环形锻件超声波自动C扫描检测中的水声距自动修正方法

张　振，许有昌，卜雄洙，王新征

(1.南京晨光集团有限责任公司 工艺研究所， 南京 210006；2.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)



环形锻件超声波自动C扫描检测中的水声距自动修正方法

张振1，许有昌1，卜雄洙2，王新征2

(1.南京晨光集团有限责任公司 工艺研究所， 南京 210006；2.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

简要分析了水声距变化引起检测结果异常的原因，结合转台喷水式超声波C扫描检测系统的特点，利用超声检测仪第一界面回波实时测量水声距，并作为反馈值对运动机构进行闭环控制，自动跟随水声距，同时采用样条插值技术实时拟合DAC(距离-波幅)曲线，修正由于机械机构动作延迟和间隙引起的水声距的微小偏移。利用上述方法对存在大于φ1.2 mm当量缺陷的环形锻件进行了检测试验。结果表明：采用水声距自动修正方法的检测结果的信噪比明显优于未进行修正的结果，缺陷清晰可辨，对同类检测系统的研制及应用具有实际参考意义。

C扫描;DAC;水声距;样条插值;闭环控制;自动修正

环形铝合金锻件在航空航天型号产品的承载和连接部件中得到了大量应用[1]，为了获得质量可靠的产品，对其内部进行无损检测是十分必要的[2]。随着技术的发展和进步，国内对此类锻件的无损检测正由人工超声波检测发展到了超声波自动化C扫描检测阶段[3-4]。

但是，对于基于DAC技术并采用转台加喷水方式的超声波C扫描系统(见图1)来说，在没有专用夹持工装的条件下，操作人员很难保证环形锻件的中心轴线与转动中心轴线重合，转动扫描时水声距(即超声波在水层中传播的距离，图1中虚线所示部分)将不断变化，使得超声波检测发生异常，严重时喷水水套和被测工件会产生摩擦碰撞而损坏超声波探头，无法保证检测结果的准确性和可靠性。

在研究基于DAC技术的超声波自动C扫描检测原理以及水声距变化引起检测异常的原因的基础上，笔者利用超声波探头反馈回的水声距实现运动机构的闭环控制，同时在软件中采用样条插值技术拟合DAC曲线,并根据水声距的反馈值实时修正拟合曲线的位置参数，达到避免喷水水套和环形锻件摩擦碰撞且保证检测结果可靠的目的。

图1　转台式超声波C扫描系统示意

1　水声距变化引起检测异常的原因

1.1基于DAC技术的C扫描检测原理

采用一套φ1.2 mm铝合金对比试块制作3条DAC曲线φ1.2 mm-15 dB、φ1.2 mm、φ1.2 mm+9 dB分别代表当量φ0.5 mm、φ1.2 mm和φ2.0 mm。

检测时，保持水声距和检测仪的增益与制作曲线时一致，软件将缺陷回波幅值与上述3条曲线进行比较，并用绿蓝黄红四种颜色成像，分别代表不同的当量值区间。检测人员依据图像颜色可判断缺陷是否超标。

1.2水声距变化引起检测异常的原因分析

首先，环形锻件的中心轴线与转台中心轴线偏离严重，探头在水平方向静止不动时，通过图2所示的几何关系易得出:水套与被测件的距离ΔD将不断变化，时大时小，严重时ΔD小于0，即探头水套与被测件发生摩擦碰撞，导致探头损毁或机器故障，无法进行正常检测。

图2　环形工件在转台上偏置示意

图3为水声距变化引起当量误判示意。由图可见:探头水套与环形锻件不接触时，水声距的变化改变了锻件内部某一位置缺陷的实际声程，而DAC曲线位置并未作相应的移动。在图3中，Ⅰ区代表当量小于φ0.5 mm，Ⅱ区代表当量在φ0.5～φ1.2 mm之间，Ⅲ区代表当量在φ1.2～φ2.0 mm之间，Ⅳ区代表当量大于φ2.0 mm。其中，Ⅰ区和Ⅱ区为合格区，Ⅲ区及以上为不合格区;图中满屏高度为110%。可以看出，该缺陷判定从不合格变成合格，严重影响检测结果的准确性。

图3　水声距变化引起当量误判示意

2　水声距自动修正方法

由上文可知，水声距的变化是导致缺陷回波声程改变的主要原因，使得通过DAC曲线判断当量时发生误判，致使检测结果不准确。因此，下面首先通过利用水声距自动跟随技术避免水套与环形锻件相互摩擦，并保持水声距的相对不变；然后，利用DAC曲线跟踪第一界面回波的方法修正由于机械运动机构的动作延迟和间隙导致的水声距的微小偏移，从而使得缺陷当量的判别更加准确。

2.1水声距自动跟随技术

利用超声波探头测量实时水声距S,并通过数字超声检测仪EPOCH1000的数据接口传送给上位计算机，通过软件将其与设定的水声距S0进行比较得出偏差量ΔS，然后由控制软件向水平运动轴发送控制指令，实现水声距的实时闭环跟随。图4为水声距跟随技术的实现原理框图。

图4　水声距跟随技术的实现原理框图

2.2曲线跟踪第一界面回波技术

曲线拟合方法比较多[5]，有线性插值、拉格朗日插值、Cubic Hermite插值、样条插值等方法。由于样条插值曲线最平滑，因此，笔者选择利用样条插值方法拟合DAC曲线,原理如下。

在离散声程区间[Smin，Smax]中确定插值区间[Si，Si+1]后，根据样条插值计算公式(1)可得到DAC曲线A=F(Si)，进而可求出任一声程S处的幅值。

(1)

式中:K,L,M,N为曲线方程系数；

(2)

(3)

(4)

(5)

第一界面回波是指探头接收到的环形锻件表面波形信号。显然，第一界面回波与初始声波的时间差乘以超声波在水层中的声速即为水声距的2倍。所以，利用DAC曲线跟踪第一界面回波来修正由于机械运动机构的动作延迟和间隙导致的水声距的微小偏移。具体实现方法如下：

(1) 由超声波探头返回实时水声距S。

(2) 在软件上对S与设定的初始水声距S0进行求差，得到水声距偏移量ΔS。

(3) 根据ΔS确定出插值自变量Si。

(4) 利用曲线代表的基准当量在离散声程区间[Smin，Smax]中对应的幅值数组及对应的偏移后的声程数组、插值自变量组成的数组和样条插值曲线实时拟合DAC曲线。

3　试验结果及分析

将存在3个当量大于φ1.2 mm且小于φ2.0 mm的点状自然缺陷(缺陷已被人工检测验证)的环形锻件吊装在转台上，在确保安全的情况下使其偏离圆心适当位置，分别进行不修正水声距和采用文章方法修正水声距的实际检测试验。环形锻件侧面的检测结果以伪彩色矩形展开图的方式给出，如图5所示。

通过对比可以看出：未修正时，图片中存在大量伪缺陷，信噪比低，难以对结果进行有效评定；采用文章修正方法后，检测图片的信噪比明显得到改善，缺陷数量清晰可辨，当量判定准确。

图5　水声距修正前后的超声C扫描检测图像

4　结论

分析了水声距变化引起检测结果异常的原因，提出了一种水声距自动修正方法，采用样条插值技术实时拟合DAC曲线，修正由于机械机构动作延迟和间隙引起的水声距的微小偏移,并采用使用该方法的环形锻件C扫描系统和未使用该方法的同一套系统分别对含有大于φ1.2 mm当量缺陷的环形锻件进行检测。结果表明：采用水声距自动修正方法的实际检测结果明显优于未进行修正时的结果，准确性更高。

目前该方法在基于DAC技术的转台式C扫描自动检测系统中得到了应用，并完成了大量的环形锻件检测工作。

[1]王飞，周军，黄云. 航天铝合金锻件缺陷检测与成因[J]. 无损检测，2014,54(3)：36-38.

[2]史亦韦.超声检测[M].北京：机械工业出版社，2006：23-48.

[3]关保清，苏真伟，殷国富，等. 大型回转轴超声超声波自动探伤系统[J]. 仪表技术与传感器，2008(1)：88-89，92.

[4]董晓丽，杨顺民，宋文爱，等. 变壁厚薄壁筒体超声检测技术及自动检测系统[J]. 无损检测，2007,29(6)：304-308.

[5]乔立山，王玉兰，曾锦光. 实验数据处理中曲线拟合方法探讨[J]. 成都理工大学学报:自然科学版，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

张振(1987-)，男，硕士，主要从事智能无损检测技术工作。

张振,E-mail: 759272431@qq.com。

10.11973/wsjc201606005

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0021-03