6.35 mm的水浸直探頭，水聲程50 mm，采集到最大缺陷回波和利用測(cè)量模型得到的預(yù)測(cè)缺陷回波信號(hào)如圖5所示，最大回波的幅值相差不超過(guò)5%。

圖5 曲面試樣內(nèi)部缺陷的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)回波信號(hào)曲線Fig.5 Actual and predicted echo signals of internal defects in curved specimens

4 內(nèi)部缺陷定量分析

基于超聲測(cè)量模型的復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件內(nèi)部缺陷定量分析，包括以下步驟：首先預(yù)測(cè)缺陷回波信號(hào)，獲取DGS定量曲線簇。根據(jù)被檢件的實(shí)際尺寸規(guī)格，針對(duì)鎂合金構(gòu)件中平面工件、曲面工件(曲率半徑分別為30 mm、31 mm、32 mm、…、100 mm)等不同入射面，獲取直徑分別為φ0.5 mm、φ0.6 mm、φ0.7 mm、…、φ2.5 mm，埋深分別為1 mm、2 mm、3 mm、…、60 mm的90 720個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平底孔反射體回波信號(hào)。接著提取其回波幅值，繪制相應(yīng)的距離-波幅-當(dāng)量曲線，共計(jì)72幅DGS曲線。如圖6所示，為平面鎂合金工件所對(duì)應(yīng)的DGS定量預(yù)測(cè)曲線。其中，△為實(shí)際對(duì)比試塊中，缺陷埋深分別為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，直徑分別為φ0.8 mm、φ1.2 mm、φ2.0 mm平底孔人工缺陷的實(shí)測(cè)最大波幅。經(jīng)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)DGS曲線與實(shí)際對(duì)比試塊中平底孔缺陷的波幅吻合較好，為后續(xù)缺陷精確定量提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 平面入射時(shí)鎂合金DGS定量預(yù)測(cè)曲線Fig.6 DGS quantitative curve of plane magnesium alloy

接著，在完成被檢工件的C掃描成像后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。識(shí)別缺陷區(qū)域中最大缺陷波幅，獲取該采樣點(diǎn)位置信息，調(diào)取該點(diǎn)原始A波，以及該母線段設(shè)置的界面波、底波、缺陷波閘門參數(shù)。最終，得到缺陷埋深、最大幅值，以及缺陷所處位置的曲率半徑。最后，調(diào)取上述步驟中曲率半徑所對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)DGS曲線，通過(guò)對(duì)比埋深處缺陷波幅所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量曲線，從而確定該缺陷的當(dāng)量大小，如圖7所示。

圖7 內(nèi)部缺陷定量分析原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of quantitative analysis of internal defects

以某試塊為例進(jìn)行全覆蓋C掃描檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，該試塊內(nèi)部分別加工有埋深為5 mm、10 mm、20 mm，直徑為φ0.8mm、φ1.2mm、φ2.0 mm的9個(gè)人工平底孔缺陷，如圖8所示。超聲C掃描檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用頻率為10 MHz、晶片直徑為φ6.35 mm的奧林巴斯水浸直探頭，水聲程設(shè)置為50 mm，掃描步距為0.4 mm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60 r/min，機(jī)器人末端移動(dòng)速度20 mm/s，脈沖發(fā)射接收器增益為30 dB，脈沖幅度475 V，高低通濾波頻率分別為1.0 MHz和15 MHz，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為300 MHz，采樣延遲依據(jù)水聲程設(shè)置為60 μs，采樣長(zhǎng)度依據(jù)工件最大厚度設(shè)置。

圖8 試塊圖Fig.8 Design drawing of specimen

最終得到掃描圖像如圖9(a)所示，9個(gè)人工缺陷均有效檢出且能直觀顯示。以埋深5 mm、孔徑φ1.2 mm平底孔為例，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知該缺陷埋深為5.18 mm，缺陷波最大幅值2.06 V，缺陷所處入射面為平面，則依據(jù)預(yù)測(cè)DGS曲線可直接確定缺陷大小為φ1.3 mm當(dāng)量，如圖9(b)檢測(cè)軟件所示。表1所示，對(duì)所有人工缺陷進(jìn)行定量分析處理，結(jié)果表明采用本文方法時(shí)9個(gè)人工平底孔缺陷定量誤差均小于0.3 mm當(dāng)量直徑；而采用傳統(tǒng)計(jì)算DGS法時(shí)普遍誤差較大，尤其對(duì)于3倍近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的缺陷，其定量分析最大誤差達(dá)0.68 mm當(dāng)量直徑。

圖9 某型號(hào)對(duì)比試塊C掃描圖像及定量結(jié)果示意圖Fig.9 C-scan image and quantitative results of a certain type of reference specimen

表1 人工缺陷定量分析結(jié)果Table 1 Quantitative analysis results of artificial defects

5 內(nèi)部缺陷定位分析

常規(guī)龍門架式超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)可針對(duì)平面工件進(jìn)行掃查成像，且可依據(jù)工件自身邊界對(duì)工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行二維定位及埋深定位。而基于機(jī)械手、轉(zhuǎn)盤的螺旋三維C掃描檢測(cè)系統(tǒng)中，工件在裝夾過(guò)程中其標(biāo)記零位難以與掃查系統(tǒng)絕對(duì)零位精確對(duì)齊，如圖10所示。因此，受檢測(cè)機(jī)制的影響，三維C掃描圖像中缺陷除了埋深、高度位置之外，角度位置難以與缺陷在工件中的實(shí)際位置精確對(duì)應(yīng)，從而給缺陷定位帶來(lái)了難題，使檢出的缺陷難以在被檢工件上精確標(biāo)定。

圖10 掃查零位示意圖Fig.10 Schematic diagram of scanning zero position

本文采用標(biāo)記線識(shí)別的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定位，具體做法如下：首先使用聲能增透膜對(duì)復(fù)雜型面構(gòu)件沿任意一條軸線進(jìn)行標(biāo)記，并以既定的檢測(cè)工藝對(duì)工件進(jìn)行C掃描成像檢測(cè)；檢測(cè)完成后得到C掃描圖像，從該圖像可直接獲得缺陷在三維成像模型中高度位置、埋深信息；接著以二次界面波或底波進(jìn)行二次成像，由于增透薄膜材料可使超聲波透射率增大，反射率降低，且標(biāo)記線位置的底波可有效提高2～5 dB，而二次界面波相應(yīng)降低。以二次界面波或底波成像時(shí)標(biāo)記線位置可清晰識(shí)別，且不造成標(biāo)記線位置處的檢測(cè)靈敏度降低，從而在二次成像模型中可有效識(shí)別標(biāo)記線，獲得標(biāo)記線在成像模型中的精確位置；最后，計(jì)算缺陷與標(biāo)記線相對(duì)位置，最終得到缺陷在實(shí)際工件中的精確位置。

圖11(a)所示為鎂合金圓筒對(duì)比試塊表面采用增透膜二次界面波成像的識(shí)別效果圖；圖11(b)所示，為閘門位于一次底波得到的圖像，可直接得到鎂合金圓筒對(duì)比試塊中直徑為φ2.0 mm、埋深為5 mm的平底孔缺陷投影在C掃描三維成像模型中的空間坐標(biāo)位置為(=75.1 mm，=48.3 mm，=20.2 mm)，其中z坐標(biāo)即為缺陷距離工件底部的高度。另外，缺陷與右側(cè)標(biāo)記線的弧長(zhǎng)距離可確定缺陷在圓周方向的位置，缺陷埋深即為缺陷深度，以此最終確定內(nèi)部缺陷在被檢工件中的實(shí)際位置。表2所示為該缺陷的定位分析結(jié)果，其誤差均小于0.5 mm。

圖11 標(biāo)記線識(shí)別及缺陷定位示意圖Fig.11 Schematic diagram of mark line identification and defect location

表2 缺陷定位結(jié)果Table 2 Defect location analysis results

6 結(jié)論

1) 針對(duì)復(fù)雜型面鎂合金構(gòu)件的規(guī)格多樣、變曲率、變壁厚等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其檢測(cè)難度，提出了一種基于工業(yè)機(jī)器人的超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可解決構(gòu)件全覆蓋、螺旋式高速C掃描成像檢測(cè)；

2) 基于超聲測(cè)量模型獲取鎂合金構(gòu)件不同曲率入射時(shí)的DGS曲線簇，可應(yīng)用于鎂合金殼體構(gòu)件內(nèi)部缺陷的精確定量分析，定量誤差小于0.3 mm當(dāng)量直徑；

3) 本文提出的被檢件表面標(biāo)記線識(shí)別法可有效解決螺旋三維C掃描檢測(cè)中內(nèi)部缺陷的定位難題，實(shí)現(xiàn)缺陷在實(shí)際工件中精確標(biāo)記定位，定位誤差小于0.5 mm。