CN107144633B - “桶”形金属构件r角过渡区域的缺陷无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属构件中几何形状复杂区域的无损检测领域，提供一种基于超声波探伤原理，通过建立不同覆盖区域的特制超声波探头组及检测工艺进行用于R角过渡区域的缺陷检测方法，具体步骤为：1)、将“桶”形金属构件沿轴线方向平置于可旋转的工作台架上；2)、在R角过渡区域涂抹耦合液；3)、将检测探头置于构件R角过渡区域的外圆柱表面上，保证探头前沿端面与检测基准的相对距离，并保证探头有机玻璃面充分与构件外圆柱表面接触；4)、将构件均匀旋转一周，保持探头前沿端面与检测基准的相对距离，同时观察超声波探伤仪闸门内的缺陷回波信号；5)、如果存在某一缺陷回波超出报警闸门，就可判定被检测构件R角区域存在缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及金属构件中几何形状复杂区域的无损检测领域，具体是一种基于超声波探伤原理，通过建立不同覆盖区域的特制超声波探头组及检测工艺进行用于R角过渡区域的缺陷检测。
背景技术
金属压力加工行业涉及大量空腔式并且一端带底的“桶”形构件，由于金属的塑性成形过程，在构件内部存在宏观缺陷，影响构件的强度。缺陷类型一般为内裂纹、分层和夹杂，主要分布于内壁与底面的R角过渡区域。对金属构件缺陷的无损检测技术途径主要有涡流检测、磁粉检测、射线检测和超声波检测。磁粉检测能够直观显示缺陷形状和位置等信息，但它只能够检测构件的表面裂纹，内部缺陷是无法检测出来，并对不宜观察的区域无法检测；涡流检测对受检构件表面状况要求较高，不能检测内部缺陷；射线检测可以实现构件内部缺陷的检测，但是对放射源无法置入的“桶”形构件只能采用外部照射的双壁投影，无法区分缺陷分布确切位置，对R角区域检测难度极大，另外辐射效应对人体有害，而且检验成本高，操作不便。与上述无损检测方法相比，超声波检测方法，具有指向性好、灵敏度高、性能稳定的优点，并对复杂区域检测时，只需保证良好的入射方式，便可以实现良好的检测。但目前在“桶”形构件(尤其是R角过渡区域)的缺陷的超声检测方面还没有可行的检测方法和检测标准。
为了解决“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测问题，根据缺陷对超声波传播的响应规律来检测材料内部的宏观缺陷。为实现全覆盖检测，将R角区域划分为三个不同的待检区域，即22.5°区域、45°区域及67.5°区域。针对R角区域内不同部位的缺陷检测需求采用不同入射角度的超声波探头进行检测。首先，由于R角区域表面曲率的存在及超声波扩散效应影响，超声波在构件中会产生散射、反射、折射等相当复杂的传播，因此需要使超声波入射时主声束符合几何声学的规律，保证缺陷有足够的反射面。第二，随着入射角度不同，超声波将伴随着波形转换效应，因此要求超声探头设计(双晶探头)时，需对发射和接收晶片有所区分。另外从“桶”壁外圆柱面入射时，R角不同区域缺陷的检测深度有所不同，需要在特制探头设计时对探头有机玻璃块特殊设计，保证有足够的检测灵敏度。最后，在检测时，需要对特制探头的使用设定一套检测方法，尤其对探头放置位置有严格要求。
发明内容
为了解决现有超声无损检测方法对“桶”形金属构件R角过渡区域缺陷检测效果不理想的问题，本发明提出了一种基于超声波检测原理，通过建立不同覆盖区域的特制超声波探头组及检测工艺检测R角过渡区域缺陷的方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于不同覆盖区域的特制超声波探头组的缺陷无损检测方法，包括以下步骤：
步骤1)、将“桶”形金属构件沿轴线方向平置于可旋转的工作台架上；
步骤2)、在经过清洁处理之后的“桶”形金属构件R角过渡区域均匀涂抹耦合液；
步骤3)、将用于检测不同R角过渡区域的探头置于构件R角过渡区域的外圆柱表面及底面上，保证探头前沿端面与检测基准的相对距离，并保证探头有机玻璃面充分与构件外圆柱表面接触(探头有机玻璃面应充分与构件外圆柱面接触，将不同双晶超声波探头前的有机玻璃楔块进行准确研磨，以吻合被检“桶”形金属构件外圆柱表面轮廓)；
步骤4)、将步骤1)中的“桶”形金属构件均匀旋转一周(旋转速度为30～60°/s，最优速度为36°/s)，保持探头前沿端面与检测基准的相对距离(即S1、S2、S3)。同时观察超声波探伤仪闸门内的缺陷回波信号；
步骤5)、如果存在某一缺陷回波在检测范围内超出报警闸门，如图12所示，就可判定被检测构件R角区域存在缺陷。
检测开始前，需根据待检测“桶”形金属构件的几何结构特点和尺寸，设计用于检测R角过渡区域的探头，确定晶片尺寸和频率，并制作探头。
本发明所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：用于检测不同R角过渡区域的探头包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A、斜探头和不等倾角双晶纵/横波直探头B；
其中不等倾角双晶纵/横波直探头A包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A的TA晶片11、不等倾角双晶纵/横波直探头A的RA晶片12、不等倾角双晶纵/横波直探头A阻尼块13、不等倾角双晶纵/横波直探头A壳体14、不等倾角双晶纵/横波直探头A吸声材料15、不等倾角双晶纵/横波直探头A接插件16、不等倾角双晶纵/横波直探头A延迟块17；
斜探头为横波探头，包括：斜探头晶片21、斜探头壳体22、斜探头接插件23、斜探头吸声材料24、斜探头阻尼块25、斜探头延迟块26；
不等倾角双晶纵/横波直探头B包括：不等倾角双晶纵/横波直探头B的TB晶片31、不等倾角双晶纵/横波直探头B的RB晶片32、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料33、不等倾角双晶纵/横波直探头B接插件34、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料35、不等倾角双晶纵/横波直探头B延迟块36。
不等倾角双晶纵/横波直探头A具有TA、RA两个晶片，其中TA晶片为超声波发射晶片，晶片尺寸宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm，晶片倾角度范围10°～20°；RA为超声波接收晶片，宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm，晶片倾角度范围3°～10°；
斜探头为横波探头，晶片尺寸宽度、长度范围均为8～13mm；
不等倾角双晶纵/横波直探头B具有TB、RB两个晶片，其中TB为超声波发射晶片，晶片宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm，晶片倾角度范围3°～10°，RB为超声波接收晶片，晶片宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm，晶片倾角度范围10°～20°。
本发明所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：其中不等倾角双晶纵/横波直探头A设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S1(单位mm)，S1＝L1-(R+t)*tan22.5°-10，L1是R角的中心距构件底端端面的距离(参见图9，单位mm)，t(单位mm)为“桶”形金属构件的壁厚。
斜探头设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S2(单位mm)，S2＝L1-(R+t)*tan45°-5；t(单位mm)为“桶”壁厚。
不等倾角双晶纵/横波直探头B设于被检测构件底端端面上，其前沿端面与被检测构件侧壁的相对距离为S3(单位mm)，S3＝L2-R*tan22.5°-5。L2是R角的中心距构件外表面的距离(参见图9，单位mm)，可以从图纸上测量出，t(单位mm)为“桶”壁厚。
本发明所述三个探头可分开使用，所有晶片频率范围均为2.5～10MHz。
本发明所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：所述“桶”形金属构件为空腔式圆柱形且一端带底的构件,构件壁厚t与外径D之比，即t/D>0.23，一般情况下，过渡圆角半径R>5mm另外该方法也可用于深孔或圆柱状封闭空腔构件R角过渡区域的缺陷检测。
本发明具有以下优点：
1、本发明“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法建立了具有不同覆盖区域的特制双晶超声波探头，并制定了独特的检测工艺方法，实现了对R角过渡区域内不同位置的缺陷进行整体覆盖，提高了对R角过渡区域缺陷超声波无损检测的准确性和可靠性。
2、本发明的方法实现了检测R角过渡区域内部缺陷时，从外圆柱面入射的检测方式，不但保证了针对不同深度的缺陷检测具有足够的灵敏度，而且本方法操作简单，易于实施。
3、本发明的方法可以准确地检测出R角过渡区域的缺陷，取得了很好的缺陷无损检测效果。
附图说明
图1检测工艺流程图；
图2人工缺陷示意图；
图3不等倾角双晶纵/横波直探头A检测原理及探头设计原理示意图；
图4斜探头检测原理及探头设计原理示意图；
图5不等倾角双晶纵/横波直探头B检测原理及探头设计原理示意图；
图6不等倾角双晶纵/横波直探头A结构示意图；
图7斜探头结构示意图；
图8不等倾角双晶纵/横波直探头B结构示意图；
图9探头位置图；
图10缺陷信号判定参考示意图；
图11人工缺陷回波图；
图12实施例1待检测“桶”形金属构件；
图13实施例2待检测“桶”形金属构件；
图14实施例2工件中缺陷回波信号。
附图标号：1、不等倾角双晶纵/横波直探头A，2、斜探头，3、不等倾角双晶纵/横波直探头B，4、“桶”形金属构件，5、R角过渡区域，6、22.5°平底孔缺陷，7、45°平底孔缺陷，8、67.5°平底孔缺陷，11、不等倾角双晶纵/横波直探头A的Ta晶片，12、不等倾角双晶纵/横波直探头A的Ra晶片，13、不等倾角双晶纵/横波直探头A阻尼块，14、不等倾角双晶纵/横波直探头A壳体，15、不等倾角双晶纵/横波直探头A吸声材料，16、不等倾角双晶纵/横波直探头A接插件，17、不等倾角双晶纵/横波直探头A延迟块，21、斜探头晶片，22、斜探头壳体，23、斜探头接插件，24、斜探头吸声材料，25、斜探头阻尼块，26、斜探头延迟块，31、不等倾角双晶纵/横波直探头B的Tb晶片，32、不等倾角双晶纵/横波直探头B的Rb晶片，33、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料，34、不等倾角双晶纵/横波直探头B接插件，35、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料，36、不等倾角双晶纵/横波直探头B延迟块，Ⅰ、始波信号波形，Ⅱ、R角区域靠近内表面区域的缺陷信号波形，Ⅲ、R角区域原理内表面区域的缺陷信号波形，Ⅳ、底波波形信号。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1为本发明所示工艺流程图，检测R角过渡区域缺陷的具体工艺步骤如下：
步骤1)、根据待检测“桶”形金属构件的几何结构特点和尺寸，设计用于检测R角过渡区域的探头，确定晶片尺寸和频率，并制作探头；
用于检测不同R角区域的探头包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A、斜探头和不等倾角双晶纵/横波直探头B三种。
步骤2)、将“桶”形金属构件沿轴线平置于可旋转的工作台架上。
步骤3)、在经过清洁处理之后的“桶”形金属构件R角过渡区域(保证表面没有脏附作物)均匀涂抹耦合液；图2表述了“桶”形金属构件R角过渡区域中不同位置、不同深度的平底孔缺陷，从上至下，分别是22.5°、45°和67.5°的平底孔缺陷。
步骤4)、将用于检测不同R角区域的探头置于构件的R角过渡区域的外圆柱表面上，保证探头前沿端面与检测基准的相对距离(S1、S2、S3)，并保证探头有机玻璃面充分与构件外圆柱面接触。
步骤5)、将步骤1)中的“桶”形金属构件均匀慢速旋转一周(36°/s)，保持探头前沿端面与检测基准的相对距离，同时观察超声波探伤仪闸门内的缺陷回波信号。本实施例利用CTS-9006超声波探伤仪，工作方式是一发一收。
步骤6)、如果存在某一缺陷回波在检测范围内超出报警闸门，就可以判定该R角过渡区域存在缺陷，本发明可以检测出位于不同部位的不同埋深平底孔缺陷。
实施例1
所用不等倾角双晶纵/横波直探头A具有TA、RA两个晶片，其中TA晶片为超声波发射晶片，晶片尺寸宽度为6mm，长度为20mm，晶片倾角度为15°；RA为超声波接收晶片宽度为6mm，长度为8mm，晶片倾角度为5°；斜探头为横波探头，晶片尺寸宽度、长度均为9mm；特制不等倾角双晶纵/横波直探头B，具有TB、RB两个晶片，其中TB为超声波发射晶片，晶片宽度为6mm，长度为20mm，晶片倾角度为5°，RB为超声波接收晶片，晶片宽度为6mm，长度为8mm，晶片倾角度为15°。
依据图12的工件尺寸，可以测量出L1＝110mm，L2＝57mm，t＝18.5mm，计算出：
不等倾角双晶纵/横波直探头A设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S1，S1＝L1-(R+t)*tan22.5°-10＝76.18mm；
斜探头设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S2，S2＝L1-(R+t)*tan45°-5＝47.5mm；
不等倾角双晶纵/横波直探头B设于被检测构件底端端面上，其前沿端面与被检测构件侧壁的相对距离为S3，S3＝L2-R*tan22.5°-5＝31mm。
图2～10给出了本实施例针对“桶”形金属构件R角过渡区域缺陷的无损检测过程以及检测结果判定参考图，图11中是人工缺陷回波信号，可以看出，本方法能够准确检测“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷，提高了对R角过渡区域缺陷超声波无损检测的准确性和可靠性。
实施例2
所用不等倾角双晶纵/横波直探头A，具有TA、RA两个晶片，其中TA晶片为超声波发射晶片，晶片尺寸宽度为6mm，长度为12mm，晶片倾角度为12°；RA为超声波接收晶片宽度为6mm，长度为6mm，晶片倾角度为4°；斜探头为横波探头，晶片尺寸宽度、长度均为8mm；特制不等倾角双晶纵/横波直探头B，具有TB、RB两个晶片，其中TB为超声波发射晶片，晶片宽度为6mm，长度为12mm，晶片倾角度为4°，RB为超声波接收晶片，晶片宽度为6mm，长度为6mm，晶片倾角度为12°。
依据图13的工件尺寸，可以测量出L1＝50mm，L2＝47mm，t＝14.5mm，计算出：
不等倾角双晶纵/横波直探头A设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S1，S1＝L1-(R+t)*tan22.5°-10＝27mm；
斜探头设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S2，S2＝L1-(R+t)*tan45°-5＝2.5mm；
不等倾角双晶纵/横波直探头B设于被检测构件底端端面上，其前沿端面与被检测构件侧壁的相对距离为S3，S3＝L2-R*tan22.5°-5＝32.4mm。
图2～10给出了本实施例针对“桶”形金属构件R角过渡区域缺陷的无损检测过程以及检测结果，图14中是该工件中缺陷回波信号，可以看出，本方法能够准确检测“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷，提高了对R角过渡区域缺陷超声波无损检测的准确性和可靠性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，所述“桶”形金属构件为空腔式圆柱形且一端带底的构件，构件壁厚t与外径D之比，即t/D>0.23，过渡圆角半径R>5mm，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将“桶”形金属构件沿轴线方向平置于可旋转的工作台架上；
步骤2)、在经过清洁处理之后的“桶”形金属构件R角过渡区域均匀涂抹耦合液；
步骤3)、将用于检测不同R角过渡区域的探头置于构件R角过渡区域的外圆柱表面及底面上，保证探头前沿端面与检测基准的相对距离，并保证探头有机玻璃面充分与构件外圆柱表面接触；
步骤4)、将步骤1)中的“桶”形金属构件均匀旋转一周，保持探头前沿端面与检测基准的相对距离，同时观察超声波探伤仪闸门内的缺陷回波信号；
步骤5)、如果存在某一缺陷回波超出报警闸门，就可判定被检测构件R角区域存在缺陷；
用于检测不同R角过渡区域的探头包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A、斜探头和不等倾角双晶纵/横波直探头B；
不等倾角双晶纵/横波直探头A包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A的TA晶片(11)、不等倾角双晶纵/横波直探头A的RA晶片(12)、不等倾角双晶纵/横波直探头A阻尼块(13)、不等倾角双晶纵/横波直探头A壳体(14)、不等倾角双晶纵/横波直探头A吸声材料(15)、不等倾角双晶纵/横波直探头A接插件(16)、不等倾角双晶纵/横波直探头A延迟块(17)；其中TA晶片为超声波发射晶片，晶片倾角度范围10°～20°；RA为超声波接收晶片，晶片倾角度范围3°～10°；
斜探头为横波探头，包括：斜探头晶片(21)、斜探头壳体(22)、斜探头接插件(23)、斜探头吸声材料(24)、斜探头阻尼块(25)、斜探头延迟块(26)；
不等倾角双晶纵/横波直探头B包括：不等倾角双晶纵/横波直探头B的TB晶片(31)、不等倾角双晶纵/横波直探头B的RB晶片(32)、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料(33)、不等倾角双晶纵/横波直探头B接插件(34)、不等倾角双晶纵/横波直探头B吸声材料(35)、不等倾角双晶纵/横波直探头B延迟块(36)；其中TB为超声波发射晶片，晶片倾角度范围3°～10°，RB为超声波接收晶片，晶片倾角度范围10°～20°；
不等倾角双晶纵/横波直探头A设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S1，S1＝L1-(R+t)*tan22.5°-10；
斜探头设于被检测构件侧壁上，其前沿端面与被检测构件底端端面的相对距离为S2，S2＝L1-(R+t)*tan45°-5；
不等倾角双晶纵/横波直探头B设于被检测构件底端端面上，其前沿端面与被检测构件侧壁的相对距离为S3，S3＝L2-R*tan22.5°-5；
其中，L1是R角的中心距构件底端端面的距离，L2是R角的中心距构件外表面的距离，t为“桶”壁厚；以上所有单位均为mm。
2.按照权利要求1所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：用于检测不同R角过渡区域的探头包括：不等倾角双晶纵/横波直探头A、斜探头和不等倾角双晶纵/横波直探头B；
不等倾角双晶纵/横波直探头A具有TA、RA两个晶片，其中TA晶片晶片尺寸宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm；RA晶片宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm；
斜探头为横波探头，晶片尺寸宽度、长度范围均为8～13mm；
不等倾角双晶纵/横波直探头B具有TB、RB两个晶片，其中TB晶片宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm，RB晶片宽度范围4～10mm，长度范围8～20mm。
3.按照权利要求1所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：三个探头可分开使用，所有晶片频率范围均为2.5～10MHz。
4.按照权利要求1所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：步骤3)中的探头有机玻璃面充分与构件外圆柱面接触，其中，将不同双晶超声波探头前的有机玻璃楔块进行准确研磨，以吻合被检“桶”形金属构件外圆柱表面轮廓。
5.按照权利要求1所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：步骤4)中所述的“桶”形金属构件均匀旋转一周，其旋转速度为30～60°/s。
6.按照权利要求5所述“桶”形金属构件R角过渡区域的缺陷无损检测方法，其特征在于：“桶”形金属构件旋转速度为36°/s。
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