小直徑銅棒的超聲波自動檢測系統(tǒng)應(yīng)用

楊順民，董曉麗，宋文愛，楊 錄

（1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，太原 030051）

小直徑銅棒是火工品生產(chǎn)中常用原材料之一，其質(zhì)量的好壞直接影響整個火工品的性能。因構(gòu)件尺寸太小且復(fù)雜，實施檢測難度較大，只能通過檢測加工前的原材料，從中挑選出優(yōu)質(zhì)棒材來保證加工構(gòu)件的質(zhì)量和性能。目前，棒料檢測主要分布在兩個階段進(jìn)行，其一是在生產(chǎn)過程中的抽檢（在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，不能滿足火工品質(zhì)量要求）；其二是使用方在加工產(chǎn)品前對棒料進(jìn)行端口抽檢，該檢測方法既造成太大浪費，又容易漏檢，經(jīng)常在加工過程中出現(xiàn)因缺陷引起的工件破裂，或者在工件使用過程中出現(xiàn)故障引發(fā)嚴(yán)重事故，輕者造成設(shè)備損壞，重者造成人員傷亡等惡性事件。因此，嚴(yán)格而有效地對棒料進(jìn)行無損檢測，成為保證火工品質(zhì)量和性能的重要手段。

1 小直徑銅棒的檢測方法

銅棒是將坯料經(jīng)過軋機(jī)軋制而成的，這類半成品在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷既有內(nèi)部的也有表面的。內(nèi)部缺陷是由錠、坯內(nèi)存在的雜質(zhì)在軋制過程中延展而成，主要是在中心部位的縮孔和夾雜物，還有在軋制過程中以這些缺陷為起點而產(chǎn)生的裂紋等。這類缺陷一般都沿縱軸延展，當(dāng)軋制變形量較大時，缺陷也會變得更長些［1］。目前，國內(nèi)外對棒材進(jìn)行無損檢測的常用方法有磁粉、渦流、漏磁、超聲波等。液體滲透檢測只能檢查試件表面的開口缺陷，對于埋藏在表面下或內(nèi)部的缺陷則無能為力；熒光磁粉探傷靈敏度高，容易檢測到微小裂紋，但檢測結(jié)果受人為因素的影響較大，可用于各種材料表面細(xì)小缺陷的探傷；渦流探傷主要用于棒材近表面缺陷的檢測，無法對棒材內(nèi)部較深的缺陷進(jìn)行檢測；漏磁法檢測是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率特性之上，適用于各種鐵磁材料，可以檢測出裂紋、腐蝕等缺陷，并可以判別缺陷的位置；超聲波檢測主要用來探測棒材的縱、橫向缺陷，有較高的檢測靈敏度，對棒材中的裂紋、直道等缺陷比較敏感，也能探測出非金屬夾雜等體積型缺陷。因此，其適用于檢驗質(zhì)量要求較高的棒材和管料及板材等，其缺點是檢測速度較慢，一般作為高質(zhì)量材料的離線檢驗手段。因此，采用超聲波方法對φ2.5～15mm的銅質(zhì)棒材進(jìn)行無損探傷成為最佳選擇［2－3］，而對于φ2.5mm以下的銅質(zhì)棒材和絲材采用渦流檢測是首選。

2 小直徑銅棒超聲波檢測原理

檢測原理如圖1所示，采用一發(fā)一收的聯(lián)合縱波雙探頭（TR探頭）并輔以表面波單探頭進(jìn)行水浸檢測。縱波雙探頭為頻率5MHz，焦距20mm，晶片直徑為12mm的點聚焦探頭，主要負(fù)責(zé)銅棒內(nèi)部缺陷的檢測；表面波單探頭頻率為2.5MHz，焦距為20mm，晶片直徑為12mm的線聚焦探頭，主要負(fù)責(zé)表面缺陷和近表面缺陷的檢測。表面波探頭入射角的計算如式下所示［4－5］：

式中：σ＝0.35，為黃銅的泊松比；ct＝2 050m／s，為黃銅的橫波速度；cr為黃銅中表面波的速度；cl＝1 480m／s，為耦合劑水的縱波速度。

圖1 銅棒檢測探頭布置示意圖

3 超聲波檢測系統(tǒng)組成

超聲波檢測系統(tǒng)組成如圖2所示，主要有工控計算機(jī)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)射接收電路、信號調(diào)理電路、水浸組合探頭裝置、探頭盒拖動裝置、銅棒旋轉(zhuǎn)裝置以及缺陷打標(biāo)裝置。工控計算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡與信號調(diào)理電路相連，完成檢波信號的數(shù)據(jù)采集，同時實現(xiàn)信號處理、檢測結(jié)果顯示、報表打印等功能。工控計算機(jī)通過RS232串口與單片機(jī)控制系統(tǒng)實時通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)控制缺陷打標(biāo)裝置、探頭盒拖動裝置、銅棒旋轉(zhuǎn)裝置及發(fā)射接收電路的啟停。缺陷打標(biāo)裝置在有缺陷的銅棒上噴涂顏料以標(biāo)記缺陷的具體位置；探頭盒拖動裝置拖動水浸組合探頭盒完成對銅棒軸向的掃描檢測；銅棒旋轉(zhuǎn)裝置帶動銅棒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水浸組合探頭對銅棒周向掃描檢測。發(fā)射接收電路負(fù)責(zé)組合探頭觸發(fā)以產(chǎn)生回波信號；信號調(diào)理電路完成對超聲全波信號的峰值保持以獲取檢波信號。檢測過程完全由工控計算機(jī)開發(fā)的檢測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)自動控制，用戶只需打開檢測系統(tǒng)軟件，點擊“開始檢測”，系統(tǒng)即可自動啟動探頭盒拖動電機(jī)、銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)、發(fā)射接收電路、數(shù)據(jù)采集卡、缺陷打標(biāo)裝置等進(jìn)行同步協(xié)調(diào)工作，棒材檢測長度最長為1 800mm，檢測到銅棒末端時探頭盒觸到限位開關(guān)表示檢測過程結(jié)束。檢測過程中，在探頭盒拖動電機(jī)和銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)的共同作用下實現(xiàn)組合探頭對銅棒的螺旋掃描檢測。探頭盒拖動電機(jī)的行進(jìn)速度為30mm／min，銅棒旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)／min，棒材旋轉(zhuǎn)一周約為300ms，每1ms觸發(fā)探傷儀1次，獲取探傷儀全波列信號中缺陷波信號的一個最高峰值點。棒材旋轉(zhuǎn)一周采樣約300點，以φ15mm的棒材為例，棒材的周長47.1mm，周向分辨力為0.157mm，所得數(shù)據(jù)波形稱為檢波信號，檢波信號長度為500ms（即500點的數(shù)據(jù)長度）。

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)

4 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如圖3～8所示。由于系統(tǒng)采用縱波穿透和表面波反射的組合探頭進(jìn)行檢測，因此，所有檢測結(jié)果中上半部分波形為縱波穿透法獲取的底波峰值信號。當(dāng)沒有缺陷時，縱波接收探頭獲取的底波峰值為4V左右的信號；當(dāng)有缺陷時，由于缺陷的存在，發(fā)射探頭的能量被部分或全部反射，因此，縱波接收探頭獲取的底波峰值為低于4V的信號。所有檢測結(jié)果中下半部分波形為表面波反射法獲取的缺陷波峰值信號。當(dāng)沒有缺陷時，表面波探頭獲取的是幅度和時間寬度都很小的少量的干擾波形峰值信號；當(dāng)有缺陷時，表面波探頭獲取的幅度和時間寬度都很大的缺陷波形峰值信號。這是因為表面波探頭的缺陷信號受到銅棒表面的油污、光潔度的影響較大，因此表面波信號中有少量的干擾信號，可以通過檢測前清理表面油污以及抑制波形噪聲、降低靈敏度的方法來提高表面波信號的信噪比。其中，圖3～5為φ15mm 銅棒上直徑分別為0.5，0.8，1.0mm，深度為1／4D（D 為棒徑，即深度3.75mm）標(biāo)準(zhǔn)平底孔當(dāng)量缺陷檢測結(jié)果。從圖3～5中可以看出，在平底孔深度相同的情況下，隨著直徑的增大，縱波穿透探頭所獲取的底波波形峰值在幅度和時間寬度上都在增加，具有較好的線性關(guān)系；表面波探頭所獲取的缺陷波波形峰值由于受銅棒表面光潔度的影響，隨著平底孔直徑的增大，在幅度和時間寬度上變化不大，因此，只體現(xiàn)了缺陷有無的判定依據(jù)。圖6～8檢測結(jié)果為φ2.5mm銅棒上直徑分別為0.5，0.8，1.0mm，深 度 為 1／4D （即 深 度0.625mm）標(biāo)準(zhǔn)平底孔當(dāng)量缺陷。從圖6～8可以看出，縱波探頭體現(xiàn)了定量檢測的判定依據(jù)，表面波探頭提供了定性檢測的判定依據(jù)。對于同為直徑0.5mm、深度1／4D的平底人工孔的標(biāo)準(zhǔn)缺陷，在φ2.5mm銅棒上獲取的縱波穿透探頭信號在幅度和時間寬度上大于φ15mm的銅棒，體現(xiàn)了較好的線性定量檢測關(guān)系。因為φ0.5mm的孔對于φ15mm的銅棒是小缺陷，而對于φ2.5mm的銅棒是大缺陷，因此，縱波探頭獲取的底波波形峰值信號不同。另外，檢測小于φ6mm的銅棒時，由于檢測探頭的晶片為φ12mm，在實際檢測過程中需加擋聲板，以保證發(fā)射探頭的能量集中在銅棒中，從而達(dá)到最好的檢測效果。

圖3 φ15mm銅棒上φ0.5mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖4 φ15mm銅棒上φ0.8mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖5 φ15mm銅棒上φ1.0mm、深3.75mm的平底孔檢測波形

圖6 φ2.5mm銅棒上φ0.5mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

5 結(jié)論

采用脈沖反射法的表面波和穿透法的縱波相結(jié)合的方法，可以實現(xiàn)對φ2.5～15mm銅質(zhì)棒材的超聲自動檢測。縱波穿透探頭在深度相同的情況下，隨著人工平底孔直徑的增加，所獲取的底波波形峰值信號在幅度和時間寬度上也隨之增加，體現(xiàn)了較好的定量檢測特性，為判定缺陷的大小提供了判定依據(jù)；表面波反射探頭在深度相同的情況下，隨著人工平底孔直徑的增加，所獲取的缺陷波形峰值信號在幅度和時間寬度上變化并不明顯，只體現(xiàn)了定性檢測特性，可為判定缺陷的有無提供判定依據(jù)。檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)的研制較好地解決了對φ2.5～15mm銅質(zhì)棒材的定性定量超聲檢測，達(dá)到了工程應(yīng)用的檢測要求。

圖7 φ2.5mm銅棒上φ0.8mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

圖8 φ2.5mm銅棒上φ1.0mm、深0.625mm的平底孔檢測波形

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：184－191.

［2］ 馮若.超聲手冊［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2006：342－343.

［3］ 蔣危平，方京.超聲檢測學(xué)［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1991：124－155.

［4］ 胡智，劉偉成，彭應(yīng)秋.小直徑棒材超聲檢測方法研究［J］.南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001（9）：16－18.

［5］ 鄒明，陳曉.超聲波檢測技術(shù)研究進(jìn)展［J］.世界科技研究與進(jìn)展，2010（4）：198－199.