鎂合金火箭彈殼體的超聲檢測方法研究＊

任 彥，王召巴，陳友興，李天寧

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

0 引言

溫擠成型的合金材料由于具有密度小、強度高、韌性高、質量輕和耐腐蝕等優點，在航空航天領域中得到了廣泛的應用[1]。但是采用溫擠工藝制作的工件會在表面和內部容易產生縮孔、氣孔、夾雜物、裂紋等不同類型的缺陷，這些缺陷是產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產生安全隱患，影響著火箭彈的生產質量和安全性能[3－4]。

文中以鎂合金火箭彈殼體坯料為研究對象，采用超聲縱波水浸法根據不同部位缺陷采用不同的檢測方法對其進行了缺陷檢測。文中的研究對于該類產品的檢測具有實際的應用價值和參考意義。

1 系統檢測原理

1.1 被測試件介紹

文中所研究對象是由柱體結構和管狀結構組合而成。分為尾端、錐面、口端三部分。此類產品尾端為直徑Ф40～Ф50mm 的實心柱體結構，錐面部分為空心管狀結構，口端為內徑Ф50～Ф60mm、外徑為Ф70～Ф80mm的空心柱體結構。檢測對象的結構截面示意圖如圖1所示。

圖1 合金彈頭工件結構截面圖

1.2 檢測方法的確定

根據文獻[1]所述原理，雖然聚焦探頭的能量集中，脈沖相對較窄，但是能量衰減較大，在檢測被測工件的表面缺陷時特征回波太小，無法辨別特征信號。基于直探頭能量適當且回波信號比較穩定等優點，同時為了保證特征信號的分辨率，因此文中采用晶片直徑Ф10mm、頻率5MHz直探頭進行檢測。調節探頭中心距殼體外表面距離使其滿足檢測要求，從而使探頭信號能量分布及特征區間選定如圖2所示。

圖2 被測件缺陷特征信號區間

經多次實驗證明，使用上述方法，缺陷信號與無缺陷信號在所選特征區間內能量值區分度達到0.4以上，可以通過對該特征值的判斷以獲得檢測位置的缺陷分布情況。

1.2.1 工件實心柱體部分檢測

工件尾端為實心體結構，由于存在著不同位置的缺陷，在進行檢測過程中將每個檢測截面分為近中心部分和近表面部分。在進行檢測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截面近中心部分進行缺陷檢測，再采用超聲縱波偏心入射對近表面部分進行缺陷檢測。多次實驗驗證了這兩種方法的結合可以對整個截面進行有效的無遺漏的檢測，提高了檢測靈敏度。其缺陷檢測示意圖如圖3所示。

其中探頭正對被檢工件下方，以檢測其近中心部位缺陷。探頭發出的縱波經水耦合垂直入射進入工件內部，聲波在工件的外表面處和內表面處發生反射，部分反射回波被探頭接收，分別產生外表面回波和內表面回波。如果構件近中心部位存在缺陷，其缺陷回波將在內表面回波和外表面回波之間出現。根據缺陷回波的有無和返回時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的典型回波如圖4（a）所示。

調整探頭的入射位置使其縱波偏心入射，以檢測其近表面部位缺陷。在工件的內表面處反射回波只有少部分被探頭接收到，所以內表面的回波能量會減小甚至消失。內表面回波的信號會變小，此時，如果構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。被檢工件的近表面部分缺陷特征信號的典型回波如圖4（b）所示。

圖3 合金工件實心柱體檢測示意圖

圖4 合金工件實心柱體檢測回波特征信號

1.2.2 工件錐面部分檢測

在對合金彈頭錐面部分進行檢測的過程中，探頭必須和工件外表面垂直，假設錐面小端直徑為D1，大端直徑為D2，高為H。如圖5所示，則電機轉動角度α可由下式計算獲得：

圖5 合金工件錐面檢測示意圖

由于工件此部分為中空結構，所以采用超聲縱波偏心入射對其進行缺陷檢測，探頭轉動角度經過計算準確的與工件入射界面垂直，對位于工件內表面處的長度為5mm深度為1mm的人工劃痕缺陷處進行檢測。其特征信號的典型回波如圖6所示。

圖6 錐面處回波特征信號

1.2.3 工件空心柱體部分檢測

工件口端為空心柱體結構。在進行檢測過程中采用超聲縱波偏心入射對其進行缺陷檢測，在檢測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。其各處的特征信號的典型回波如圖8所示。

圖7 合金工件空心部分檢測示意圖

圖8 合金工件空心部分檢測回波特征信號

2 自動化檢測系統設計及實現

系統要求在檢測范圍內能夠準確定位缺陷位置且分辨率達到Ф2mm以下?；谏鲜鰴z測原理和方法，系統采用對火箭彈殼體圓周旋轉，超聲探頭直線進給從而實現對殼體的C掃描。

系統以工控機作為控制和處理核心，利用三臺步進電機以三維運動的方式對構件進行掃描，通過各模塊對機械動作和檢測參數進行控制。實現了超聲檢測的自動化。在檢測進行過程中，火箭彈殼體的圓周向旋轉和超聲探頭盒的各向移動通過電機控制卡對各個電機進行控制。通過兩個方向上的調節，實現對被測構件按照既定參數進行C掃描。掃描過程中，光電開關負責圓周向起始和結束位置的確定；絕對式編碼器用來控制超聲信號的采集；通過上述參數的記錄從而獲得缺陷的位置參數。自動檢測系統結構組成框圖如圖9所示。

圖9 檢測系統組成框圖

3 系統檢測結果

按照上述介紹的檢測系統，對已制作人工缺陷（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表面劃痕）的火箭彈鎂合金殼體坯料進行C掃描圖像重構。獲得的缺陷圖像如圖10所示。

圖10 工件人工缺陷C掃描結果

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。經過多次重復性實驗，在C掃描圖中缺陷位置顯示穩定。缺陷C掃描圖信噪比較高，能量分布較為均勻。

通過與標準人工缺陷面積對比得出系統對缺陷位置計算較為準確，且系統的分辨率達到了Ф2mm。

4 結論

針對火箭彈殼體工件形狀不規則的特點，在檢測時將其分為了實心柱體、錐面、空心柱體三部分。對工件尾端實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其進行了缺陷檢測。對工件錐面部分通過準確計算使探頭與工件檢測面相垂直，結合工件該部分的形狀采用縱波偏心入射對其進行了缺陷檢測。對于口端空心柱體部分采用縱波偏心入射對其進行了缺陷檢測。通過C掃描的顯示方式，獲得了構造質量圖像。檢測結果表明多種檢測方法的有效結合可以對工件進行無盲區無遺漏的檢測且缺陷位置較為準確，缺陷檢測最小分辨率達到Φ2mm，檢測靈敏度得到了提高。為具有此類結構火箭彈殼體的缺陷檢測提供了一種有效的檢測手段。

此外，系統較好的解決了該系列不規則的火箭彈坯料殼體的自動檢測問題，實現了檢測過程自動化，檢測結果直觀化、智能化。同時，檢測系統具有一定的通用性，針對不同規格不同型號的工件的檢測，可以通過調整機械支架的方式予以實現。

[1]戚勵文，王召巴，金永，等.合金彈體棒狀坯料超聲檢測方法研究[J].彈箭與制導學報，2009，29（4）：269－272.

[2]金永，王召巴，丁戰陽，等.一種小口徑火箭彈彈頭超聲檢測方法[J].固體火箭技術，2010，33（1）：115－118.

[3]楊順民，宋文愛，楊錄.小121徑火炮身管超聲檢測技術研究[J].彈箭與制導學報，2006，27（1）：241－243.

[4]熊超，呂建剛，張進秋，等.火炮身管超聲波檢測技術[J].無損檢測，2003，25（2）：102－107.