環形鍛件超聲波自動C掃描檢測中的水聲距自動修正方法

張　振，許有昌，卜雄洙，王新征

(1.南京晨光集團有限責任公司 工藝研究所， 南京 210006；2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

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環形鍛件超聲波自動C掃描檢測中的水聲距自動修正方法

張振1，許有昌1，卜雄洙2，王新征2

(1.南京晨光集團有限責任公司 工藝研究所， 南京 210006；2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

簡要分析了水聲距變化引起檢測結果異常的原因，結合轉臺噴水式超聲波C掃描檢測系統的特點，利用超聲檢測儀第一界面回波實時測量水聲距，并作為反饋值對運動機構進行閉環控制，自動跟隨水聲距，同時采用樣條插值技術實時擬合DAC(距離-波幅)曲線，修正由于機械機構動作延遲和間隙引起的水聲距的微小偏移。利用上述方法對存在大于φ1.2 mm當量缺陷的環形鍛件進行了檢測試驗。結果表明：采用水聲距自動修正方法的檢測結果的信噪比明顯優于未進行修正的結果，缺陷清晰可辨，對同類檢測系統的研制及應用具有實際參考意義。

C掃描;DAC;水聲距;樣條插值;閉環控制;自動修正

環形鋁合金鍛件在航空航天型號產品的承載和連接部件中得到了大量應用[1]，為了獲得質量可靠的產品，對其內部進行無損檢測是十分必要的[2]。隨著技術的發展和進步，國內對此類鍛件的無損檢測正由人工超聲波檢測發展到了超聲波自動化C掃描檢測階段[3-4]。

但是，對于基于DAC技術并采用轉臺加噴水方式的超聲波C掃描系統(見圖1)來說，在沒有專用夾持工裝的條件下，操作人員很難保證環形鍛件的中心軸線與轉動中心軸線重合，轉動掃描時水聲距(即超聲波在水層中傳播的距離，圖1中虛線所示部分)將不斷變化，使得超聲波檢測發生異常，嚴重時噴水水套和被測工件會產生摩擦碰撞而損壞超聲波探頭，無法保證檢測結果的準確性和可靠性。

在研究基于DAC技術的超聲波自動C掃描檢測原理以及水聲距變化引起檢測異常的原因的基礎上，筆者利用超聲波探頭反饋回的水聲距實現運動機構的閉環控制，同時在軟件中采用樣條插值技術擬合DAC曲線,并根據水聲距的反饋值實時修正擬合曲線的位置參數，達到避免噴水水套和環形鍛件摩擦碰撞且保證檢測結果可靠的目的。

圖1　轉臺式超聲波C掃描系統示意

1　水聲距變化引起檢測異常的原因

1.1基于DAC技術的C掃描檢測原理

采用一套φ1.2 mm鋁合金對比試塊制作3條DAC曲線φ1.2 mm-15 dB、φ1.2 mm、φ1.2 mm+9 dB分別代表當量φ0.5 mm、φ1.2 mm和φ2.0 mm。

檢測時，保持水聲距和檢測儀的增益與制作曲線時一致，軟件將缺陷回波幅值與上述3條曲線進行比較，并用綠藍黃紅四種顏色成像，分別代表不同的當量值區間。檢測人員依據圖像顏色可判斷缺陷是否超標。

1.2水聲距變化引起檢測異常的原因分析

首先，環形鍛件的中心軸線與轉臺中心軸線偏離嚴重，探頭在水平方向靜止不動時，通過圖2所示的幾何關系易得出:水套與被測件的距離ΔD將不斷變化，時大時小，嚴重時ΔD小于0，即探頭水套與被測件發生摩擦碰撞，導致探頭損毀或機器故障，無法進行正常檢測。

圖2　環形工件在轉臺上偏置示意

圖3為水聲距變化引起當量誤判示意。由圖可見:探頭水套與環形鍛件不接觸時，水聲距的變化改變了鍛件內部某一位置缺陷的實際聲程，而DAC曲線位置并未作相應的移動。在圖3中，Ⅰ區代表當量小于φ0.5 mm，Ⅱ區代表當量在φ0.5～φ1.2 mm之間，Ⅲ區代表當量在φ1.2～φ2.0 mm之間，Ⅳ區代表當量大于φ2.0 mm。其中，Ⅰ區和Ⅱ區為合格區，Ⅲ區及以上為不合格區;圖中滿屏高度為110%。可以看出，該缺陷判定從不合格變成合格，嚴重影響檢測結果的準確性。

圖3　水聲距變化引起當量誤判示意

2　水聲距自動修正方法

由上文可知，水聲距的變化是導致缺陷回波聲程改變的主要原因，使得通過DAC曲線判斷當量時發生誤判，致使檢測結果不準確。因此，下面首先通過利用水聲距自動跟隨技術避免水套與環形鍛件相互摩擦，并保持水聲距的相對不變；然后，利用DAC曲線跟蹤第一界面回波的方法修正由于機械運動機構的動作延遲和間隙導致的水聲距的微小偏移，從而使得缺陷當量的判別更加準確。

2.1水聲距自動跟隨技術

利用超聲波探頭測量實時水聲距S,并通過數字超聲檢測儀EPOCH1000的數據接口傳送給上位計算機，通過軟件將其與設定的水聲距S0進行比較得出偏差量ΔS，然后由控制軟件向水平運動軸發送控制指令，實現水聲距的實時閉環跟隨。圖4為水聲距跟隨技術的實現原理框圖。

圖4　水聲距跟隨技術的實現原理框圖

2.2曲線跟蹤第一界面回波技術

曲線擬合方法比較多[5]，有線性插值、拉格朗日插值、Cubic Hermite插值、樣條插值等方法。由于樣條插值曲線最平滑，因此，筆者選擇利用樣條插值方法擬合DAC曲線,原理如下。

在離散聲程區間[Smin，Smax]中確定插值區間[Si，Si+1]后，根據樣條插值計算公式(1)可得到DAC曲線A=F(Si)，進而可求出任一聲程S處的幅值。

(1)

式中:K,L,M,N為曲線方程系數；

(2)

(3)

(4)

(5)

第一界面回波是指探頭接收到的環形鍛件表面波形信號。顯然，第一界面回波與初始聲波的時間差乘以超聲波在水層中的聲速即為水聲距的2倍。所以，利用DAC曲線跟蹤第一界面回波來修正由于機械運動機構的動作延遲和間隙導致的水聲距的微小偏移。具體實現方法如下：

(1) 由超聲波探頭返回實時水聲距S。

(2) 在軟件上對S與設定的初始水聲距S0進行求差，得到水聲距偏移量ΔS。

(3) 根據ΔS確定出插值自變量Si。

(4) 利用曲線代表的基準當量在離散聲程區間[Smin，Smax]中對應的幅值數組及對應的偏移后的聲程數組、插值自變量組成的數組和樣條插值曲線實時擬合DAC曲線。

3　試驗結果及分析

將存在3個當量大于φ1.2 mm且小于φ2.0 mm的點狀自然缺陷(缺陷已被人工檢測驗證)的環形鍛件吊裝在轉臺上，在確保安全的情況下使其偏離圓心適當位置，分別進行不修正水聲距和采用文章方法修正水聲距的實際檢測試驗。環形鍛件側面的檢測結果以偽彩色矩形展開圖的方式給出，如圖5所示。

通過對比可以看出：未修正時，圖片中存在大量偽缺陷，信噪比低，難以對結果進行有效評定；采用文章修正方法后，檢測圖片的信噪比明顯得到改善，缺陷數量清晰可辨，當量判定準確。

圖5　水聲距修正前后的超聲C掃描檢測圖像

4　結論

分析了水聲距變化引起檢測結果異常的原因，提出了一種水聲距自動修正方法，采用樣條插值技術實時擬合DAC曲線，修正由于機械機構動作延遲和間隙引起的水聲距的微小偏移,并采用使用該方法的環形鍛件C掃描系統和未使用該方法的同一套系統分別對含有大于φ1.2 mm當量缺陷的環形鍛件進行檢測。結果表明：采用水聲距自動修正方法的實際檢測結果明顯優于未進行修正時的結果，準確性更高。

目前該方法在基于DAC技術的轉臺式C掃描自動檢測系統中得到了應用，并完成了大量的環形鍛件檢測工作。

[1]王飛，周軍，黃云. 航天鋁合金鍛件缺陷檢測與成因[J]. 無損檢測，2014,54(3)：36-38.

[2]史亦韋.超聲檢測[M].北京：機械工業出版社，2006：23-48.

[3]關保清，蘇真偉，殷國富，等. 大型回轉軸超聲超聲波自動探傷系統[J]. 儀表技術與傳感器，2008(1)：88-89，92.

[4]董曉麗，楊順民，宋文愛，等. 變壁厚薄壁筒體超聲檢測技術及自動檢測系統[J]. 無損檢測，2007,29(6)：304-308.

[5]喬立山，王玉蘭，曾錦光. 實驗數據處理中曲線擬合方法探討[J]. 成都理工大學學報:自然科學版，2004,31(1)：91-95.

Water Path Length Correction in Ultrasonic C-scan Inspection for the Ring Forgings

ZHANG zhen1, XU You-chang1, BU Xiong-zhu2, WANG Xin-zheng2

(1.Technology Research Institute, Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210006, China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094, China)

The reasons of abnormal test results because of water path length changes were briefly analyzed. Considering the characteristics of the ring forgings ultrasonic C-scan system, the first interface echo time of ultrasonic flaw detector was used to measure the water path length and the value was further used as a feedback of the actuator for closed loop control. To correct the offset due to mechanical system operation delay and backlash, DAC curve was drawn in real time with spline interpolation technique. For one ring forging with larger thanφ1.2 mm equivalent defect, experiments were carried out on the above-mentioned method. The results showed that actual picture quality and the accuracy were better than those that were not corrected. And this paper maybe provides engineering reference value.

C-scan; DAC; Water path length; Spline interpolation; Closed-loop control; Automatic correction

2015-11-16

張振(1987-)，男，碩士，主要從事智能無損檢測技術工作。

張振,E-mail: 759272431@qq.com。

10.11973/wsjc201606005

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0021-03