基于曲晶片相控陣超聲的細(xì)長軸類鍛件檢測仿真與試驗(yàn)

郭偉燦王 敏凌張偉蔣政培湯 杰

(1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020)

細(xì)長軸類零件作為重要的機(jī)械部件,廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如工業(yè)加工車床上的絲杠、光杠等。該類零件加工難度較高，需求量大。細(xì)長軸類鍛件缺陷的方向通常與軸線平行，超聲檢測通常采用縱波直探頭在圓周面上進(jìn)行掃查，而由于其直徑較小，曲界面與探頭的接觸不完全，因此耦合時(shí)中心接觸好，外圍接觸差，超聲波透射系數(shù)較小，檢測靈敏度下降，導(dǎo)致曲界面檢測的表面聲耦合與平界面檢測時(shí)的相差很大，曲率引起的靈敏度損失可達(dá)30 dB以上[1-3]。同時(shí)，檢測大曲率界面時(shí)超聲波聲束發(fā)散，不僅會導(dǎo)致定位定量誤差增大、靈敏度下降，還會引起游動信號和三角回波，影響缺陷判別。對于細(xì)長軸類鍛件的超聲檢測，通常采用小晶片探頭、黏質(zhì)高阻抗耦合劑或阻抗匹配的彈性膠質(zhì)、帶弧形楔塊的探頭、曲率匹配的曲晶片探頭以及平面晶片相控陣探頭等技術(shù)[4]。

為實(shí)現(xiàn)對細(xì)長軸類鍛件缺陷的有效檢測，筆者從理論上對圓柱曲晶片以及曲晶片相控陣檢測方法進(jìn)行比較分析，研究曲晶片相控陣檢測特征及優(yōu)勢，提出了曲晶片超聲相控陣聚焦技術(shù)。通過聲場仿真軟件CIVA，對常規(guī)探頭、曲晶片探頭以及曲晶片相控陣探頭形成的聲場特征進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工用于靈敏度校驗(yàn)的曲面對比試塊以及帶人工缺陷的細(xì)長軸類小型鍛件，開展了平面晶片和曲面晶片的相控陣探頭超聲檢測試驗(yàn)以及細(xì)長軸類鍛件的檢測實(shí)踐，驗(yàn)證并分析了提出的曲晶片超聲相控陣聚焦技術(shù)對細(xì)長軸類鍛件的檢測靈敏度與精度。

圖1 圓柱面換能器檢測示意

1 圓柱曲面晶片探頭

1.1 直探頭

以接觸式縱波直探頭檢測細(xì)長軸類鍛件時(shí)，采用圓柱曲面晶片可大幅提高檢測靈敏度，圓柱曲面晶片的曲率半徑一般應(yīng)不小于工件半徑，兩者相等時(shí)聲耦合最佳。如圖1所示(圖中各物理量意義見后面各公式中的說明)，圓柱曲面晶片不僅可以改善界面的耦合效果，而且凹曲面聚焦換能器還具有線狀聚焦特性[5]。

按照圖1坐標(biāo)系建立模型，P(x0,y0,z0)為坐標(biāo)系內(nèi)任意一點(diǎn)，換能器柱面方程為x2+y2=R2，各參數(shù)的取值范圍如式(1)～(3)所示。

(2)

-l/2≤z≤l/2

(3)

式中：R為柱面半徑；l為換能器高度；α為柱面橫向截面圓心角。

在柱面換能器的聲場計(jì)算中，可采用Rayleigh積分公式得到聲壓表達(dá)式(4)

(4)

式中：p(P)為P點(diǎn)的聲壓；p0為聲壓基準(zhǔn)值；F為聲壓比值；Q為晶片面積；σ為施加在試塊單位面積上的應(yīng)力；r為P點(diǎn)到換能器表面的距離；k為波數(shù)。

利用歐拉公式化為

(5)

圖2 相控陣聲場計(jì)算幾何示意

1.2 相控陣探頭

采用圓柱曲面晶片可大幅提高檢測靈敏度，但采用圓柱曲面晶片單直探頭時(shí)，聲束不能偏轉(zhuǎn)，不能檢測徑向缺陷，且聲束在工件縱向截面上依舊是發(fā)散的。而將圓柱曲面晶片和相控陣聚焦技術(shù)結(jié)合起來，不僅可實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)，還可實(shí)現(xiàn)橫向截面和縱向截面兩個(gè)方向的聚焦。細(xì)長軸類鍛件相控陣檢測陣列布置如圖2所示(圖中RF為焦距，xs,zs為原坐標(biāo)軸的偏轉(zhuǎn)，θ為聲波信號發(fā)射偏角)，各個(gè)圓柱曲面晶片單元組合在工件表面上且沿軸線排成一列，運(yùn)用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲波聲束在工件縱向截面上的電子聚焦和偏轉(zhuǎn)，同時(shí)利用曲面晶片實(shí)現(xiàn)在工件橫向截面上的聚焦。

由于圓柱曲面晶片沿工件軸線排成一列，在工件縱向截面上可將各陣元視為一維線陣元。若高為He、寬為We的陣元有Ne個(gè)，且相鄰陣元間的中心距為d，設(shè)各個(gè)陣元脈沖響應(yīng)為he(，t),則整個(gè)陣列的脈沖響應(yīng)為各個(gè)陣元脈沖響應(yīng)he(,t)的疊加[6]。如果陣列面在xOy(z=0)面上，則整個(gè)陣列在聲場中點(diǎn)(x，y，z)上的脈沖響應(yīng)hA(,t)為

hA(,t)

(6)

式中：Ai為每個(gè)陣元產(chǎn)生的振幅強(qiáng)度；xi為陣列上各陣元在x軸上的坐標(biāo)；Ti為激勵(lì)延時(shí)量。

當(dāng)聚焦點(diǎn)位于點(diǎn)(x=0，y=0，z=RF)時(shí)，激勵(lì)延時(shí)量為[7]

(7)

式中：i為整數(shù)，取值范圍為-N/2～N/2。

另外，如果波束以一定的發(fā)射偏角θ(0°≤θ<90°)發(fā)射，則各陣元的延時(shí)量為

Ti=xisinθ/c

(8)

如果波束要實(shí)現(xiàn)偏角聚焦，則各陣元的延時(shí)量為[8]

(9)

將激勵(lì)延時(shí)量Ti代入式(6)，即可得到整個(gè)相控陣陣列在聲場中某一點(diǎn)的聲壓。

根據(jù)上述理論，運(yùn)用電子技術(shù)，按計(jì)算得到的時(shí)序控制(聚焦法則)激發(fā)相控陣各陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波通過疊加形成一個(gè)新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變了換能器的空間排列形式，達(dá)到了超聲波聲束偏轉(zhuǎn)和特定位置聚焦的目的[9-10]。同樣，在反射波的接收過程中，按一定聚焦法則控制接收陣元的接收并進(jìn)行信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，由此實(shí)現(xiàn)超聲波聲束的動態(tài)聚焦。

2 超聲聲場仿真

2.1 常規(guī)平面探頭和圓柱曲晶片探頭

首先針對常規(guī)平面探頭和圓柱曲晶片探頭在小直徑鍛件內(nèi)形成的超聲聲場進(jìn)行仿真，以對比其聲場特征。仿真采用超聲聲場仿真軟件CIVA進(jìn)行[11]。兩種探頭對小直徑鍛件超聲檢測的仿真參數(shù)如表1所示。

圖3所示為常規(guī)平面探頭聲場仿真(橫向與縱向)和聲束中心線聲壓分布；圖4所示為圓柱曲晶片探頭聲場仿真(橫向與縱向)和聲束中心線聲壓分布。由圖3，4可得，常規(guī)探頭檢測時(shí)，檢測聲場中能量是發(fā)散的；而圓柱曲晶片探頭可通過圓柱曲面產(chǎn)生會聚聲場，并具有一定的焦區(qū)長度和焦點(diǎn)直徑。根據(jù)圖4仿真結(jié)果，采用圓柱曲面晶片在工件圓周橫向截面上形成了聚焦聲場，但在工件縱向截面上聲束仍然發(fā)散。若采用圓柱曲面晶片沿軸線布置的相控陣技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)橫向截面聚焦，又可采用聚焦法則實(shí)現(xiàn)縱向截面聚焦。

表1 超聲檢測CIVA仿真參數(shù)

圖3 常規(guī)探頭聲場仿真與聲束中心線聲壓分布

圖4 曲晶片探頭聲場仿真與聲束中心線聲壓分布

2.2 基于圓柱曲晶片的相控陣

在上述基礎(chǔ)上，對小直徑鍛件相控陣超聲檢測對照圖4,5可見，采用相控陣技術(shù)在工件圓周橫向截面上形成的聚焦聲場與單個(gè)圓柱曲面晶片的聚焦情況基本相似，但工件縱向截面上聲束聚焦效果則得到了很大程度的提高。圓柱曲面晶片相控陣技術(shù)除了可實(shí)現(xiàn)橫向截面和縱向截面上的雙向聚焦外，還能通過聚焦法則實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件橫向缺陷的檢測。

圖7 采用曲面相控陣探頭的檢測結(jié)果(圖中從左到右依次對應(yīng)1#至9#平底孔)

時(shí)的聲場仿真進(jìn)行研究。采用聚焦法則在工件縱向截面上的中軸位置處形成聚焦聲場，使之盡量與橫向截面上的聚焦點(diǎn)重合。相控陣仿真參數(shù)為：傳感器類型,曲晶片相控陣探頭;陣元數(shù)量,32;主動孔徑,16;晶片曲率半徑,20 mm;陣元長度,10 mm;陣元間距,1 mm;陣元間隙,0.1 mm;頻率,5 MHz;偏轉(zhuǎn)角度,0°;工件材料,鋼;工件規(guī)格(直徑×高度),φ40 mm×400 mm。圖5所示為圓柱曲晶片相控陣探頭檢測時(shí)計(jì)算得到的仿真聲場和聲束中心線聲壓分布圖。

圖5 曲晶片相控陣檢測聲場仿真和聲束中心線聲壓分布

3 檢測試驗(yàn)

3.1 帶平底孔的曲面對比試塊

為確定相控陣對大曲率鍛件的檢測靈敏度與分辨力，參照NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第 3 部分：超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)中的CS-3和CS-4對比試塊要求，專門設(shè)計(jì)了相控陣檢測對比試塊，其所有平底孔直徑均為φ2 mm。分別采用曲晶片和平面晶片相控陣探頭檢測試塊平底孔。試塊的曲率半徑R與被檢工件一致。委托加工了5.0SL32-1.0-10-R20曲晶片相控陣探頭，試塊規(guī)格和探頭實(shí)物見圖6。曲晶片相控陣檢測參數(shù)見表2，其增益范圍為18～26 dB；平面晶片相控陣檢測參數(shù)與曲晶片的類似，但其檢測時(shí)增益都在32 dB以上。

圖7,8分別為采用曲晶片和平面晶片相控陣探頭檢測的結(jié)果，檢測均為線掃模式。由圖7，8可知，在曲面相控陣探頭檢測結(jié)果中，除了最靠近探頭的1#平底孔的回波較難分辨外(也能看清)，其余8個(gè)平底孔都很清晰；而采用平面相控陣探頭檢測的結(jié)果中，1#和2#平底孔無法分辨，其余7個(gè)孔可以清晰顯示，但回波強(qiáng)度不如曲面相控陣的強(qiáng)烈。因此，采用曲晶片相控陣檢測可獲得更高的靈敏度，也可避免由平面晶片和曲面試塊表面之間的不均勻耦合引起的缺陷重影，檢測效果比平面晶片相控陣探頭的更好。

圖6 曲晶片相控陣檢測用對比試塊尺寸示意和探頭實(shí)物圖片

表2 對比試塊平底孔的尺寸規(guī)格及曲晶片相控陣檢測參數(shù)

圖8 采用平面相控陣探頭的檢測結(jié)果

圖9 橫向缺陷檢測用試塊的規(guī)格及掃查方向

3.2 小型圓柱鍛件

曲面晶片相控陣技術(shù)不僅可以檢測體積型缺陷和縱向缺陷，而且可以通過聚焦法則實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)，來檢測工件橫向面積型缺陷。試驗(yàn)在直徑為40 mm小型鍛件的圓周表面上加工了深度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 mm的1#～4#線切割槽，以模擬橫向面積型缺陷，試塊規(guī)格及掃查示意如圖9所示。如圖9(c)所示，檢測過程中，在試塊上遠(yuǎn)離缺陷的區(qū)域采用扇掃進(jìn)行掃查。檢測增益均為36 dB，聚焦深度均為50 mm，檢測得到的超聲圖像如圖10所示。由于扇掃區(qū)域有限，檢測圖中只能同時(shí)顯示2個(gè)明顯的缺陷回波，隨著掃查的繼續(xù)，缺陷逐個(gè)顯現(xiàn)。其中，0.5 mm深的線切割槽回波強(qiáng)度稍低，其余3個(gè)線切割槽均得到了很清晰的回波，由此看來，對深度為0.5 mm的線切割槽橫向缺陷，曲面相控陣檢測技術(shù)具有很好的檢測效果。

4 結(jié)論

(1) 針對大曲率鍛件進(jìn)行超聲檢測時(shí)，工件的曲界面會導(dǎo)致檢測靈敏度下降和缺陷定位定量誤差增大的問題，將圓柱曲面晶片和相控陣聚焦技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)橫向與縱向截面上的雙向聚焦，且可通過聲束偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工件橫向缺陷的檢測。

圖10 橫向缺陷掃查結(jié)果

(2) 采用圓柱曲面相控陣檢測技術(shù)可清晰檢出試塊上不同聲程的φ2 mm平底孔，具有足夠的檢測靈敏度與分辨力，優(yōu)于常規(guī)直探頭和平面晶片相控陣；大曲率鍛件的工程檢測實(shí)踐表明，相控陣聚焦技術(shù)對大曲率鍛件有足夠的靈敏度，可以檢測到深度為0.5 mm的面積型缺陷。

(3) 所研究的基于曲晶片的超聲相控陣方法需針對不同曲率鍛件制作匹配的相控陣探頭，且檢測過程會對相控陣探頭產(chǎn)生一定程度的磨損，這些因素都將影響到該檢測方法的應(yīng)用成本。