相控陣超聲相控陣成像技術(shù)在輪軸向缺陷檢測中的應(yīng)用

相控陣超聲相控陣成像技術(shù)在輪軸向缺陷檢測中的應(yīng)用

0輪軸向缺陷試塊的射線檢測工藝超聲檢測技術(shù)具有檢測可靠性快、操作簡單、對人體安全無害等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。它可以非特異性地檢測金屬材料和內(nèi)部和表面缺陷的大小、起源和分布。無損檢測共有三個(gè)階段,分別是缺陷位置定位、缺陷尺寸定量和缺陷類型定性。準(zhǔn)確“三定”問題:準(zhǔn)確確定缺陷的尺寸、方位和性質(zhì),一直是超聲檢測的難題。這三者的關(guān)系層層遞進(jìn)而且檢測難度也越來越大,而缺陷類型的定性技術(shù)至今還沒有成熟的模式。本文采用直射聲束法對輪輞軸向缺陷試塊中橫孔的徑向深度和軸向深度進(jìn)行了檢測,精確定位了橫孔的位置,并通過AVG曲線法對缺陷的尺寸進(jìn)行了定量評定和分析。本文的研究內(nèi)容可以為金屬板生產(chǎn)和無損檢測提供檢測方案與實(shí)驗(yàn)參考,為研究缺陷類型的定性評定打下基礎(chǔ)。1超聲橫波的傳播本文采用輪輞軸向缺陷試塊作為檢測對象,其材質(zhì)與實(shí)際的火車輪輞材質(zhì)相同,超聲縱波在其中的傳播速度是5870m/s,超聲橫波在其中的傳播速度是3200m/s,試塊與缺陷的詳細(xì)參數(shù)如圖1所示。試塊中共有三處缺陷,都是從輪輞外側(cè)向內(nèi)側(cè)延伸的橫孔,三個(gè)橫孔的直徑都是2mm,但軸向深度分別為20mm、60mm、100mm。實(shí)驗(yàn)的目的就是用超聲檢測技術(shù)精確定位橫孔的具體位置(踏面徑向深度和軸向深度),并且根據(jù)檢測波形和數(shù)據(jù)對橫孔的直徑和軸向深度進(jìn)行定量評定。2缺陷尺寸評定的準(zhǔn)確性直射聲束法通常采用縱波檢測平行于檢測面的缺陷。由于波型和傳播方向不變,缺陷定位比較方便、準(zhǔn)確,可用當(dāng)量法對缺陷尺寸進(jìn)行評定。而且,在同一介質(zhì)中傳播時(shí),縱波速度大于其他波型的速度,穿透力強(qiáng),可探測試件的厚度大。超聲相控陣直射聲束方案是用直探頭直接檢測橫孔的具體位置和軸向深度,探頭發(fā)出超聲波,當(dāng)超聲波遇到界面時(shí),就會(huì)發(fā)生反射,通過反射回波來反映缺陷信息。2.1反射回波的半聲程用直射聲束法進(jìn)行檢測時(shí),如果超聲檢測儀的時(shí)基線是按1∶n的比例調(diào)節(jié),觀察到缺陷回波前沿所對的水平刻度值為τf,則缺陷至探頭的距離xf為:xf=nτf(1)在聲速均勻的情況下,反射回波的時(shí)間間隔與傳播距離是嚴(yán)格成正比,因此,在經(jīng)過校正的時(shí)基線上讀出的缺陷深度是很精確的,所以橫孔踏面徑向深度即為反射回波的半聲程,如圖2所示。2.2橫孔軸向深度檢測與徑向深度檢測不同的是,橫孔軸向深度是試塊軸向長度與缺陷回波的半聲程之差,如圖3所示。3非缺陷回波的檢測在缺陷回波的波形圖中,除了始波、底波、和缺陷回波等重要信號外,還常出現(xiàn)一些其它回波信號,總稱為非缺陷回波或干擾波,如圖4所示。這些信號有許多和缺陷回波難以區(qū)別,常常被誤認(rèn)為是缺陷回波,從而影響檢測結(jié)果的正確判斷。常見的非缺陷回波有從側(cè)壁、外形輪廓的干擾形成的遲到回波、61°反射波和45°反射波、儀器雜波和探頭雜波、輪廓回波等。遲到回波只有在用縱波直探頭對細(xì)長或扁長試塊進(jìn)行縱向檢測時(shí)才可能出現(xiàn);當(dāng)試塊中存在特殊取向缺陷使入射聲束軸線與入射點(diǎn)法線夾角為61°或45°時(shí),就會(huì)出現(xiàn)61°反射波或45°反射波。本實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的非缺陷回波有儀器雜波、探頭雜波和輪廓回波。4實(shí)驗(yàn)過程4.1參數(shù)調(diào)整4.1.1復(fù)合基本粒子檢測時(shí)基線調(diào)整的目的,一方面是使水平掃描線顯示的范圍足以包含需檢測的深度范圍,另一方面,使時(shí)基線刻度與在材料中聲傳播的距離成一定比例,以準(zhǔn)確讀出缺陷回波的聲程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同,所需要檢測的范圍也會(huì)有所不同,應(yīng)該遵循在完整顯示缺陷回波的條件下屏蔽多次反射回波的原則。時(shí)基線刻度一般與超聲傳播半聲程相對應(yīng),比例默認(rèn)為1∶1。4.1.2脈沖寬度n根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,調(diào)節(jié)脈沖電壓為115V,調(diào)節(jié)脈沖寬度為100ns;由于本實(shí)驗(yàn)使用的5L16-A10型超聲相控陣探頭的默認(rèn)頻率為5MHz,所以將濾波器的頻率也調(diào)整為5MHz。4.1.3掃描角度和焦點(diǎn)深度的調(diào)整首先把掃查角度調(diào)整為-10°到+10°,以實(shí)現(xiàn)0°角的掃查,聚焦深度應(yīng)該基本上與缺陷深度相對應(yīng)。4.2檢測缺陷的回波過程首先將掃查角度調(diào)整為-10°到+10°,其余項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)值,完成初次參數(shù)設(shè)置。在探頭上涂抹適量超聲耦合劑,用探頭在試塊的踏面上進(jìn)行檢測,觀察顯示屏的回波情況,當(dāng)檢測到缺陷時(shí)將掃描角度定為0°,觀察并記錄該缺陷的大致深度。然后重新返回參數(shù)設(shè)置界面,將聚焦深度設(shè)置為缺陷的大致深度,完成最終參數(shù)設(shè)置并且重新檢測缺陷,調(diào)節(jié)增益使缺陷回波的幅值為80%,記錄此時(shí)的增益大小和缺陷的深度。按照此步驟完成三個(gè)橫孔缺陷的踏面徑向深度檢測。檢測橫孔軸向深度的步驟與檢測踏面徑向深度的步驟基本相同,只是探頭的檢測面由踏面變?yōu)檩嗇y試塊外側(cè)平面,時(shí)基線檢測范圍調(diào)整到200mm。5結(jié)果與分析5.1踏面底波的檢測采用直射法檢測徑向深度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,踏面底波后,按照踏面徑向深度由淺到深排序,依次為10mm、25mm、40mm。波形圖的參數(shù)信息是:掃描角度為0°,時(shí)基線檢測范圍是100mm。檢測踏面底波的原因是讓其作為定量評定的參照,踏面底波波形圖中只有始波和底波,橫孔波形圖中則有始波、缺陷回波和底波。從波形圖中可以看到,除了一些波幅很小的雜波以外,并沒有出現(xiàn)干擾波,這就說明實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)設(shè)置較為合理,而且探頭與試塊之間耦合充分。當(dāng)缺陷回波的幅度達(dá)到80%時(shí),增益和半聲程如表1所示。5.2回波的形成的非缺陷回波采用直射法檢測軸向深度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,軸向底波后,按照軸向深度由淺到深排序,依次為40mm、80mm、120mm。波形圖的參數(shù)信息是:掃描角度為0°,時(shí)基線檢測范圍是200mm。同樣,為了進(jìn)行當(dāng)量評定,橫孔軸向深度檢測時(shí)也需要檢測底面回波。從波形圖中可以看到,除了始波、缺陷回波、底面回波之外,有兩處波幅較大的非缺陷回波。在圖6(c)中,非缺陷回波位于缺陷回波與底面回波之間;而在6(d)圖中,非缺陷回波位于始波與缺陷回波之間。參照圖4可以發(fā)現(xiàn),圖4(c)中的非缺陷回波很有可能是波束遇到側(cè)面反射而形成的,圖4(d)中的非缺陷回波則是波束遇到弧形輪廓反射而形成的。當(dāng)缺陷回波的幅度達(dá)到80%時(shí),增益和半聲程如表2所示。5.3誤差波動(dòng)小綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,誤差如表3所示。在橫孔踏面徑向深度檢測實(shí)驗(yàn)中,采用直射聲束法檢測的誤差波動(dòng)較小,反射回波的波形圖也沒有爬波等干擾波,檢測效果良好。在橫孔軸向深度檢測實(shí)驗(yàn)中,直射法反射回波的波形圖中出現(xiàn)了輪廓回波等非缺陷波,對缺陷回波的分析有較大影響。5.4回波高度法與長度測量法的適用條件定量評定的方法主要有三種,即回波高度法、當(dāng)量評定法和長度測量法。回波高度法不能明確給出缺陷的尺寸,長度測量法的適用條件是缺陷面積要大于聲束截面,當(dāng)量評定法較符合本課題要求。本文采用當(dāng)量計(jì)算法和AVG曲線相結(jié)合的方法來進(jìn)行定量評定。橫孔編號示意圖如圖7所示。5.5缺陷分量的計(jì)算AVG曲線法沒有近場長度的限制,在三倍近場長度之外它的原理與當(dāng)量計(jì)算法相同,都是基于聲壓曲線在遠(yuǎn)場區(qū)單調(diào)下降的特性。而在近場區(qū)內(nèi),通用AVG曲線是根據(jù)實(shí)際測量值繪制的,原理與試塊對比法相似。用AVG曲線給缺陷定量的原理與當(dāng)量計(jì)算法相同,首先要測出缺陷回波幅度相對于某一基準(zhǔn)反射體回波幅度的分貝差,本實(shí)驗(yàn)中基準(zhǔn)是試塊的底面回波。根據(jù)測得的分貝差,在通用AVG曲線中可以查出缺陷的當(dāng)量尺寸。用AVG曲線確定缺陷當(dāng)量時(shí),根據(jù)缺陷回波與基準(zhǔn)回波的分貝差值以及缺陷的歸一化距離A和基準(zhǔn)反射體的歸一化距離Aj,從AVG曲線上就可以查到歸一化的缺陷當(dāng)量尺寸G,則缺陷的當(dāng)量尺寸d為:d=GD(2)式中:D為探頭的晶片直徑。用AVG曲線確定缺陷當(dāng)量時(shí),根據(jù)缺陷回波與基準(zhǔn)回波的分貝差值以及缺陷的歸一化距離A和基準(zhǔn)反射體的歸一化距離Aj:式中:x為缺陷回波半聲程;xj為底面回波半聲程;N為近場強(qiáng)度,在本實(shí)驗(yàn)中為19.63mm。以軸向橫孔1的檢測數(shù)據(jù)為例,先計(jì)算出A=5.87、Aj=7.13,接著過Aj=7.13處作垂線交B曲線與a點(diǎn),從比a點(diǎn)低23.8dB的b處作水平線與過A=5.87所作的垂線相交與c,則c點(diǎn)對應(yīng)的G值就是缺陷的歸一化尺寸為0.21。把G值帶入式(2)中即可求出缺陷的當(dāng)量尺寸d=2.02(如圖8所示)。采用AVG曲線法進(jìn)行當(dāng)量評定的計(jì)算結(jié)果如表4所示。圖9為相對誤差分析曲線圖,從圖9中可以看出,對位于遠(yuǎn)場區(qū)的缺陷回波進(jìn)行評定更為精確,相對誤差都能控制在可接受范圍以內(nèi);而對位于近場區(qū)的缺陷回波進(jìn)行評定則較為困難,相對誤差不能滿足評定要求。其原因在于通用AVG曲線圖中的遠(yuǎn)場區(qū)部分是經(jīng)過計(jì)算校準(zhǔn)得到的,而近場區(qū)部分則是通過直探頭實(shí)際檢測得到的,但是直探頭的型號多樣,不同型號的直探頭性能也有所差異,因此在近場區(qū)部分存在誤差。本實(shí)驗(yàn)通過相控陣探頭調(diào)整掃查角度實(shí)現(xiàn)0°掃描來模擬直探頭,相控陣探頭聲束與直探頭聲束差異較大,這也是導(dǎo)致在近場區(qū)相對誤差較大的原因。6計(jì)檢測結(jié)果分析本文設(shè)計(jì)了基于超聲相控陣的金屬板無損探傷檢測方案,詳細(xì)闡述了檢測原理和缺陷精確定位的方法,對本實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的非缺陷回波以及解決方法進(jìn)行了闡述。按照檢測方案和實(shí)驗(yàn)步驟,完成了實(shí)驗(yàn)所需要數(shù)據(jù)的檢測,對波形圖中出現(xiàn)的非缺陷回波進(jìn)行了分析。根據(jù)檢測結(jié)果,對橫孔的踏面徑向深度和軸向深度進(jìn)行了計(jì)算分析,應(yīng)用AVG曲線法對橫孔