Scan Master 水浸超聲C 掃描檢測系統

莫瑕琳

(西安西航集團萊特航空制造技術有限公司,西安 710021)

隨著我國對航空、航天產品質量要求的提高,水浸超聲C 掃描檢測系統以其穩定的機械掃描能力、合適聲場的水距選擇、聲束角度可調等優勢,廣泛應用于航空、航天領域。筆者著重從系統主要參數及操作過程兩方面探討水浸Scan Master 超聲C 掃描檢測系統的應用。

1 系統主要參數

1.1 脈沖波形

(1)尖脈沖發生器是用來激勵壓電換能器的最早電路之一,高效的尖脈沖發生器電路比較簡單,所用基本元器件如圖1 所示。其中開關元件采用雪崩晶體管或可控硅整流器。

圖1 脈沖發生器基本元器件示意圖

通過充電電阻RC和阻尼電阻RD對充電電容C充電,充至高壓V(典型值為250～400 V)。大多數便攜式儀器的阻容值可使充電電容在不到1 ms的時間內充至直流電源電壓的滿值,也就是可達到1 000 Hz 的脈沖重復頻率。通用儀器大多采用尖脈沖發生器,所用的開關器件的電氣工作點一般不可調節,只能對阻尼電阻RD進行調節。

(2)方波脈沖的使用增強了探傷人員對重要檢測參數的控制和穩定能力,并且方波脈沖還能提高脈沖幅度。

方波脈沖發生器和尖脈沖發生器電路類似,不同的是前者所用開關元件采用金屬氧化物超導體場效應晶體管。適當調節方波脈沖發生器,可激發兩倍于充電電壓相同的尖脈沖發生器所激發的信號電壓。為使方波脈沖發生器發揮出它的最佳性能,阻尼電阻RD和脈沖寬度都要根據每個換能器的具體情況予以分別調節。

ScanMaster 設備采用方波脈沖發生器,可對脈沖寬度和阻尼電阻分別調節。

1.2 脈沖寬度

脈沖寬度由檢驗人員通過儀器設置面板進行調節,如脈沖寬度設置太寬, 可觀察到畸變的超聲波形;脈沖寬度太窄,所獲得的超聲波幅將明顯低于同樣電壓的尖脈沖發生器所達到的波幅。一個合適的脈沖寬度起始值PW=1×109/4fc(ns),其中fc為探頭中心頻率。通常脈沖寬度在不影響穿透力的同時盡量小,這樣可提高近表面分辨率。

1.3 阻尼電阻

阻尼電阻從小到大分為1～8 個檔級,由檢驗人員根據換能器的不同予以調節。對阻尼阻抗調節很重要,通過改變發射電路中的阻尼電阻來調節發射超聲波的強度,發射強度隨著阻尼電阻的增大而增大,通常發射強度越大,脈沖越寬。阻尼電阻直接決定換能器的振鈴時間,影響近表面分辨率。

1.4 脈沖寬度和阻尼電阻的配合

UPR100 探傷儀發射方波脈沖,為使方波脈沖發生器發揮出它的最佳性能,阻尼電阻和脈沖寬度都要根據每個換能器的具體情況予以分別調節,經適當調節的方波脈沖發生器可以激發出兩倍于充電電壓的尖波脈沖發生器所能激發的信號電壓。

1.5 脈沖重復頻率

脈沖重復頻率可在1 Hz～10 kHz 之間調節,選擇脈沖重復頻率數值對自動化檢測十分重要。高重復頻率使兩次脈沖間隔時間變短,有可能導致未充分衰減的多次反射進入下一周期,形成所謂的“幻像波”,造成缺陷誤判。因此,自動化檢測的掃描速度也受到可用的最大重復頻率限制。

重復頻率=表面速度/周向掃描間距(CI)

在實際自動化檢測中,脈沖重復頻率的大小與周向掃描間距和零件的速度有關,最大以不出現“幻像波”為準,其次在工藝要求的規定范圍內。

1.6 采樣頻率

數字探傷儀是通過對連續變化的模擬信號進行高速度、等間距的采樣,將其變為一列大小變化的數字,進而對這些數字進行計算、處理、顯示。如果以數字的大小作為幅度,將這列數字仍按相同的間隔在直角坐標系中描繪出來,則重新構成了一個由分離的點組成的曲線,即數字化的波形,圖2 為模/數轉換示意圖。

圖2 模/數轉換示意圖

可見,為使重建波形不失真,應盡可能增加采樣密度,即提高采樣頻率。

U PR100 探傷儀采樣頻率范圍分為25, 50 和100 MHz?？赏ㄟ^面板進行選擇設置,一般設置原則是采樣頻率至少是探頭中心頻率的4 倍。

1.7 增益

增益是由接收器增益(0～96 dB)和脈沖器(前置放大器)增益(0,15,30 和45 dB)組成。

由缺陷回波引起的壓電晶片產生的射頻電壓通常只有幾十毫伏至幾百毫伏,放大電路需對其進行足夠的放大(約100 dB),才能達到示波管顯示所需的上百伏電壓。前置放大器使原始信號增益20～45 dB,這樣高的增益,足以消除大多數接收器本身的噪聲影響,補償電纜的傳輸損失,將信號提升到足以克服后續放大級和濾波級的噪聲電平高度。

前置放大器增益和TCG(時間校正增益)功能結合使用,可將接收器信噪比提高45 dB。

若前置放大器中的自動控制不被選中,儀器的接收器增益是38 dB,前置放大器增益是0 dB,這意味接收器把接收到的信號都放大,從而影響信噪比;若自動控制被選中,儀器總增益38 dB,接收器增益是8 dB,前置放大器增益是30 dB,可使信噪比提高30 dB。

2 操作過程

2.1 水距選擇

航空鍛件的水浸超聲波檢測,主要用水浸點聚焦探頭。水距分為表面點聚焦和表面下聚焦,使用表面點聚焦檢測工件時,實際使用的水距值應是實際測量的焦距,不一定是探頭的標稱焦距。水距確定后,在對比試塊上制作TCG 曲線的設置應與檢測工件時的設置一致。

2.2 界面垂直調整

在水浸縱波檢測中,探頭的聲束是否垂直檢測表面,對檢測結果關系較大。調整界面垂直,應在實際焦距或近場點的基礎上提高30 mm 作為水距,分別調節A軸(運動方向垂直于X軸方向),B軸(運動方向垂直于Y軸方向),使來自表面的不飽和波幅達最高。

2.2.1 點聚焦探頭

(1)多次底波法

調整A,B軸,使10 mm 薄試塊的底波反射達最多,即調整好界面垂直,如圖3 所示。

圖3 點聚焦探頭界面垂直調整多次底波法波形圖

(2)界面波高度法

在實際工作現場,界面波高度法更便于檢驗人員操作,且可提高工作效率。探頭直接落在被檢件的上方,在實際水距的基礎上增加30 mm ,使電子閘門放在界面波上。用局部掃描軟件系統,自動調整A,B軸,找到最高界面波,即調整好界面垂直,如圖4 所示。

圖4 點聚焦探頭界面垂直調整界面波高法波形圖

2.2.2 平探頭

水浸平探頭采用界面波高度法,探頭直接落在被檢件的上方,水距為實際近場距離加30 mm ,使電子閘門放在界面波上,用局部掃描軟件系統,自動調整A,B軸,并自動找到最高界面波,即調整好界面垂直,如圖5 所示。

圖5 平探頭界面垂直調整界面波高法波形圖

2.3 掃描覆蓋

為提供足夠數據獲取空間(檢驗覆蓋范圍),應選擇最大的掃描速度和掃描間距。使用下列方程確定徑向/軸向掃描間距,周向掃描間距(數據采集率),脈沖重復頻率和轉臺轉速RP M。

徑向/軸向掃描間距(R A I)=有效聲速寬度(EB W)×75%,周向掃描間距或數據獲取率(CI)=轉速/分鐘(RP M)=60/(周長/表面速度),其中EB W為-2, -3 或-6 dB 下的有效聲束寬度。

如果檢驗速度為305 mm/s(12 in/s),EB W為2.3 mm(0.09 in.),掃描間距為EB W的75%,則如 圖6 所示,沒有漏檢區域。

圖6 掃描覆蓋示意圖

2.4 C掃描顯示

該設備的C 掃描系統需要用閘門通道。若以各點的亮度代表回波傳播時間,則可得到缺陷的深度分布,稱為TOF(time of flight)圖。

例如:試件材料為LD7, 規格為φ200 mm ×50 mm ,有三個人工缺陷(圖7),C 掃描圖像如圖8所示。

3 結語

探討了ScanMaster 水浸超聲探傷系統的主要參數設置及操作過程。如何更好地學習、應用與開發國外先進的無損檢測技術與設備,是今后無損檢測工作的重要任務。