趙宏文

(山西焦煤集團 機械電氣有限公司，山西 太原 030024)

無損檢測簡稱為NDT，它是指在不破壞和不損傷被檢測物體物理結(jié)構(gòu)的情況下，對其性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進行檢測的一種技術(shù)。目前，常用的無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測、射線探傷、滲透檢測、磁粉檢測和渦流檢測等5種。超聲無損檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)，超聲無損探傷的優(yōu)點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害、能對缺陷進行定位和定量。對于保證箱體件的質(zhì)量起主要作用，超聲檢測技術(shù)能夠?qū)^大多數(shù)箱體產(chǎn)品進行全面的無損檢測,確保其質(zhì)量和檢測的可靠性[1]. 但是，超聲無損探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀因素影響，對被測表面要求平整等，使超聲探傷具有局限性[2-3].

1 超聲無損檢測原理

1.1 超聲檢測物理模型

超聲探傷的實質(zhì)是以波動形式在彈性介質(zhì)中傳播的機械振動，其頻率高于20 kHz. 發(fā)射頻率f、波長λ和聲速c滿足式[2]：

(1)

當(dāng)超聲波經(jīng)過不同介質(zhì)的分界面時，可能發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。垂直于被測工件入射時，聲壓反射系數(shù)：

(2)

聲壓透射系數(shù)：

(3)

式中，pc、pr、pt分別表示入射波、反射波和透射波的聲壓；z1、z2分別表示兩種不同介質(zhì)的聲阻抗。

超聲探傷的工作過程為：檢測探頭發(fā)射出超聲波，通過耦合劑進入被檢工件，假定臨界面為工件入射面，正方向為超聲發(fā)射方向，在超聲的傳播方向上某點的波動方程可用下式表示[4-5]：

pi(x,t)=∑pi0ej(wt-kx)

(4)

式中，pi0表示超聲波幅值；i表示材料中沿超聲波傳播方向上的第i個點；k表示波數(shù)，大小等于w/c；w表示角頻率；c表示超聲波在材料中的傳播速度。

1.2 脈沖反射法

超聲檢測脈沖反射法的原理見圖1，超聲波在被檢測工件內(nèi)部傳播過程中，如果遇到不同介質(zhì)的界面，聲波信號將會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，反射信號的功率與介質(zhì)的反射率有關(guān)。聲波的反射率計算公式[6]：

(5)

式中，z1為入射方的介質(zhì)聲阻抗，z1=p1c1，p1為入射方的介質(zhì)密度，c1為超聲波在入射介質(zhì)中的速度大??；z2為反射方的介質(zhì)聲阻抗，z2=p2c2，p2為反射方的介質(zhì)密度，c2為超聲波在反射介質(zhì)中的速度大小。

圖1 超聲檢測脈沖反射法原理圖

如圖1所示，當(dāng)被檢測工件沒有缺陷時，沒有缺陷回波；當(dāng)被檢測工件有小缺陷時，在底波和始波之間會出現(xiàn)缺陷波，該回波的幅值與缺陷的大小有關(guān)；當(dāng)被檢測工件中缺陷大于超聲波束寬度時，只顯示始波和缺陷波。此外，采用脈沖反射法對工件進行檢測時只需要檢測一個側(cè)面就可以完成測試，超聲檢測靈敏度高，可實現(xiàn)對超聲的定位和缺陷大小的判斷。

2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

箱體類零件超聲檢測設(shè)備的總體方案設(shè)計圖見圖2，該設(shè)備與五軸聯(lián)動的數(shù)控機床類似，各坐標(biāo)軸之間的運動關(guān)系要使檢測探頭與被檢測的箱體零件之間實現(xiàn)相對運動，實現(xiàn)超聲檢測探頭對零件任何一個表面的檢測。選擇在該設(shè)備X軸、Y軸、Z軸3個方向的直線運動基礎(chǔ)上加上兩個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運動，實現(xiàn)五軸聯(lián)動。由于移動龍門框架的造價低,容易制造生產(chǎn)，選取移動龍門框架為工作臺基礎(chǔ)框架。工作臺移動時，整機長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動式龍門設(shè)備的整機長度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。

圖2 箱體類零件超聲檢測設(shè)備的總體方案設(shè)計示意圖

2.1 探頭及轉(zhuǎn)盤設(shè)計

探頭部分的總體結(jié)構(gòu)見圖3，檢測探頭需要完成兩個回轉(zhuǎn)運動，即A軸傳動和C軸傳動。為使該設(shè)備具有自動更換檢測探頭的功能，此次設(shè)計將6個不同的探頭安裝位置設(shè)計在一個六邊形轉(zhuǎn)盤中，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動可以同時完成探頭的更換與檢測過程中探頭的擺動，見圖4.

圖3 探頭部分總體設(shè)計示意圖

圖4 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2.2 工作臺與水箱的設(shè)計

由于超聲波信號在空氣中衰減嚴重，超聲檢測設(shè)備設(shè)計的檢測過程在水箱中進行。整個水箱采用3 mm厚的304不銹鋼鋼板焊接而成，并將工作臺放置于水箱中，見圖5.

圖5 工作臺與水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.3進給傳動部件設(shè)計

由于三軸的進給運動都由帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進給驅(qū)動系統(tǒng)控制，所以都屬于伺服系統(tǒng)，主要包括X、Y、Z三軸直線滑臺選型及設(shè)計。根據(jù)直線滑臺垂直方向的最大承重和行程要求，分別在X、Y、Z三軸直線滑臺上選擇臺東佑達自動化科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿滑臺，型號ETL22-50A38-2115-A-C4、ETH17-L5-750 -BC-T75B -C4、ETH22-L5-1250-M-T75B-C4.

3 檢測系統(tǒng)控制方案設(shè)計

3.1 超聲檢測系統(tǒng)整體方案設(shè)計

以被檢測工件的實際情況、檢測所需達到的要求和檢測條件為依據(jù)，初步確定該檢測系統(tǒng)的5個部分：超聲檢測子系統(tǒng)，機械掃描及其控制子系統(tǒng)，超聲檢測信號處理子系統(tǒng)，檢測操作子系統(tǒng)，系統(tǒng)校準(zhǔn)試件。系統(tǒng)組成框圖見圖6.

圖6 超聲檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

在該檢測系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)探頭的掃描運動，機械結(jié)構(gòu)部分可以仿照五軸加工中心，實現(xiàn)五軸聯(lián)動，控制完成運動。箱體類零件缺陷超聲自動檢測系統(tǒng)示意圖見圖7. 由圖7可知，該控制系統(tǒng)需要控制5個軸，實現(xiàn)五軸聯(lián)動，使得探頭能夠完成箱體件的掃描運動。在機械掃描過程中，必須注意檢測頻率與探頭移動速度的配合，確保每個超聲脈沖對整個箱體面進行檢測。設(shè)檢測頻率為f，探頭移動速度為V，箱體長度為L， 長度方向檢測點數(shù)為N. 則長度L=V×(N/f)，即要求V=(Lf)/N.

圖7 箱體類零件缺陷超聲自動檢測系統(tǒng)示意圖

3.2 控制卡硬件結(jié)構(gòu)組成

控制系統(tǒng)中單片機控制卡是核心部分，它有著控制和協(xié)調(diào)各單元共同工作的作用。因此，該部分的硬件設(shè)計是重要。單片機控制卡結(jié)構(gòu)圖見圖8.

圖8 單片機控制卡結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示，控制卡需要控制和協(xié)調(diào)A/D采集卡的采集頻率信號、探傷儀的探頭發(fā)射脈沖和接收脈沖、接收傳感器信號、切換探頭與上位機通訊等?？刂瓶üδ苄枨螅寒a(chǎn)生有一定延時的脈沖信號，控制A/D采集卡，且延遲時間在一定范圍內(nèi)可調(diào)；使用單片機內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘作為超聲發(fā)射和接收的觸發(fā)信號；存儲檢測過程中的相關(guān)信息；與上位機通信完成協(xié)調(diào)工作；運行監(jiān)控。在整個控制過程中，下位機運行出錯時，需要向上位機進行故障報告。

4 超聲檢測系統(tǒng)的實驗設(shè)計

在實際應(yīng)用中，超聲波的波長長，能量衰減??；反之，波長短，則能量衰減大，并且縱波波長約為橫波波長的兩倍，因此，采用縱波完成對工件的超聲無損檢測探傷。常檢測的材料為金屬鑄件，因此，以6種不同材料的箱體為實驗對象，選擇相關(guān)的6種探頭進行試驗。對標(biāo)準(zhǔn)試件及試樣進行檢測實驗，利用示波器對檢測信號完成顯示與存儲，通過計算機對超聲檢測信號顯示并處理。

該實驗可對不同材料的箱體進行探傷，根據(jù)材料的不同會對探頭進行選擇，使得探傷效果更為精確。

5 結(jié) 語

介紹了超聲檢測的原理和方法，提出了一個可實施性高、設(shè)計步驟詳細的無損檢測的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方案，為實際檢測需要的場合提供了更多選擇。