任 彥，王召巴，陳友興，李天寧

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

溫?cái)D成型的合金材料由于具有密度小、強(qiáng)度高、韌性高、質(zhì)量輕和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是采用溫?cái)D工藝制作的工件會(huì)在表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔、氣孔、夾雜物、裂紋等不同類型的缺陷，這些缺陷是產(chǎn)品在使用過程中所不允許的[1－2]。一旦火箭彈殼體中存在這等缺陷就會(huì)產(chǎn)生安全隱患，影響著火箭彈的生產(chǎn)質(zhì)量和安全性能[3－4]。

文中以鎂合金火箭彈殼體坯料為研究對(duì)象，采用超聲縱波水浸法根據(jù)不同部位缺陷采用不同的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。文中的研究對(duì)于該類產(chǎn)品的檢測(cè)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和參考意義。

1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

1.1 被測(cè)試件介紹

文中所研究對(duì)象是由柱體結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)組合而成。分為尾端、錐面、口端三部分。此類產(chǎn)品尾端為直徑Ф40～Ф50mm 的實(shí)心柱體結(jié)構(gòu)，錐面部分為空心管狀結(jié)構(gòu)，口端為內(nèi)徑Ф50～Ф60mm、外徑為Ф70～Ф80mm的空心柱體結(jié)構(gòu)。檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)截面示意圖如圖1所示。

圖1 合金彈頭工件結(jié)構(gòu)截面圖

1.2 檢測(cè)方法的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述原理，雖然聚焦探頭的能量集中，脈沖相對(duì)較窄，但是能量衰減較大，在檢測(cè)被測(cè)工件的表面缺陷時(shí)特征回波太小，無(wú)法辨別特征信號(hào)?；谥碧筋^能量適當(dāng)且回波信號(hào)比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為了保證特征信號(hào)的分辨率，因此文中采用晶片直徑Ф10mm、頻率5MHz直探頭進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)節(jié)探頭中心距殼體外表面距離使其滿足檢測(cè)要求，從而使探頭信號(hào)能量分布及特征區(qū)間選定如圖2所示。

圖2 被測(cè)件缺陷特征信號(hào)區(qū)間

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，使用上述方法，缺陷信號(hào)與無(wú)缺陷信號(hào)在所選特征區(qū)間內(nèi)能量值區(qū)分度達(dá)到0.4以上，可以通過對(duì)該特征值的判斷以獲得檢測(cè)位置的缺陷分布情況。

1.2.1 工件實(shí)心柱體部分檢測(cè)

工件尾端為實(shí)心體結(jié)構(gòu)，由于存在著不同位置的缺陷，在進(jìn)行檢測(cè)過程中將每個(gè)檢測(cè)截面分為近中心部分和近表面部分。在進(jìn)行檢測(cè)前人工制造兩處面積均為Ф2mm的孔狀缺陷，分別位于工件近表面處、工件近中心處。先采用超聲縱波垂直入射對(duì)截面近中心部分進(jìn)行缺陷檢測(cè)，再采用超聲縱波偏心入射對(duì)近表面部分進(jìn)行缺陷檢測(cè)。多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種方法的結(jié)合可以對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行有效的無(wú)遺漏的檢測(cè)，提高了檢測(cè)靈敏度。其缺陷檢測(cè)示意圖如圖3所示。

其中探頭正對(duì)被檢工件下方，以檢測(cè)其近中心部位缺陷。探頭發(fā)出的縱波經(jīng)水耦合垂直入射進(jìn)入工件內(nèi)部，聲波在工件的外表面處和內(nèi)表面處發(fā)生反射，部分反射回波被探頭接收，分別產(chǎn)生外表面回波和內(nèi)表面回波。如果構(gòu)件近中心部位存在缺陷，其缺陷回波將在內(nèi)表面回波和外表面回波之間出現(xiàn)。根據(jù)缺陷回波的有無(wú)和返回時(shí)間可以判斷和定位其缺陷。被檢工件的近中心部分缺陷特征信號(hào)的典型回波如圖4（a）所示。

調(diào)整探頭的入射位置使其縱波偏心入射，以檢測(cè)其近表面部位缺陷。在工件的內(nèi)表面處反射回波只有少部分被探頭接收到，所以內(nèi)表面的回波能量會(huì)減小甚至消失。內(nèi)表面回波的信號(hào)會(huì)變小，此時(shí)，如果構(gòu)件表面或近表面部分存在缺陷，聲波在缺陷處的反射波將沿原路徑返回，回波在外表面回波之后出現(xiàn)。被檢工件的近表面部分缺陷特征信號(hào)的典型回波如圖4（b）所示。

圖3 合金工件實(shí)心柱體檢測(cè)示意圖

圖4 合金工件實(shí)心柱體檢測(cè)回波特征信號(hào)

1.2.2 工件錐面部分檢測(cè)

在對(duì)合金彈頭錐面部分進(jìn)行檢測(cè)的過程中，探頭必須和工件外表面垂直，假設(shè)錐面小端直徑為D1，大端直徑為D2，高為H。如圖5所示，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度α可由下式計(jì)算獲得：

圖5 合金工件錐面檢測(cè)示意圖

由于工件此部分為中空結(jié)構(gòu)，所以采用超聲縱波偏心入射對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度經(jīng)過計(jì)算準(zhǔn)確的與工件入射界面垂直，對(duì)位于工件內(nèi)表面處的長(zhǎng)度為5mm深度為1mm的人工劃痕缺陷處進(jìn)行檢測(cè)。其特征信號(hào)的典型回波如圖6所示。

圖6 錐面處回波特征信號(hào)

1.2.3 工件空心柱體部分檢測(cè)

工件口端為空心柱體結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行檢測(cè)過程中采用超聲縱波偏心入射對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)，在檢測(cè)前人工制造了三處面積為Ф2mm的孔狀缺陷。其缺陷位置示意圖如圖7所示。其各處的特征信號(hào)的典型回波如圖8所示。

圖7 合金工件空心部分檢測(cè)示意圖

圖8 合金工件空心部分檢測(cè)回波特征信號(hào)

2 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)要求在檢測(cè)范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確定位缺陷位置且分辨率達(dá)到Ф2mm以下?；谏鲜鰴z測(cè)原理和方法，系統(tǒng)采用對(duì)火箭彈殼體圓周旋轉(zhuǎn)，超聲探頭直線進(jìn)給從而實(shí)現(xiàn)對(duì)殼體的C掃描。

系統(tǒng)以工控機(jī)作為控制和處理核心，利用三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以三維運(yùn)動(dòng)的方式對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃描，通過各模塊對(duì)機(jī)械動(dòng)作和檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)的自動(dòng)化。在檢測(cè)進(jìn)行過程中，火箭彈殼體的圓周向旋轉(zhuǎn)和超聲探頭盒的各向移動(dòng)通過電機(jī)控制卡對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。通過兩個(gè)方向上的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)構(gòu)件按照既定參數(shù)進(jìn)行C掃描。掃描過程中，光電開關(guān)負(fù)責(zé)圓周向起始和結(jié)束位置的確定；絕對(duì)式編碼器用來(lái)控制超聲信號(hào)的采集；通過上述參數(shù)的記錄從而獲得缺陷的位置參數(shù)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖9所示。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

按照上述介紹的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)已制作人工缺陷（其中五處為面積為Ф2mm的孔狀缺陷，位于尾端（2處）和口端（3處），另外一處為工件錐面處內(nèi)表面劃痕）的火箭彈鎂合金殼體坯料進(jìn)行C掃描圖像重構(gòu)。獲得的缺陷圖像如圖10所示。

圖10 工件人工缺陷C掃描結(jié)果

該掃描圖較直觀的顯示了面積為Ф2mm的五處人工孔狀缺陷和人工表面劃痕缺陷全部檢出。經(jīng)過多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，在C掃描圖中缺陷位置顯示穩(wěn)定。缺陷C掃描圖信噪比較高，能量分布較為均勻。

通過與標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷面積對(duì)比得出系統(tǒng)對(duì)缺陷位置計(jì)算較為準(zhǔn)確，且系統(tǒng)的分辨率達(dá)到了Ф2mm。

4 結(jié)論

針對(duì)火箭彈殼體工件形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，在檢測(cè)時(shí)將其分為了實(shí)心柱體、錐面、空心柱體三部分。對(duì)工件尾端實(shí)心柱體部分采用超聲縱波垂直入射和超聲縱波偏心入射對(duì)其進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。對(duì)工件錐面部分通過準(zhǔn)確計(jì)算使探頭與工件檢測(cè)面相垂直，結(jié)合工件該部分的形狀采用縱波偏心入射對(duì)其進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。對(duì)于口端空心柱體部分采用縱波偏心入射對(duì)其進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。通過C掃描的顯示方式，獲得了構(gòu)造質(zhì)量圖像。檢測(cè)結(jié)果表明多種檢測(cè)方法的有效結(jié)合可以對(duì)工件進(jìn)行無(wú)盲區(qū)無(wú)遺漏的檢測(cè)且缺陷位置較為準(zhǔn)確，缺陷檢測(cè)最小分辨率達(dá)到Φ2mm，檢測(cè)靈敏度得到了提高。為具有此類結(jié)構(gòu)火箭彈殼體的缺陷檢測(cè)提供了一種有效的檢測(cè)手段。

此外，系統(tǒng)較好的解決了該系列不規(guī)則的火箭彈坯料殼體的自動(dòng)檢測(cè)問題，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程自動(dòng)化，檢測(cè)結(jié)果直觀化、智能化。同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)具有一定的通用性，針對(duì)不同規(guī)格不同型號(hào)的工件的檢測(cè)，可以通過調(diào)整機(jī)械支架的方式予以實(shí)現(xiàn)。

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