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(1.西部新鋯核材料科技有限公司，西安 710200; 2.重慶凱立儀器有限公司，重慶 330520)

鋯合金管坯在超聲檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)管坯尺寸進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)測(cè)管材尺寸的均一性。

國(guó)內(nèi)外一般采用自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備對(duì)內(nèi)外徑、壁厚進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。該方法需要精密的機(jī)械控制系統(tǒng)和穩(wěn)定的恒溫控制系統(tǒng)，才能保證較高的尺寸測(cè)量精度[1-2]。

筆者重點(diǎn)介紹了一套國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)的管材超聲檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在探傷的基礎(chǔ)上增加了激光測(cè)徑和超聲測(cè)厚方法。其在保證測(cè)試精度的前提下，能同時(shí)對(duì)管材內(nèi)、外徑和壁厚進(jìn)行測(cè)量。在鋯合金管坯的生產(chǎn)應(yīng)用中，該系統(tǒng)不僅保證了產(chǎn)品尺寸檢測(cè)精度，還能提高尺寸檢測(cè)效率，能夠滿(mǎn)足管坯尺寸檢測(cè)的需要。

1 管材尺寸測(cè)量原理

文章應(yīng)用的管材尺寸測(cè)量系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)式超聲管材檢測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)功能應(yīng)用。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括尺寸測(cè)量部分和探傷部分，其功能示意如圖1所示。

圖1 探傷和尺寸測(cè)量系統(tǒng)功能示意

探傷系統(tǒng)分為縱向缺陷檢測(cè)和橫向缺陷檢測(cè)，縱向缺陷檢測(cè)探頭如圖1中L1和L2布置，橫向缺陷檢測(cè)探頭如T1和T2布置。

尺寸測(cè)量與探傷共用一套軟件應(yīng)用系統(tǒng)，分為外徑測(cè)量和壁厚測(cè)量。

外徑測(cè)量采用一個(gè)或多個(gè)激光測(cè)徑儀固定在探傷系統(tǒng)的入口，在管材穿過(guò)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)在管材的軸向方向是連續(xù)的。

壁厚測(cè)量時(shí)，兩個(gè)聚焦探頭分別置于管材兩側(cè)(如圖1中W1和W2布置)，且與管材處在同一中心線上，探頭與管材之間用水作耦合劑。測(cè)量時(shí)，探頭圍繞管材高速旋轉(zhuǎn)，管材直線前進(jìn)。

測(cè)量系統(tǒng)的工作頻率為數(shù)千赫茲，即每秒測(cè)量數(shù)千次，每次均可測(cè)量出管材的壁厚數(shù)據(jù)，因而，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管材壁厚尺寸的連續(xù)測(cè)量[1]。最后，通過(guò)軟件結(jié)合激光測(cè)徑儀測(cè)出的外徑數(shù)據(jù)，可算出管材的內(nèi)徑數(shù)據(jù)。

具體工作原理如下：

(1) 外徑測(cè)量

系統(tǒng)采用2個(gè)單體激光測(cè)徑儀(角度相差45°)從4個(gè)方向上(兩兩相互垂直)來(lái)檢測(cè)鋯管的外徑，測(cè)量示意如圖2所示。采用2個(gè)測(cè)徑儀可以測(cè)出管材軸向同一截面上的4個(gè)外徑數(shù)據(jù)OD1、OD2、OD3、OD4。

圖2 管材外徑測(cè)量示意

將這4個(gè)數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算鋯管的外徑OD，通過(guò)編碼器將管材對(duì)應(yīng)位置及該截面位置的外徑數(shù)據(jù)保存在軟件緩沖區(qū)中。

(1)

(2) 壁厚測(cè)量

圖3 管材壁厚測(cè)量示意

管材壁厚時(shí)(見(jiàn)圖3)，探頭產(chǎn)生的超聲波脈沖透過(guò)耦合劑水經(jīng)過(guò)管材內(nèi)、外表面時(shí)產(chǎn)生反射回波，通過(guò)探頭接收被管材內(nèi)外壁反射回波的時(shí)間差，可以精確計(jì)算出管壁中超聲波單次傳播的時(shí)間。由此可通過(guò)式(2),(3)得到管材的壁厚。

W1=c鋯t1

(2)

W2=c鋯t2

(3)

式中：W1，W2為管材壁厚；c鋯為聲波在鋯管材中的傳播速度；t1，t2為超聲波在金屬管壁W1和W2中的傳播時(shí)間。

可見(jiàn)，在進(jìn)行管材壁厚測(cè)量時(shí)，需要知道超聲波在管材中的傳播速度c。因?yàn)榫_測(cè)量每一支管材的聲速是不太現(xiàn)實(shí)的；所以實(shí)際應(yīng)用中，認(rèn)為同一工藝條件下生產(chǎn)的同規(guī)格管材的聲速是相同的。即選用其中一支管材制作成尺寸校準(zhǔn)管，用來(lái)調(diào)試儀器，修正管材的聲速c，保證管材壁厚測(cè)量的準(zhǔn)確性[1]。

(3) 內(nèi)徑測(cè)量

當(dāng)管材經(jīng)過(guò)兩個(gè)測(cè)量壁厚的探頭時(shí)，測(cè)厚儀器按以上方法計(jì)算出鋯管的兩個(gè)壁厚數(shù)據(jù)W1和W2；此時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)出對(duì)應(yīng)位置的外徑值OD，就可以計(jì)算出該位置的內(nèi)徑數(shù)據(jù)ID。

ID=OD-W1-W2

(4)

2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)平臺(tái)、電氣及控制系統(tǒng)、超聲檢測(cè)系統(tǒng)、外徑測(cè)量系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備硬件及相應(yīng)軟件。其主要特點(diǎn)如下：

(1) 檢測(cè)平臺(tái)包括了升降平臺(tái)、探頭旋轉(zhuǎn)裝置、管材夾持送進(jìn)裝置等。該設(shè)備探頭轉(zhuǎn)速最高為1 600 r·min-1，管材的送進(jìn)速度最高為10 m·min-1。

(2) 超聲檢測(cè)系統(tǒng)包括探傷部分和壁厚測(cè)量部分，可實(shí)現(xiàn)壁厚的連續(xù)測(cè)量。

(3) 外徑測(cè)量采用激光測(cè)徑儀固定式測(cè)量，測(cè)試精度為0.002 mm。

(4) 水循環(huán)系統(tǒng)可以循環(huán)提供耦合水，且耦合水帶冷卻功能。

(5) 工控機(jī)中安裝有相應(yīng)的管理軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制及對(duì)檢測(cè)結(jié)果的條帶圖顯示、統(tǒng)計(jì)和查詢(xún)等功能。

3 鋯合金管坯尺寸測(cè)量的應(yīng)用

管坯是成品管材制造過(guò)程中的重要工序的產(chǎn)品。管坯內(nèi)、外表面質(zhì)量的好壞及管坯尺寸的均勻性是后續(xù)成品管材軋制的重要保證。因此管坯檢驗(yàn)中，尺寸測(cè)量是很重要的一部分，文章應(yīng)用的測(cè)量系統(tǒng)是專(zhuān)為管坯尺寸測(cè)量而設(shè)計(jì)的。

筆者以φ63.5 mm(外徑)×10.92 mm(壁厚)鋯合金管坯為例,驗(yàn)證該系統(tǒng)尺寸測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

3.1 尺寸標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì)

由尺寸測(cè)量原理可知，外徑測(cè)量采用的是激光測(cè)徑的方法，其測(cè)量的準(zhǔn)確性與儀器相關(guān)，與管材材料無(wú)關(guān)，所以測(cè)徑儀器計(jì)量合格后，無(wú)需再次進(jìn)行校準(zhǔn)。但管材壁厚的測(cè)量，由測(cè)量原理知必須要有一個(gè)已知壁厚尺寸的標(biāo)準(zhǔn)管，用以精確校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)(實(shí)際校準(zhǔn)管材的聲速)。

實(shí)際應(yīng)用中，尺寸標(biāo)準(zhǔn)管一般采用同一規(guī)格、同一加工工藝的管材加工而成，一般在標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷管的一端加工2個(gè)約10 mm長(zhǎng)，尺寸均勻的臺(tái)階孔(見(jiàn)圖4)，兩段臺(tái)階孔分別進(jìn)行計(jì)量(計(jì)量段測(cè)試值不少于10組，取平均值作為該計(jì)量段的計(jì)量值)，其中一段用于校準(zhǔn)，一段用于穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性測(cè)試。

圖4 尺寸標(biāo)準(zhǔn)管尺寸示意

3.2 儀器設(shè)備

系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)厚采用型號(hào)為USIP40的多通道數(shù)字化超聲檢測(cè)儀。

外徑測(cè)量設(shè)備為DG2100型雙向激光測(cè)徑儀。

3.3 檢測(cè)探頭

壁厚檢測(cè)探頭采用兩個(gè)參數(shù)相同的線聚焦探頭，其頻率為10 MHz，焦距為1.0 in.(1 in.=25.40 mm)，晶片直徑為0.375 in.。

3.4 檢測(cè)工藝參數(shù)

檢驗(yàn)的工藝參數(shù)包括：探頭的旋轉(zhuǎn)速度、管材的前進(jìn)速度和儀器的重復(fù)頻率。

一般要求檢測(cè)螺距為1～2 mm，儀器的重復(fù)頻率不少于3 kHz，以保證在管材的一個(gè)螺旋截面上測(cè)量的數(shù)據(jù)可達(dá)50組[1]。檢測(cè)系統(tǒng)從每個(gè)螺旋截面測(cè)取的數(shù)據(jù)中，選出最大值和最小值進(jìn)行記錄，一直從管頭到管尾，形成最大值和最小值的測(cè)量曲線，如圖4所示。

圖5 尺寸測(cè)量條帶記錄

圖4中標(biāo)識(shí)的第8行曲線為兩個(gè)探頭分別檢測(cè)到的管材壁厚，第9,10行曲線為管材激光測(cè)出的外徑，第11行曲線為管材內(nèi)徑。每個(gè)通道都會(huì)顯示出整個(gè)管材相應(yīng)數(shù)據(jù)的最大和最小值。如果某一點(diǎn)超差，系統(tǒng)將在曲線圖的對(duì)應(yīng)位置處有報(bào)警顯示。

3.5 尺寸測(cè)量精度

按測(cè)試方法測(cè)試5次，所測(cè)管材的外徑、壁厚和內(nèi)徑的測(cè)試平均值與計(jì)量平均值的偏差如表1～3所示。

表1 管材的外徑測(cè)試數(shù)據(jù) mm

表2 管材的壁厚測(cè)試數(shù)據(jù) mm

表3 管材的內(nèi)徑測(cè)試數(shù)據(jù) mm

從測(cè)試結(jié)果可以看出，外徑實(shí)際測(cè)量誤差不超過(guò)±0.008 mm；壁厚實(shí)際測(cè)量誤差不超過(guò)±0.02 mm，內(nèi)徑測(cè)量誤差不超過(guò)±0.025 mm，可以滿(mǎn)足管坯的尺寸檢測(cè)要求。

3.6 測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

參照國(guó)外ROTA設(shè)備超聲檢測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試方法[1]:連續(xù)測(cè)量20次，計(jì)算出這20次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以此作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)

果顯示，該系統(tǒng)尺寸測(cè)量的外徑偏差<0.006 mm；壁厚偏差<0.01 mm；內(nèi)徑偏差<0.015 mm。

4 測(cè)量系統(tǒng)精度的影響因素

經(jīng)分析及參考相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]結(jié)論認(rèn)為，影響該系統(tǒng)測(cè)量精度的因素主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣管壁厚的計(jì)量誤差會(huì)傳遞到系統(tǒng)的校準(zhǔn)誤差中。

(2) 兩個(gè)測(cè)量探頭與被測(cè)管材的不同心，或管材移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度產(chǎn)生很大影響。

(3) 激光測(cè)徑儀設(shè)備的測(cè)量誤差是影響因素，同時(shí)管材表面的污物(如水等附著物)對(duì)外徑的測(cè)量也有較大的影響。

(4) 超聲儀器穩(wěn)定性的影響，如壁厚中傳播時(shí)間的測(cè)量誤差。

該方法存在局限性時(shí)，可以與其他的測(cè)量方法進(jìn)行配合使用。

5 結(jié)論

對(duì)于管坯檢測(cè)來(lái)說(shuō)，利用該系統(tǒng)的激光測(cè)徑和超聲波測(cè)厚的尺寸檢測(cè)方法，在滿(mǎn)足管坯尺寸測(cè)量精度的同時(shí)，還可以提高管坯尺寸的檢驗(yàn)效率，也可以監(jiān)測(cè)管坯尺寸的均一性，以指導(dǎo)管坯軋制工藝的改進(jìn)。

相對(duì)于機(jī)械測(cè)量的方法，該系統(tǒng)的尺寸測(cè)量方法具有檢測(cè)速度快、測(cè)量數(shù)據(jù)多、可顯示管材整體尺寸特征的優(yōu)點(diǎn)，是其他管材尺寸測(cè)量方法的有益補(bǔ)充。

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