干擾彈殼體的超聲爬波及橫波無(wú)損檢測(cè)研究

摘 要： 干擾彈殼體材料要求高，殼體坯料的缺陷檢測(cè)是非常必要的。針對(duì)某型干擾彈殼體坯料可能存在缺陷的特征，結(jié)合不同檢測(cè)區(qū)域的檢測(cè)方法及廠家的檢測(cè)需求，提出一種基于超聲波橫波和爬波同時(shí)對(duì)工件缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法，并根據(jù)檢測(cè)需要設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿(mǎn)足此類(lèi)坯料缺陷的快速精確檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用證明該方法可行，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，并可有效提高檢測(cè)效率。

關(guān)鍵字： 超聲波； 橫波； 爬波； 殼體坯料； 缺陷檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0037?03

Research on ultrasonic creeping wave and transverse wave nondestructive

detection of decoy bullet shell

LI Guang?ya1， 2， WANG Ming?quan1， 2， YANG Lu1， 2， WANG Xing?he3

（1. Key Laboratory of Dynamic Testing Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China；

2. College of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China；

3. Shanxi North Jindong Chemical Industrial Co.， Ltd.， Yangquan 045000， China）

Abstract： A method of workpiece defect detection based on ultrasonic s?wave and the creeping wave is proposed in combination with detection methods for different detected areas and testing requirements of factory to deal with the defects that a certain type of decoy shell′s billet may have. A detection system was designed according to testing needs. The system can achieve fast high?accurate detection of defects of this type billet. Experimental and practical application results show that the proposed method is feasible， and the system works reliable and can effectively improve the detection efficiency.

Keywords： ultrasonic； transverse wave； creep wave； shell billet； defect detection

0 引 言

干擾彈是用來(lái)誘騙敵方紅外制導(dǎo)武器脫離真目標(biāo)，具有較高溫度的紅外輻射彈，亦稱(chēng)紅外干擾彈、紅外曳光彈。它廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、艦船的自衛(wèi)。其殼體材料質(zhì)量要求高，表面或內(nèi)部都不允許有超標(biāo)缺陷，且殼體坯料多為鋼質(zhì)棒材。為了同時(shí)檢出坯料內(nèi)部和近表面缺陷，結(jié)合殼體的加工工藝，本文提出一種橫波和爬波相結(jié)合的缺陷檢測(cè)方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用，能夠快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)坯料缺陷，滿(mǎn)足此類(lèi)工件的缺陷檢測(cè)要求。

1 殼體坯料特征

棒材通常是采用軋制、 擠壓或鍛造工藝制成的半成品。棒材中的缺陷分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩種。內(nèi)部缺陷是在軋制等工藝過(guò)程中延展而成，主要是位于中心部位的縮孔和夾雜物，以及變形過(guò)程中因這些缺陷而產(chǎn)生的裂紋等， 棒材中的多數(shù)缺陷都沿棒材軸線延伸。表面缺陷主要是裂紋和折疊。所以棒材檢測(cè)時(shí)聲束應(yīng)從圓周面垂直入射和以一定的傾斜角入射，用于檢測(cè)不同方向的缺陷。在雙晶探頭或直探頭不足以檢出表面和近表面裂紋、折疊等類(lèi)型缺陷時(shí)，單探頭斜角入射法可視為一種有效的方法[1?5]。 殼體坯料外表面粗糙，一般帶有一層氧化皮，該型號(hào)坯料軸向尺寸為180 mm，橫截面直徑為50 mm。根據(jù)加工工藝及設(shè)計(jì)工藝要求，缺陷檢測(cè)之后要對(duì)坯料進(jìn)行外圓和內(nèi)孔加工，因此缺陷檢測(cè)范圍主要集中在距離外圓表面20 mm厚度的圓環(huán)范圍之內(nèi)。

2 檢測(cè)原理

超聲波脈沖在工件內(nèi)傳播過(guò)程中，遇有聲阻抗相差較大的兩種介質(zhì)的界面時(shí)將發(fā)生反射。根據(jù)缺陷回波的有無(wú)、大小及其時(shí)間軸上的位置可以判斷缺陷的有無(wú)、大小及其方位。這就是超聲波反射法檢測(cè)缺陷的原理。本文主要采用橫波法和爬波法兩種方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

2.1 橫波法

如圖1所示，將縱波傾斜入射至工件檢測(cè)面，由探頭晶片發(fā)出的縱波通過(guò)一定的傾角到達(dá)耦合劑和試件接觸面，并在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，入射后在試件內(nèi)部產(chǎn)生折射后的橫波聲束。聲束在上下表面間反射，如果聲波在前進(jìn)過(guò)程中遇到缺陷，反射回波將出現(xiàn)在相應(yīng)的聲程位置處。

2.2 爬波法

當(dāng)縱波從第一介質(zhì)以第一臨界角附近的角度入射于第二種介質(zhì)時(shí)，把沿介質(zhì)表面下一定距離處橫波和縱波之間傳播的峰值波稱(chēng)為爬波，如圖2所示，此時(shí)的入射角[α1]稱(chēng)為第一臨界角，[β1]為橫波折射角， [β2]為縱波折射角。爬波對(duì)試件表面粗糙度不敏感，并且適于檢測(cè)近表面缺陷（距離表面10 mm左右），因此爬波非常適合檢測(cè)表面精度較低的高溫合金小直徑棒材[4]。

一般在單探頭情況下，采用探頭固定棒料旋轉(zhuǎn)的方式可實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)掃描檢測(cè)，但該方法對(duì)缺陷的走向有一定的要求，因此一般采用成對(duì)反向配置探頭的方法來(lái)減少漏檢。在本檢測(cè)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)棒料的全面檢測(cè)并最大幅度地降低漏檢可能，特配置了2對(duì)共4個(gè)探頭，分別負(fù)責(zé)徑向和軸向缺陷的檢測(cè)。系統(tǒng)檢測(cè)架實(shí)物如圖3所示。探頭A、C采用線聚焦探頭用于產(chǎn)生橫波來(lái)檢測(cè)軸向缺陷，探頭B、D采用點(diǎn)聚焦探頭用于產(chǎn)生爬波來(lái)檢測(cè)徑向缺陷，因?yàn)楦鶕?jù)以往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，此棒材坯料缺陷多為軸向分布，因此B、D探頭主要用于輔助檢測(cè)近表面的缺陷。系統(tǒng)工作時(shí)將試件放置在檢測(cè)架上，確保探頭及試件的被檢測(cè)部位浸沒(méi)在耦合劑水中，一邊旋轉(zhuǎn)試件，一邊推動(dòng)試件在檢測(cè)架上左右平移，由于采用了2組4個(gè)探頭進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度都很高，大大提高了操作人員的工作效率。

由于系統(tǒng)采用的是縱波斜入射產(chǎn)生橫波和爬波來(lái)檢測(cè)缺陷的方法，根據(jù)縱波斜入射的折射定律，可根據(jù)下面公式計(jì)算出縱波斜入射的第一和第二臨界角[α1，][α2。]

[α1=arcsin cL1cL2，α2=arcsin cL1cS2]

其中[cL1，][cL2]分別為超聲波在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中縱波的波速；[cS2]代表超聲波在第二介質(zhì)中的橫波聲速。由于本系統(tǒng)采用水做耦合劑，因此第一介質(zhì)為水，第二介質(zhì)為鋼，由此可計(jì)算出第一、二臨界角分別為14.5°和27.5°。根據(jù)橫波和爬波的產(chǎn)生原理，分別調(diào)整探頭角度，使兩組探頭的入射角度分別為24°和15°，用以產(chǎn)生橫波和爬波。

3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，工控機(jī)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的主控單元，包含系統(tǒng)控制軟件；4通道超聲探傷儀由探傷儀與數(shù)據(jù)采集卡組成，數(shù)據(jù)采集卡用來(lái)產(chǎn)生閘門(mén)信號(hào)及增益控制信號(hào)同時(shí)負(fù)責(zé)超聲回波信號(hào)特征的采集，超聲探傷儀負(fù)責(zé)發(fā)射與接收超聲波，并通過(guò)閘門(mén)選取回波信號(hào)傳送回?cái)?shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)處理超聲回波信號(hào)識(shí)別缺陷。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

根據(jù)廠家的工藝要求，最小被檢測(cè)缺陷以直徑1 mm內(nèi)孔標(biāo)定，系統(tǒng)能夠檢測(cè)出此缺陷即可滿(mǎn)足要求，因此提前在標(biāo)準(zhǔn)試件上分別鉆出與軸線平行和垂直的兩組內(nèi)孔，內(nèi)孔直徑分別為1 mm和0.8 mm，深度均為8 mm。0.8 mm孔為檢驗(yàn)檢測(cè)效果設(shè)置。如圖5所示，通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)兩孔是否存在來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果真實(shí)性。

如圖6所示，在4個(gè)探頭同時(shí)工作之前，先利用軟件單通道界面調(diào)校探頭的角度、焦距以及波形顯示等參數(shù)，然后切換至檢測(cè)軟件的四通道界面進(jìn)行檢測(cè)，如界面波和缺陷波的相對(duì)位置及其幅度大小等；“門(mén)前沿”設(shè)置閘門(mén)信號(hào)的前沿位置，“門(mén)寬”設(shè)置閘門(mén)信號(hào)的后沿位置，這兩個(gè)參數(shù)共同確定閘門(mén)信號(hào)的位置來(lái)選擇有用回波信號(hào)，去除干擾信號(hào)。“增益”參數(shù)用來(lái)設(shè)置通道的探傷靈敏度；“報(bào)警類(lèi)型”參數(shù)用來(lái)設(shè)定報(bào)警類(lèi)型，分為上限報(bào)警和下限報(bào)警兩種模式。“報(bào)警閾值”參數(shù)用來(lái)設(shè)定報(bào)警的門(mén)限值。在修改完參數(shù)后，點(diǎn)擊相應(yīng)通道的“確定”按鍵即可使修改生效。“開(kāi)始檢測(cè)”按鍵用來(lái)控制發(fā)射超聲觸發(fā)脈沖同時(shí)啟動(dòng)示波器，實(shí)時(shí)顯示單次觸發(fā)回波信號(hào)或者連續(xù)觸發(fā)動(dòng)態(tài)峰值信號(hào)。圖6是A通道在閘門(mén)較寬時(shí)的檢波信號(hào)，第一個(gè)大波為水鋼界面波，第二個(gè)小波為缺陷波。

5 結(jié) 論

本文對(duì)某型干擾彈殼體坯料缺陷的超聲波檢測(cè)方法及檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了論述，該檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)準(zhǔn)確率高，檢測(cè)速度快，便于操作等特點(diǎn)。同時(shí)由于是非接觸測(cè)量，避免了一些接觸測(cè)量中的摩擦和磨損等。因?yàn)闄z測(cè)過(guò)程中耦合劑為水，所以檢測(cè)架全部采用鋁材和不銹鋼等材料，在一定程度上避免了氧化銹蝕等現(xiàn)象的發(fā)生。本系統(tǒng)還可利用回波時(shí)間來(lái)精確定位缺陷的位置，但由于廠家對(duì)此沒(méi)有要求，故在此不做贅述。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)和使用，證明檢測(cè)方法可行，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

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