金屬板材的自動化超聲檢測系統的研制

周原

摘 要：為提高航空金屬合金板材超聲探傷的效率和準確性，并可以更加清晰直觀的顯示探傷結果，設計并制造了一種自動化掃描系統。該系統可以移動至板材貯存車間，自動完成金屬板材的原位超聲檢測，并保存B掃和C掃圖像。目前該設備在實際運用中取得了良好的效果。

關鍵詞：超聲檢測；金屬板材；航空；自動化；原位檢測

中圖分類號：TH878.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0011-02

Abstract： In order to improve the efficiency and accuracy of ultrasonic flaw detection for aeronautical metal alloy sheet， and to display the inspection result more clearly and intuitively， an automatic scanning system is designed and manufactured. The system can be moved to the plate storage workshop， automatically complete the in-situ ultrasonic detection of the metal plate， and save the B-scan and C-scan images. At present， the equipment has achieved good results in practical use.

Keywords： ultrasonic testing； metal sheet； aeronautical； automation； in-situ testing

1 概述

鋁合金、鈦合金等金屬板材具有密度小、強度高、耐腐蝕性好、加工性能優良等優點，被大量用于航空器蒙皮、粱、肋、桁條等結構件的制造。隨著大飛機項目的開展，越來越多的金屬板材被采購用于制造飛機零部件，對金屬板材進行的入廠驗收成為了保證飛行器安全的第一道關口。

超聲波探傷是一種利用超聲波在物體內部傳播時如果遇到裂紋、氣泡等缺陷時會發生反射和折射的原理，通過探測器讀取反射波的強度和間隔，來判斷缺陷的深度和形式。所以超聲波探傷是檢測原材料內部缺陷最常用的方法之一。

目前各大飛機制造廠對金屬板材的入廠無損檢測大多采用手動A型超聲波掃描的方式進行驗收，由于單塊金屬板材的尺寸一般在3m×1.6mm左右，這種檢測方式的效率比較低。當需檢測大量金屬合金原材料時，低效率的無損檢測手段會導致大量原材料堆積，無法進入生產環節，嚴重影響生產計劃的開展。同時，探傷人員需在移動探頭的同時監視儀器上的波形顯示，注意力被分散，且長時間檢測容易視力疲勞，可能造成檢測結果判斷疏漏或者不能達到100%檢測率。且由于板材面積大，需不斷搬動設備，對檢測造成不方便。為了確保材料檢驗的準確性，就需要研制一種可以方便移動至檢測現場的自動化檢測設備。

2 檢測手段現狀

目前，我國對金屬板材的自動化檢測主要使用固定式超聲探傷設備[1]，這種設備的效率較高，在檢測時將幾十上百個探頭固定在板材上方，當板材通過探頭時檢測設備記錄該板材的檢測數據并檢測是否存在缺陷。這種檢測方式有著檢測速度快、效率高、檢測精度高等優勢。但是這種設備結構復雜，價格昂貴，占用場地較大，需配置大型工裝設備搬動金屬板材進行檢測。

現場檢測一般采用手工檢測，無損探傷人員使用手持式便攜超聲檢測設備在板材表面逐行檢查最終獲得檢測數據。這種檢測方式存在較大的人為誤差風險，檢測效率低，勞動強度大，單位時間檢測面積小，漏檢可能性大和隨機性大，容易造成威脅工程質量的隱患。

因此，研制一種針對小批量大尺寸中厚金屬板材的現場自動化檢測設備，以克服便攜式設備自動化程度低、勞動強度大、漏檢率高，大型自動設備投資大、檢測地點固定等缺點的自動檢測設備是十分必要的。[1-5]

3 系統組成和檢測原理

系統組成：

整個系統包括控制終端、電腦主機、多通道探傷儀、掃查系統、系統檢測軟件以及耦合系統等主要部分。多通道探傷儀安裝于掃查機械系統上，通過光纖專用控制線路使其相互連接通信。整個系統采用便攜式、模塊化設計，可以移動到其它地點進行金屬板的原位自動化檢測，系統示意圖如下（圖1）。

3.1 機械系統

掃查機械系統如圖1所示，主要由縱向滾動模組、橫向滑動模組、探頭夾具、耦合系統等幾部分組成。運動模組采用線性模組實現探頭平面方向的橫向、縱向兩種方向的運動。且該設備可以在600mm-1500mm的范圍內調節檢測寬度，以適應被測板材的寬度。而縱向移動則是由履帶式前進機構完成。經計量該設備在橫向重復定位精度小于1mm，縱向定位精度小于2mm。

由于掃查過程中會出現金屬板材兩端的盲區，探頭上下運動模組裝有兩個探頭，在縱向上相隔固定距離，以完成對兩端盲區的檢測，系統軟件將檢測結果融合于統一的檢測圖中。

在垂直方向上為確保探頭與被測表面間的耦合，采用機械式的導柱確保探頭下壓方向垂直與板材表面；為了更好的耦合，探頭與板材之間應存在一定的壓力，為此在導柱和探頭夾具的結合處安裝了彈簧調節裝置用以調整探頭與工件表面壓力，保證檢測過程中的藕合可靠性，確保檢測效果。當設備無需進行掃描時（即非掃描移動（空程或懸停）時），探頭與被檢表面脫離接觸。

3.2 超聲探傷儀

使用南通友聯公司生產的MCH型系列數字探傷儀。這種探傷設備可以與控制計算機聯合使用。該設備以數字化控制和數據采集與處理、波形顯示為核心。可實現閘門調節、探傷靈敏度調節，聲速設置、零點調校、深度定位等功能，并且各通道均能獨立完成探傷功能。

3.3 軟件控制

檢測系統軟件可根據用戶需求定制，設計采用模塊化設計，各功能模塊相互獨立，以提高系統穩定性。同時也為今后系統升級預留了接口。檢測系統軟件具有如下功能：

（1）探傷信息輸入

現場探傷檢測開始時，可進行檢測人員、檢測時間、工件名稱、工件信息、編號等探傷信息的輸入與修改。

（2）探傷工藝設定

根據檢測標準，測試和設置探傷所需的各項參數，如探頭零點、角度、前沿等的測試，不同規格工件探傷的靈敏度、聲程標度、聲程范圍、延時、波門參數等的設置，探傷工藝可保存和調用。

（3）探傷檢測操作

調用已制作的探傷工藝，對實際工件進行探傷操作，分析并顯示檢測結果，并記錄探傷數據。

探傷界面可同時顯示單通道的A掃描波形，顯示真實回波信號的幅值，每個通道設立掃查增益調節功能，可獨立調節。根據檢測位置信息，連續顯示各通道模擬測量數據（門內最高回波幅值的連續記錄）以及對應的數字報警信息（超標回波的同步報警）的圖像。

每個工件探傷開始時，需輸入工件詳細信息；探傷結束時，可記錄工件信息及所有實時A掃波形數據以及檢測過程中發現的缺陷數據如位置坐標和缺陷當量，根據A掃波形及掃查裝置的反饋信號，探傷軟件將實時計算出整個板材檢測的C掃和B掃圖像。

（4）探傷數據分析

制作專業的離線分析軟件，具有探傷數據檢索（日期、人員、工件編號）、打開、回放、分析判斷、打印、刪除等功能。

4 使用效果

為了驗證設備性能，按ASTM 127制作了一塊材料為7050-T6狀態的對比試塊，并在對比試塊上預埋了4個？椎1.2mm的平底孔，這四個孔的埋深分別為60mm、50mm、40mm以及30mm，其掃查圖像如下（圖2）

從該圖的下半部分的C掃描圖像中可以看出4個預埋缺陷均被檢查發現，當在軟件中逐一點開缺陷部位的A掃描圖像后，可以讀出缺陷的當量和埋深（圖2）。

經過現場檢驗設備能力以及對比手動掃查結果的信息，自動化可移動超聲檢測系統滿足了日益發展的生產節奏需求，探傷過程達到了相關技術文件的要求。自動化可移動超聲檢測系統的研制及應用，更新了上飛公司板材入廠復驗的手段。

5 結束語

該設備的依據AMS、大客及支線等相關規范的要求進行設計，可確定缺陷的位置、埋深，提高了探傷的智能化程度，同時避免了操作者人為原因造成的評判差異，該設備的數據存儲功能還能保證檢測數據的可追溯性。

自動化可移動超聲檢測系統的研制及應用，為上飛公司的金屬板材入廠復驗提供了可靠的質量保證和檢測效率保障。在支線飛機即將批量生產、大客飛機研制進入攻堅階段的背景下，保證大批量金屬板材入廠復驗的效率和準確性，能顯著減輕公司的物流壓力，同時為上飛公司節約了人力成本、創下了顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1]石增強，程洪杰，謝建，等.大型圓筒件超聲檢測系統設計[J].無損檢測，2005，27（9）：475-478.

[2]杜文正，黃先祥，謝建，等.導彈發射筒超聲自動探傷系統設計[J].兵工學報，2009，30（3）：346-349.

[3]康楠.中厚鋼板超聲自動探傷車關鍵技術的研究[D].天津大學，2006.

[4]劉松平，劉菲菲，李樂剛，等.自動化無損檢測技術及其應用[J].航空制造技術，2009，4：26-31.

[5]孫渝蘭.鋼板超聲波自動探傷在重鋼中板廠的應用[J].自動化與儀器儀表，2009，3：56-57.