航空機(jī)匣環(huán)件曲面結(jié)構(gòu)超聲全聚焦檢測(cè)與缺陷定量方法

關(guān)山月　汪小凱　華林　李一軒

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣所用環(huán)形鍛件的溝槽和圓角部位容易產(chǎn)生各類(lèi)缺陷。針對(duì)環(huán)形鍛件的曲面結(jié)構(gòu)，提出了超聲全聚焦檢測(cè)與缺陷定量方法。在待測(cè)區(qū)域建立圓柱坐標(biāo)系并劃分網(wǎng)格點(diǎn)，設(shè)計(jì)了0.8 mm當(dāng)量缺陷對(duì)比試塊，采集了網(wǎng)格點(diǎn)處缺陷最大幅值數(shù)據(jù)集，將數(shù)據(jù)集在深度和角度兩個(gè)方向擬合，建立了距離-角度-幅值曲面缺陷定量評(píng)價(jià)方法。某機(jī)匣環(huán)件試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明缺陷定量方法的誤差小于1 dB。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；環(huán)形鍛件；曲面；全聚焦法；缺陷定量化

中圖分類(lèi)號(hào)：TG316

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.002

Ultrasonic TFM Inspection and Quantitative Method of Defects for Curved Surface Structures of Aeroengine Casing Rings

GUAN Shanyue WANG Xiaokai HUA Lin LI Yixuan1，2，3

Abstract： Grooves and round corners of ring forgings used in aeroengine casing were prone to produce various defects. Taking the curved surface structures of aeroengine casing rings as an object， the ultrasonic TFM detection and defect quantification were proposed. The testing areas were divided into grid points in cylindrical coordinate system and the reference blocks with 0.8 mm artificial defects were designed. The maximum amplitude defect data set at all grid points was collected. The data set was fitted in two directions of depth and angle， and the distance angle amplitude surface defects quantitative evaluation method was established. The experimental results of a casing ring specimen show that the errors of quantitative method are less than 1 dB.

Key words： aeroengine；ring forging；curved surface；total focusing method（TFM）；defect quantification

0 引言

機(jī)匣環(huán)件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，長(zhǎng)期處于高溫高壓的惡劣工況，因此對(duì)其制造質(zhì)量和性能的要求極高。為減小機(jī)械加工過(guò)程中的材料浪費(fèi)，近凈軋制技術(shù)直接成形復(fù)雜形狀截面的環(huán)形鍛件成為發(fā)展趨勢(shì)［1-2］。受難變形材料、形狀結(jié)構(gòu)、原材料質(zhì)量、工藝因素等影響，環(huán)形鍛件制造過(guò)程中容易產(chǎn)生孔洞、裂紋、折疊等多類(lèi)型缺陷［3-4］。缺陷發(fā)生在過(guò)渡圓角和溝槽等應(yīng)力集中部位，容易導(dǎo)致零件斷裂失效，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役安全造成嚴(yán)重威脅［5-6］。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣環(huán)件缺陷的高精度檢測(cè)是其服役壽命和可靠性的重要保障。

超聲檢測(cè)是環(huán)形鍛件生產(chǎn)制造過(guò)程的必要環(huán)節(jié)。常規(guī)超聲探頭的聲束固定，聲波在曲面散射嚴(yán)重，難以檢測(cè)環(huán)形鍛件曲面結(jié)構(gòu)。超聲全聚焦（total focusing method，TFM）檢測(cè)技術(shù)采用全矩陣信號(hào)進(jìn)行后處理成像，能充分利用所有陣元的信號(hào)，對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè)具有更高的檢測(cè)精度和成像分辨率［7-8］，但超聲全聚焦在檢測(cè)曲面結(jié)構(gòu)時(shí)存在聲場(chǎng)分布不均勻和缺陷定量判定困難等問(wèn)題。超聲定量檢測(cè)平面規(guī)則零件的缺陷時(shí)，通常采用距離-幅值曲線(xiàn)（distance amplitude curve，DAC）來(lái)描述缺陷距離、幅值和當(dāng)量尺寸的關(guān)系［9］。有學(xué)者利用超聲相控陣B掃圖像中缺陷的最大幅值來(lái)繪制DAC，并將該方法用于超聲相控陣檢測(cè)管道焊縫［10］。趙新玉等［11］基于非近軸近似高斯聲束模型和缺陷散射模型，獲得了聲場(chǎng)中缺陷的幅值隨距離變化的曲線(xiàn)。戴萬(wàn)林等［12］將超聲全聚焦DAC定量方法用于鋼軌軌頭缺陷的檢測(cè)，通過(guò)超聲相控陣測(cè)量模型模擬缺陷在網(wǎng)格點(diǎn)的幅值，并結(jié)合Kriging插值法構(gòu)建軌頭缺陷DAC定量評(píng)價(jià)模型。李天驥等［13］利用單陣元聲場(chǎng)和缺陷散射模型獲得缺陷的全矩陣回波信號(hào)集，構(gòu)建了鋼軌缺陷定量TFM-DAC圖譜。上述研究主要針對(duì)平面類(lèi)零件，利用缺陷模擬信號(hào)構(gòu)建超聲相控陣DAC定量評(píng)價(jià)模型，但較少研究復(fù)雜零件曲面結(jié)構(gòu)的超聲相控陣缺陷定量檢測(cè)。

本文基于上述研究，以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣環(huán)件為對(duì)象，研究其曲面結(jié)構(gòu)的超聲全聚焦成像檢測(cè)與缺陷定量判定方法。首先在待測(cè)區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比試塊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)獲取待測(cè)區(qū)域各網(wǎng)格點(diǎn)缺陷的最大幅值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集；然后在深度和角度兩個(gè)方向?qū)?shù)據(jù)集進(jìn)行擬合，得到缺陷定量評(píng)價(jià)的距離-角度-幅值曲面（distance angle amplitude surface，DAAS）；最后利用DAAS對(duì)環(huán)件曲面結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和誤差分析，以驗(yàn)證曲面結(jié)構(gòu)超聲全聚焦定量評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。

1 曲面結(jié)構(gòu)超聲全聚焦檢測(cè)原理

圖1為機(jī)匣環(huán)件曲面結(jié)構(gòu)超聲相控陣全聚焦檢測(cè)示意圖，相控陣換能器中心位于曲面圓弧圓心軸線(xiàn)上。假設(shè)超聲相控陣換能器陣元總數(shù)為N，全矩陣采集過(guò)程如下：N個(gè)陣元依次發(fā)射超聲波，1個(gè)陣元發(fā)射超聲波后，所有陣元接收，從而獲得N組信號(hào)。重復(fù)上述過(guò)程，總共可獲得N×N組數(shù)據(jù)，其中，信號(hào)Sij為第i個(gè)陣元發(fā)射、第j個(gè)陣元接收的信號(hào)。

全聚焦成像模型中，以陣列晶片中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則凹面圓弧界面的函數(shù)表達(dá)式為

式中，c1為水中的聲速；c2為待測(cè)工件的聲速；L1i、L2i為聲波發(fā)射路徑的距離；下標(biāo)1、2分別表示水和工件；L1j、L2j為聲波接收路徑的距離。

根據(jù)費(fèi)馬原理［14］可知，聲波在多介質(zhì)中的傳播路徑為時(shí)間最短路徑，則界面交點(diǎn)坐標(biāo)可依據(jù)傳播時(shí)間最短求解，結(jié)合曲面界面函數(shù)方程，可求得發(fā)射路徑曲面交點(diǎn)Qi（x2i，y2i）和反射路徑曲面交點(diǎn)Qj（x2j，y2j）。采用式（1）依次計(jì)算待測(cè)區(qū)域內(nèi)所有聚焦點(diǎn)的疊加幅值，獲得曲面結(jié)構(gòu)的全聚焦成像結(jié)果。

2 航空機(jī)匣環(huán)件全聚焦缺陷定量方法

2.1 航空機(jī)匣環(huán)件超聲相控陣檢測(cè)工藝

如圖2所示，某機(jī)匣環(huán)件的截面有多個(gè)溝槽，其過(guò)渡位置均為半徑R=5 mm的曲面結(jié)構(gòu)。超聲相控陣探頭寬度D=N（e+d）-e，其中，e為晶片間隙，d為晶片寬度。為保證探頭外殼不與環(huán)件發(fā)生干涉，探頭寬度應(yīng)滿(mǎn)足D<2R；為增加曲面結(jié)構(gòu)的超聲入射能量，提高檢測(cè)分辨率，通過(guò)分析探頭頻率、探頭尺寸、水層高度等參數(shù)，制定航空機(jī)匣環(huán)件的超聲相控陣全覆蓋檢測(cè)工藝，選用中心頻率10 MHz的超聲相控陣換能器，其陣元數(shù)量為16，探頭寬度D=3.95 mm，探頭提離水層高度h為18 mm。圖3為環(huán)件各區(qū)域超聲相控陣檢測(cè)工藝模擬示意圖，環(huán)件待測(cè)區(qū)域分為平面區(qū)域和曲面區(qū)域。平面待測(cè)區(qū)域內(nèi)，探頭線(xiàn)性步進(jìn)掃查；曲面待測(cè)區(qū)域內(nèi)，探頭繞曲面圓心旋轉(zhuǎn)步進(jìn)掃查。由于平面待測(cè)區(qū)域檢測(cè)工藝簡(jiǎn)單，因此本文主要研究曲面待測(cè)區(qū)域缺陷定量檢測(cè)方法。

2.2 曲面結(jié)構(gòu)超聲全聚焦缺陷定量方法

超聲相控陣換能器的發(fā)射聲波在曲面界面以不同的角度入射和折射，造成曲面內(nèi)部不同角度的缺陷回波幅值不同。超聲波在材料中傳播時(shí)，能量隨傳播距離的增加而衰減，因此信號(hào)幅值隨缺陷深度增大而減小。如圖4所示，根據(jù)環(huán)件曲面結(jié)構(gòu)特征，以凹面圓心為原點(diǎn)建立距離-角度-幅值三維圓柱坐標(biāo)系。在圓柱坐標(biāo)系的OXY平面，從深度和角度兩個(gè)方向劃分網(wǎng)格點(diǎn)。在曲面待測(cè)區(qū)域深度范圍內(nèi)，間隔h0劃分m個(gè)點(diǎn)，在曲面待測(cè)區(qū)域圓心角范圍內(nèi)，間隔θ0劃分n個(gè)點(diǎn)，從而獲得m×n個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。如圖5所示，為采集所有網(wǎng)格點(diǎn)上缺陷的超聲信號(hào)，并減少人工缺陷的數(shù)量，按如下方法制作對(duì)比試塊：首先在對(duì)比試塊上加工m個(gè)圓弧半徑為R的曲面，并在每個(gè)曲面下方加工一個(gè)位于圓弧中心軸線(xiàn)的缺陷（缺陷深度依次為h0、2h0、…、mh0）；然后讓探頭繞曲面圓心旋轉(zhuǎn)θ0并采集超聲全矩陣信號(hào)，獲得缺陷在圓弧線(xiàn)上的n組全矩陣信號(hào)；按照上述方法，依次完成m個(gè)缺陷探頭的檢測(cè)，獲得待測(cè)區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)上標(biāo)定缺陷的最大幅值數(shù)據(jù)Pm×n。

圖6所示，實(shí)驗(yàn)采用的水浸超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)主要包括水箱、四自由度掃查裝置、工業(yè)控制器、探頭夾具、法國(guó)M2M公司PANTER超聲相控陣檢測(cè)儀、Acquire1.2上位機(jī)軟件（采樣頻率125 MHz）。工業(yè)控制器可控制旋轉(zhuǎn)軸精確調(diào)整探頭入射角度，四自由度掃查裝置可精確控制探頭與試塊的相對(duì)位置，通過(guò)觀察試塊界面的回波信號(hào)可判斷探頭與試塊的相對(duì)位置是否正確。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證探頭參數(shù)和檢測(cè)工藝參數(shù)不變。

針對(duì)航空機(jī)匣環(huán)件截面幾何形狀，設(shè)計(jì)了R=5 mm的曲面對(duì)比試塊（源于機(jī)匣環(huán)件，機(jī)匣環(huán)件材料的縱波聲速為5980 m/s），如圖7所示。航空工業(yè)超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 59-1997-AAA要求指出：工件內(nèi)部單個(gè)缺陷的幅值不能超過(guò)0.8 mm當(dāng)量的缺陷幅值。為減少人工缺陷并且

避免缺陷回波的互相干擾，只在深度方向加工缺陷，通過(guò)探頭旋轉(zhuǎn)獲得缺陷在圓弧線(xiàn)上不同角度的缺陷全矩陣信號(hào)。試塊深度方向上，每隔1 mm設(shè)置一個(gè)0.8 mm橫通孔（共5個(gè)）。在保證探頭提離水層高度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的前提下，控制探頭繞凹面圓心旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)2.0°采集一次信號(hào)，獲得缺陷的5×21組全矩陣信號(hào)，記錄缺陷偏離中心軸線(xiàn)的圓心角。如圖8所示，為對(duì)比試塊在不同旋轉(zhuǎn)角度的全聚焦成像結(jié)果，全聚焦成像區(qū)域?yàn)榘济娼缑孀畹忘c(diǎn)以下深度10 mm、寬度10 mm的區(qū)域，成像網(wǎng)格大小為0.1 mm×0.1 mm。觀察缺陷全聚焦圖像可知，缺陷幅值隨所在圓心角的增大而減小，隨深度的增大而減小。提取所有缺陷全聚焦圖像的最大幅值，得到缺陷最大幅值數(shù)據(jù)集。

2.3 DAAS擬合

根據(jù)上述方法獲取曲面對(duì)比試塊在角度和深度兩個(gè)方向的缺陷幅值數(shù)據(jù)集。圖9所示為曲面結(jié)構(gòu)全聚焦缺陷幅值的變化規(guī)律。缺陷幅值在角度方向符合高斯曲線(xiàn)變化規(guī)律，在深度方向符合

多項(xiàng)式曲線(xiàn)變化規(guī)律，因此分別采用高斯曲線(xiàn)與多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。為擴(kuò)充數(shù)據(jù)量提高擬合精度，對(duì)原始的5×21組數(shù)據(jù)集進(jìn)行Hermite多項(xiàng)式插值，得到50×210組數(shù)據(jù)。首先，對(duì)數(shù)據(jù)集在深度方向進(jìn)行高斯多項(xiàng)式擬合，建立一元二次高斯多項(xiàng)式參數(shù)方程：

圓柱坐標(biāo)系中，x=lcosθ，y=lsinθ，z=P（l，θ），l為P與Z軸的距離，θ為OP與X軸正方向的夾角。然后，對(duì)式（3）的參數(shù)進(jìn)行四次多項(xiàng)式擬合，代入缺陷幅值數(shù)據(jù)集求解得到系數(shù)矩陣：

在圓柱坐標(biāo)系下，根據(jù)求解的函數(shù)繪制擬合的DAAS，并將其與原始數(shù)據(jù)繪制的點(diǎn)集對(duì)比。如圖10所示，采用雙向多項(xiàng)式擬合方法得到的曲面與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)集更加貼近，在角度和深度兩個(gè)方向上的變化規(guī)律更加符合實(shí)際數(shù)據(jù)。為衡量曲面擬合效果，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲面的差值，分別計(jì)算以下物理量表示擬合曲面的誤差：

式中，P（i，j）、f（i，j）分別為數(shù)據(jù)點(diǎn)（i，j）的樣本幅值和擬合曲面函數(shù)值。

如表1所示，相比于傳統(tǒng)的多項(xiàng)式擬合和高斯曲面擬合，采用角度和深度兩個(gè)方向分別擬合的曲面精度更高。

3 航空機(jī)匣環(huán)件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證對(duì)比試塊缺陷最大幅值數(shù)據(jù)集擬合的DAAS的正確性和有效性，設(shè)計(jì)了人工缺陷試塊：先在環(huán)件上截取長(zhǎng)度約100 mm的試塊，然后在試塊橫截面R=5 mm曲面界面以下區(qū)域分別加工0.3 mm、0.4 mm和0.8 mm的橫通孔（分布在不同角度和深度），如圖11所示。采用水浸超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)人工缺陷試塊的曲面位置開(kāi)展全聚焦成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖12所示為機(jī)匣環(huán)件曲面全聚焦成像的結(jié)果，可知所有人工缺陷均被檢出，相同尺寸、不同角度缺陷的幅值存在差異，即缺陷所在圓心角越大，其幅值越小。因此，無(wú)法通過(guò)觀察缺陷成像結(jié)果直接判定缺陷尺寸。本文提出的DAAS缺陷定量評(píng)價(jià)方法考慮了曲面待測(cè)區(qū)域缺陷所在圓心角對(duì)其幅值的影響規(guī)律，可判定位于不同圓心角的缺陷尺寸，其判定過(guò)程為：將缺陷在圓柱坐標(biāo)系的坐標(biāo)代入DAAS擬合方程，計(jì)算DAAS幅值并將其與機(jī)匣環(huán)件全聚焦實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的缺陷最大幅值進(jìn)行對(duì)比。

由圖13可知，缺陷1～5位于DAAS下方，說(shuō)明其缺陷當(dāng)量小于0.8 mm；缺陷6～10在DAAS上，說(shuō)明其當(dāng)量尺寸接近0.8 mm。表2所示為機(jī)匣環(huán)件試塊所有缺陷全聚焦成像的最大幅值，以及DAAS在缺陷對(duì)應(yīng)位置的幅值。缺陷當(dāng)量越小，缺陷幅值與DAAS的曲面幅值的差越大，由此可判定0.3 mm和0.4 mm的缺陷當(dāng)量小于0.8 mm的缺陷當(dāng)量。相同當(dāng)量、不同角度缺陷的幅值差異較大，其中，缺陷所在圓心角越大，其幅值越小，與DAAS對(duì)應(yīng)位置的曲面幅值差越大。試塊缺陷6～10為0.8 mm當(dāng)量，DAAS缺陷定量方法對(duì)此類(lèi)缺陷的評(píng)價(jià)誤差小于1 dB，滿(mǎn)足航空工業(yè)超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但存在源于數(shù)據(jù)集插值和DAAS擬合的定量誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)航空機(jī)匣環(huán)件曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了超聲全聚焦檢測(cè)工藝，提出了超聲全聚焦檢測(cè)曲面結(jié)構(gòu)的距離-角度-幅值缺陷定量方法。在圓柱坐標(biāo)系下，按曲面結(jié)構(gòu)的深度和角度兩個(gè)方向劃分網(wǎng)格點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比試塊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采集了人工缺陷在網(wǎng)格點(diǎn)上的最大幅值數(shù)據(jù)集。運(yùn)用高斯和多項(xiàng)式相結(jié)合的雙向擬合方法獲得了擬合精度更高的DAAS。機(jī)匣環(huán)件試塊檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明DAAS方法對(duì)0.8 mm當(dāng)量缺陷的誤差小于1 dB，證明了DAAS缺陷定量方法的可行性。根據(jù)不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的DAAS標(biāo)定曲面，可判定不同當(dāng)量缺陷是否符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

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［14］周正干， 彭地， 李洋， 等. 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)中的全聚焦成像算法及其校準(zhǔn)研究［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2015， 51（10）：1-7.

ZHOU Zhenggan， PENG Di， LI Yang， et al. Research on Phased Array Ultrasonic Total Focusing Method and its Calibration［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（10）：1-7.

（編輯 張 洋）

作者簡(jiǎn)介：

關(guān)山月，男，1994年生，博士研究生。研究方向?yàn)檫\(yùn)載裝備超聲相控陣檢測(cè)、智能檢測(cè)。發(fā)表論文6篇。E-mail：gsyawesome@163.com。

汪小凱（通信作者），男，1982年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)檫\(yùn)載裝備智能控制及無(wú)損檢測(cè)。發(fā)表論文60余篇。E-mail：wxk0919@whut.edu.cn。

收稿日期：2022-05-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB1704500）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51875428）；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020BAB144）