一種小口徑火箭彈彈頭超聲檢測方法①

金 永,王召巴,丁戰(zhàn)陽,戚勵文

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

1 引言

小口徑鎂合金火箭彈在發(fā)射過程中承受巨大的驟變壓力。因此,彈殼中存在的氣孔、裂紋、折疊和夾雜等缺陷會產(chǎn)生安全隱患[1,2],需對其進(jìn)行缺陷檢測,以確保其內(nèi)部沒有缺陷才能使用。超聲波檢測具有靈敏度高、穿透能力強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、設(shè)備簡單輕便和對人體無害等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此,本文采用超聲波對小口徑火箭彈彈頭進(jìn)行缺陷檢測。

利用超聲波檢測小口徑火箭彈彈頭內(nèi)部和表面缺陷時,彈頭身管的尺寸、探頭的偏心距和水聲程影響著超聲波在管壁內(nèi)部的傳播路徑,影響超聲波缺陷檢測的靈敏度[3～5]。本文從以上幾個方面考慮,研究一種小口徑火箭彈彈頭缺陷的超聲波檢測方法,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 檢測原理與方法

水浸式聚焦探頭在聚焦區(qū)域內(nèi)聲束聲能集中,檢測靈敏度高。所以,采用水浸式聚焦探頭對小口徑火箭彈彈頭身管內(nèi)部和表面的缺陷進(jìn)行檢測。

彈頭身管缺陷的檢測原理如圖1所示。檢測時,將探頭偏置,超聲波探頭發(fā)出縱波,以水作為耦合介質(zhì)傳播到彈頭身管下表面,一部分縱波透射到彈頭身管內(nèi)部傳播,進(jìn)入彈頭身管內(nèi)部的透射波發(fā)生波形變換,分離為折射縱波和折射橫波,2種折射聲波在彈頭身管中的傳播方向不同,且2種折射聲波的折射角都大于聲波入射角。如果管壁內(nèi)部或表面存在缺陷,折射聲波將在缺陷處發(fā)生反射和散射,而反射的部分聲波沿原路返回,并被探頭接收,形成缺陷回波。根據(jù)缺陷回波的有無,判斷管壁內(nèi)部和表面有無缺陷。

小口徑火箭彈彈頭身管有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),檢測時需依據(jù)其尺寸設(shè)定偏心距X,還要考慮水聲程D對折射聲波在其內(nèi)部傳播路徑的影響。

圖1 彈頭身管缺陷的超聲檢測原理Fig.1 Ultrasonic testing theory for flaws in the shell

2.1 偏心距的設(shè)定方法

偏心距直接影響著折射聲束在彈頭身管內(nèi)部的傳播路徑,從而影響著檢測效果。當(dāng)設(shè)定偏心距使得管壁內(nèi)縱波的折射角達(dá)到90°,這時的入射角稱為第Ⅰ臨界角αⅠ。當(dāng)設(shè)定偏心距使得管壁內(nèi)橫波的折射角達(dá)到90°,這時的入射角稱為第Ⅱ臨界角αⅡ。它們滿足:

由以上公式得出,在αⅠ和αⅡ時的偏心距XⅠ和XⅡ分別滿足:

式中 βl為縱波折射角;βt為橫波折射角;C2l為縱波在彈頭身管內(nèi)部的傳播速度;C2t為橫波在身管內(nèi)部的傳播速度。

當(dāng)X＜XⅠ時,管壁內(nèi)部同時存在折射縱波和折射橫波,當(dāng)XⅠ＜X＜XⅡ時,管壁內(nèi)部以折射橫波為主,此時以橫波法檢測彈頭身管缺陷;當(dāng)X＞XⅡ時,探頭發(fā)出的縱波將在管壁下表面處全部反射,管壁內(nèi)部沒有超聲波。

2.2 管壁厚度對設(shè)定偏心距的影響

采用橫波進(jìn)行檢測時,如果管壁內(nèi)外徑之比較大,那么折射橫波將無法檢測到管壁近內(nèi)表面區(qū)域的缺陷,造成缺陷漏檢,需考慮橫波檢測法的適用條件。

在第1臨界角情況下,橫波折射角β1滿足:

由式(2)和式(6)可推導(dǎo)出:

因此,管壁內(nèi)外半徑之比應(yīng)滿足式(8),才能防止橫波法檢測缺陷時發(fā)生漏檢。

2.3 水聲程D對折射聲束傳播路徑的影響

采用水浸式聚焦探頭進(jìn)行檢測時,在偏心距一定的情況下,水聲程D不影響探頭中心聲束的傳播路徑,但影響邊緣折射聲束在管壁內(nèi)部的形狀和焦點(diǎn)位置,進(jìn)而影響缺陷的檢測效果。

中小直徑薄壁管超聲檢測水浸式聚焦探傷法的最佳水聲程公式為

當(dāng)探頭水聲程為最佳水聲程時,探頭的水中焦點(diǎn)落在彈頭身管水平軸線上,兩側(cè)邊緣聲線入射角呈對稱分布,且小于中心聲線入射角。但實(shí)際檢測時,要求既要能檢測管壁內(nèi)部缺陷,又對表面缺陷有較高的檢測靈敏度,那么就需在最佳水聲程的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)節(jié),以尋求最佳檢測效果。

調(diào)節(jié)水聲程使焦點(diǎn)落在彈頭身管水平軸線以上時,管壁內(nèi)部折射聲束焦距隨著水聲程的增大而增大,此時折射聲束焦點(diǎn)有可能落在彈頭身管外表面附近,這樣既能保證有效地檢測管壁內(nèi)部的缺陷,又提高了表面缺陷檢測的靈敏度。

3 檢測實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

對小口徑的鎂合金火箭彈彈頭試件進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)采用采樣頻率為100 MHz的超聲采集卡連接探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。探頭晶片的中心頻率為5 MHz,直徑為10mm,焦距為50mm。實(shí)驗(yàn)測試得到超聲波縱波在小口徑火箭彈彈頭中的傳播速度約6 100m/s,橫波速度約3 080 m/s。

實(shí)驗(yàn)時將試件水平放置于支架上,置于水中。檢測時,通過絲杠傳動,探頭沿軸線方向移動,每1 mm檢測1次。檢測結(jié)束后,試件沿圓周方向旋轉(zhuǎn)10°,重復(fù)軸線方向檢測。試件旋轉(zhuǎn)360°,完成對整個試件的檢測。

檢測時,設(shè)定偏心距為6 mm,水聲程為30 mm。設(shè)定的依據(jù):(1)偏心距為6 mm時,依據(jù)推導(dǎo)公式可計算出入射角約17.92°,折射角約36.69°,此時水/彈頭界面的橫波透射率高達(dá)約45%。考慮探頭晶片有一定尺寸,則聚焦聲束到達(dá)試件下表面具有一定寬度,而非圖1所示的一根聲束,該偏心距應(yīng)略大于折射波中心聲束剛與試件內(nèi)壁表面相切時的偏心距。(2)依據(jù)中小直徑薄壁管超聲水浸聚焦探傷法的最佳水聲程公式,計算得最佳水聲程為31.4 mm,選用水聲程為30.0mm時,探頭聲束的水中焦點(diǎn)落在試件截面水平軸線上方,并靠近水平軸線,理論上能得到細(xì)而長的折射聲束在試件管壁內(nèi)部傳播,檢測時干擾信號小,并能提高外表面缺陷的檢測靈敏度。

進(jìn)行超聲檢測實(shí)驗(yàn)前,首先對試件進(jìn)行了X射線檢測,確定試件缺陷的位置和類型。實(shí)驗(yàn)時,選取了含有內(nèi)部夾雜缺陷、內(nèi)部斜向裂紋缺陷和表面軸向劃痕缺陷的2個試件,而后針對已知缺陷進(jìn)行超聲實(shí)驗(yàn),研究缺陷回波特征。

3.1 試件管壁內(nèi)部夾雜缺陷檢測實(shí)驗(yàn)

通過X射線對試件1檢測發(fā)現(xiàn),其內(nèi)部存在一個夾雜缺陷。X射線檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 試件1的X射線檢測結(jié)果Fig.2 X-ray testing resu lt of samp le No.1

針對試件1內(nèi)部夾雜缺陷進(jìn)行超聲檢測實(shí)驗(yàn),并采集該缺陷的特征波形,如圖3所示。由采集的波形可看出,試件內(nèi)部夾雜缺陷回波特征明顯,信噪比較高。

利用特征信號的峰值作為特征量,采用超聲C掃描成像技術(shù)[6,7],對試件1的管狀部分進(jìn)行C掃描重構(gòu),將0～1 V的電壓幅值按0～255個灰度劃分,得到如圖4所示的C掃描重構(gòu)結(jié)果。圖4中,灰度值高部分為內(nèi)部夾雜缺陷的位置。

3.2 內(nèi)部裂紋缺陷與表面劃痕陷檢測實(shí)驗(yàn)

試件2存在一個內(nèi)部斜向裂紋缺陷和一個細(xì)小的表面軸向劃痕缺陷,X射線檢測結(jié)果如圖5所示。內(nèi)部斜向裂紋較明顯,表面軸向劃痕無法從X射線檢測結(jié)果中看出。

針對試件2已知的表面細(xì)小軸向劃痕缺陷(人為觀察確定)和其內(nèi)部的斜向裂紋缺陷(通過X射線檢測確定)進(jìn)行超聲檢測實(shí)驗(yàn),分別采集2個缺陷的特征波形如圖6所示。由特征波形可看出,試件2中表面軸向劃痕缺陷特征明顯,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷特征相對較低。

圖5 試件2的X射線檢測結(jié)果Fig.5 X-ray testing resu lt of samp le No.2

對試件2的信號特征進(jìn)行C掃描重構(gòu),得到如圖7所示的C掃描結(jié)果。圖7中,灰度值高部分為存在缺陷的位置。

比較試件1和試件2的C掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn),表面軸向劃痕和內(nèi)部夾雜缺陷的灰度值高,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷的灰度值相對較低,表明表面軸向劃痕和內(nèi)部夾雜缺陷回波能量較高,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷回波能量相對較小。

3.3 討論

小口徑火箭彈曲率半徑小,若采用接觸法進(jìn)行檢測,由于探頭與試件直接接觸面小,聲波入射到試件內(nèi)部的能量小,使得特征回波信號的信噪比低,且受人為因素的影響大。而采用水浸式聚焦探頭檢測,探頭無需接觸試件的情況下,聲波聚焦于試件內(nèi)部,保證入射到試件內(nèi)部的能量增加,提高信噪比。

目前,工廠采用B掃描方式判斷,該方式僅能判斷當(dāng)前檢測點(diǎn)是否存在缺陷。而本文采用C掃描方式對缺陷信號進(jìn)行重構(gòu),直觀地顯示出試件內(nèi)部是否存在缺陷,并能準(zhǔn)確確定缺陷位置和大小。

4 結(jié)論

(1)采用中心頻率為5 MHz的水浸式聚焦探頭檢測,可準(zhǔn)確檢測出彈頭內(nèi)部存在的夾雜和裂紋缺陷,對表面的劃痕缺陷也有很高的檢測靈敏度,驗(yàn)證了該方法對檢測小口徑鎂合金火箭彈彈頭內(nèi)部缺陷的可行性。

(2)采用該檢測方法和C掃描方式的缺陷重構(gòu)方法,輔以自動檢測裝置,可實(shí)現(xiàn)自動檢測,直觀地判定出缺陷的位置、形狀和大小。

(3)根據(jù)文中推導(dǎo)出的參數(shù)設(shè)定方法和C掃描重構(gòu)方法,為其他不同尺寸的管狀構(gòu)件缺陷的自動檢測提供了一種有效手段。

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