一种厚壁管材的超声波检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及超声波检测技术领域，特别涉及一种厚壁管材的超声波检测系统及检测方法。


背景技术：

2.某航空发动机空气导管由于前期国内尚无大尺寸管材(最大直径ф175mm)的制造供应商，毛料以锻件形式供应。近年来，国内厂家已经具备生产大规格管材的能力，为了减少原材料消耗以及降低生产成本，某航空发动机空气导管原料由棒材改为厚壁tc11钛合金管材直接加工成型，厚壁管材的加工过程与棒材成型机理不同，拉伸和压延使材料中存在径向和轴向的应力，缺陷的取向比棒材更复杂。而一般的管材壁厚较薄，针对壁厚较薄的管材的超声波检测一般采用的是横波检测，横波检测无法适用于厚壁管材检测，因此，为了全面评价厚壁管材替代锻件生产空气导管后的产品质量，需要针对该类厚壁管材制定合适的超声检测方法，满足产品的质量控制要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种厚壁管材的超声波检测系统及检测方法，解决了现有超声波检测方法无法适用厚壁管材检测的问题。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种厚壁管材的超声波检测系统，包括横波检测对比试块、横波检测探头、纵波检测对比试块和纵波检测探头；
6.在横波检测对比试块的内壁和外壁均开有u型槽；
7.在纵波检测对比试块的一端开有圆孔；
8.纵波检测探头采用双晶探头；
9.横波检测探头为带曲率楔块的横波探头，带曲率楔块的曲率半径与待检测管材的半径匹配。
10.进一步，曲率楔块采用有机玻璃制成。
11.进一步，纵波检测探头的晶片尺寸为10mm。
12.进一步，在待检测管材表面下纵波聚焦检测时，检测焦点深度为15mm。
13.进一步，横波检测对比试块为圆筒块，纵波检测对比试块为圆柱块。
14.进一步，u型槽深度不大于横波检测对比试块壁厚的1.5％，u型槽宽度为不大于u型槽深度的两倍，长度为10mm。
15.进一步，圆孔孔径大小为φ0.8mm，孔深包含1.5mm
‑
32mm。
16.本发明还公开了所述厚壁管材的超声波检测系统对厚壁管材的超声波检测方法，包括以下步骤：
17.s1、横波检测：检测声波的入射角度为20
°
；
18.s2、纵波检测：
19.2.1、采用纵波检测探头将纵波检测对比试块内的圆孔的反射信号调至荧光屏80％高度；
20.2.2、提高2
‑
4db后，在确保噪声信号不超过20％高度后，对管材沿着圆周实施纵波检测，对发现的异常信号进行记录；
21.2.3扫查结束后，复查灵敏度，确定纵波检测对比试块内的圆孔是否在规定灵敏度下清晰可见，且高度不低于80％，否则应重新实施纵波检测；
22.2.4对于管材纵波和横波扫查结果综合评定，若出现超标信号，则对该管材拒收，否则视为合格。
23.进一步，横波检测时，横波检测探头的参数为：探头频率选为5mhz，晶片厚度为20mm，选取k1探头，使管材中传播的横波折射角为45
°
。
24.进一步，纵波检测时，纵波检测探头的参数为：探头频率选为5mhz，晶片厚度为10mm，焦点位置选取f15。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明公开了一种厚壁管材的超声波检测系统，包括横波对比试块、横波检测探头、纵波对比试块和纵波检测探头；通过横波对比试块发现沿管材径向延伸的缺陷，通过横波检测探头探测与检测面成较大倾角的缺陷，通过纵波对比试块发现沿管材轴向延伸的缺陷，通过纵波检测探头检测平行于检测面的缺陷；在横波对比试块的内壁和外壁上均开有u型槽，以提高能量的反射，提高检测灵敏度；使用双晶探头沿管材外表面探伤，可以缩小检测盲区，提高缺陷检出率，且对缺陷的定位准确。本发明加入了纵波检测对比试块和纵波检测探头，在横波的基础上增加纵波探伤，提升了该类厚壁管材的检测灵敏度和分辨力。
27.进一步，探头晶片尺寸的设定主要考虑检测范围或者深度，一般纵波检测采用的晶片尺寸为14mm
‑
20mm，但该类厚壁管材，由于曲率半径较大，为减少声波散射和能量损失，需要采用小晶片探头，但是过小的晶片又会降低发射能量的大小，综合考虑选择10mm晶片。
28.进一步，由于该类薄壁管材的特点是加工余量小，仅为2mm左右，且检测厚度大，最大为32mm左右，在保证检测灵敏度并兼顾检测效率的同时，选择采用表面下聚焦的接触法检测模式，检测焦点深度为15mm，确保检测分辨力满足要求。
29.本发明还公开了一种厚壁管材的超声波检测方法，该方法主要包括了采用横波检测和纵波表面下纵波聚焦检测这两种检测方法，对于此类厚壁管材实施了相关的检测试验，可使外径ф175mm，壁厚32mm的管材横波检测时内外壁人工缺陷深度不小于0.4mm，而且纵波检测曲面管材灵敏度在0.8mm的前提下，信噪比不小于12db。接触法检测是管材与探头直接接触的检测方法，因为探头与管材之间无水层衰减，所以可以有效减小声波在水中的散射和吸收，提升管材检测的灵敏度，尤其适用于该类大规格的管材高灵敏度检测，若采用水浸法检测，因管材壁厚较大，容易使二次界面回波进入一次底波之前，对缺陷的检测会造成较大的干扰，造成误判。
附图说明
30.图1为纵波对比试块的结构示意图；
31.图2为横波检测对比试块外壁轴向u型槽
32.图3为横波检测对比试块内壁轴向u型槽；
33.图4为横波检测探头的结构示意图；
34.图5为纵波检测时，使用常规纵波直探头探测后，未能发现近表面圆孔的示意图，
35.图6为纵波检测时，使用双晶探头探测后发现缺陷的示意图；
36.图7为使用横波探头对管材外壁缺陷进行检测，发现缺陷后的示意图；
37.图8为使用横波探头对管材内壁缺陷进行检测，发现缺陷后的示意图。
38.其中，1为纵波对比试块，11为圆孔，2为横波对比试块，21为u型槽，3为曲率楔块，4为探头晶片，5为数据线。
具体实施方式
39.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
40.超声波检测主要分为直射声束法(纵波)和斜射声束法(横波)，纵波适用于检测平行于检测面的缺陷，横波用来发现与检测面成较大倾角的缺陷。
41.管材中缺陷方向主要分为两种：轴向和径向。轴向缺陷与管材轴线近似平行，径向缺陷垂直于管材轴线，并且轴向缺陷的危害性更大。一般情况下，由于加工工艺，管材产生的缺陷主要为轴向延伸裂纹。
42.超声波斜入射横波法对轴向缺陷检测灵敏度高，可检测识别内外壁缺陷。根据超声的折射、反射定律，在管材检测时，必须选择合适的入射角度，保证在管壁中只有横波。当超声波以一定的角度斜入射到管壁时，横波以一定的角度沿着w路线前进，如果在前进路线上没有遇到缺陷，则探头不会接收到回波信号，表示内外管壁完好；当声波前进路径上出现缺陷时，就会产生反射回波，回波将以相反的路径传播回探头，探头接收到反射回波后就表示管材中或内外壁上存在缺陷。因此，厚壁管材检测需要在横波探伤的基础上增加纵波探伤。
43.检测参数的确定：
44.1.1对比试块
45.对比试块是调整检测灵敏度和判断缺陷是否超标的重要依据。对比试块与被检件材料相同或者声学性能相似，根据有关技术要求在选取的试样上加工人工标准缺陷制成。
46.纵波检测时，需要采用同孔径不同埋藏深度的一组距离幅度试块来调节灵敏度，结合管材规格大小和要求，纵波对比试块1内埋藏的圆孔11孔径大小为φ0.8mm，孔深包含1.5mm
‑
32mm，如图1所示。
47.横波检测时，对比试块采用与被检管材同规格的部分制作，分别在内外管壁上进行人工刻槽，用来调节仪器、入射角和探头等参数。如图2、图3和表1所示。
48.管材缺陷一般采用矩形或者v型槽，易于进行加工，但是这两种人工刻槽对于能量的反射率较低，而厚壁管材主要考虑能量损失，所以本发明将横波刻槽修改为u型槽21，以提高能量的反射，提高检测灵敏度。
49.表1横波对比试块人工刻槽
[0050][0051]
1.2探头
[0052]
1.2.1厚壁管材超声纵波检测
[0053]
超声波接触法检测中最常用的是接触式纵波直探头和双晶探头，两者主要检测的区域不同。直探头检测的深度更深，但近表面盲区较大；双晶探头发现近表面缺陷能力强，盲区较小，但检测深度较浅。由于棒材沿外表面探伤时，检测区域较深，故采用纵波直探头发现平行于检测面的轴向缺陷。而tc11钛合金管材最大壁厚为32mm，不宜采用常规的直探头，适宜使用双晶探头沿管材外表面探伤。
[0054]
影响双晶探头性能的主要参数有频率、晶片尺寸和声束会聚区的范围(焦点位置)。通过对管材圆孔11对比试块进行探伤实验，选取了最佳的探头参数，如表2所示。
[0055]
表2管材超声纵波检测探头参数
[0056][0057]
对于该类管材选择纵波接触法检测，在目前行业内尚属于首次，主要基于厚壁管材工艺成型特点，同时成型时加工余量仅为2mm，属于极小余量的毛坯管材，且航空系统对于管材检测要求较高，以钛合金0.8mm检测灵敏度的要求为基准，考虑采用表面下纵波聚焦检测时，设定检测焦点深度为15mm。探头晶片4尺寸的设定主要考虑检测范围或者深度，一般纵波检测采用的晶片尺寸为14mm
‑
20mm，但该类厚壁管材，由于曲率半径较大，为减少声波散射和能量损失，需要采用小晶片探头，但是过小的晶片又会降低发射能量的大小，综合考虑选择10mm晶片。
[0058]
表面下纵波聚焦检测时，检测焦点深度为15mm。由于该类薄壁管材的特点是加工余量小，仅为2mm左右，且检测厚度大，最大为32mm左右，在保证检测灵敏度并兼顾检测效率的同时，选择采用表面下聚焦的接触法检测模式，确保检测分辨力满足要求。
[0059]
1.2.2厚壁管材超声横波检测
[0060]
普通横波斜探头的表面平滑，主要用于检测表面平行的工件。对于管材而言，表面曲率较大，普通斜探头与工件表面耦合不好，检测效果不好。横波楔块探头包括楔块、探头晶片4和数据线5等。因此需要设计并制作与该厚壁管材同曲率的楔块，见图4。曲率楔块3的主要成分是有机玻璃，带曲率楔块3的横波探头优点：
①
与管材表面接触好，耦合效果佳；
②
易于操作，检测效率高，发现缺陷能力稳定，人为干扰因素更小，检测结果更准确；
③
在有机楔块保护下，探头不与管材直接接触，磨损小，探头使用寿命更长，节约成本。
[0061]
因为所有的探头晶片4只能发射纵波，通过带曲率楔块3的波形转化，产生横波。在对厚壁钛合金管材检测时，楔块连接晶片的部位是带有一定的倾角，该倾角即为声波的入射角，该角度的设计要保证能够发现横波对比试块2中的内外壁刻槽，且内外壁人工缺陷的灵敏度差值不大于2db，通过设计不同倾角的横波楔块探头，大量的试验最终确定了楔块的角度即检测声波的入射角度为20
°
。
[0062]
管材的横波检测通常采用斜射声束法，由晶片4发出的超声波通过一定倾角的楔块到达管材外表面，再经过折射和波形转换到达管材内壁。横波检测探头参数选择时，除了晶片尺寸和频率外，探头的k值选取尤其重要。k值决定管材中折射角的大小，直接影响超声横波波束能否达到管材内壁，保证发现缺陷。
[0063]
通过试验确定管材横波检测方式为轴向扫查，如图6所示。在保证探头的有效入射和扫查稳定性的前提下，选取最佳扫查参数：
①
在保证较好的检测信噪比下，探头频率选为5mhz，使扫描声束具有较高的能量；
②
晶片厚度选为20mm，保证检测效率；
③
选取k1探头，使管材中传播的横波折射角为45
°
，提高缺陷定位的准确性。
[0064]
如图6所示，在上述扫查参数下，使用带楔块的探头后能够发现管材对比试块外壁上的缺陷信号，并且灵敏度高。
[0065]
基于所述厚壁管材的超声波检测系统对厚壁管材的超声波检测方法，包括以下步骤：
[0066]
s1、横波检测：
[0067]
1.1、将横波检测探头置于横波对比试块2上，在横波对比试块2上移动横波检测探头，找到横波对比试块2内部槽伤最高值，调节探伤仪增益，将横波对比试块2内部槽伤最高值调至探伤仪的荧光屏满刻度的80％；
[0068]
1.2、提高探伤仪的增益3
‑
5db后，在确保噪声信号不超过40％高度后，对管材实施圆周面的横波扫查，声波沿着径向进入待测管材，对发现的异常信号进行记录；
[0069]
1.3、扫查结束后，复查灵敏度，确定横波对比试块2槽伤是否在规定灵敏度下清晰可见，且横波对比试块2内人工刻槽的显示信号高度不低于80％，否则应重新实施横波检测；
[0070]
s2、纵波检测：
[0071]
2.1、将纵波检测探头置于纵波对比试块1上，移动纵波检测探头找到纵波对比试块1内部圆孔11反射信号最高值，调节探伤仪增益，将最高值调至荧光屏满刻度的80％。
[0072]
2.2、提高2
‑
4db后，在确保噪声信号不超过20％高度后，对管材沿着圆周实施纵波检测，对发现的异常信号进行记录；
[0073]
2.3、扫查结束后，复查灵敏度，确定纵波对比试块1内的圆孔11是否在规定灵敏度下清晰可见，且纵波对比试块1内部圆孔11的反射信号高度不低于80％，否则应重新实施纵波检测；
[0074]
2.4、对于管材纵波和横波扫查结果综合评定，若出现超标信号，则对该管材拒收，否则视为合格。
[0075]
检测结果与分析
[0076]
纵波检测：
[0077]
对该厚壁管材进行超声纵波a扫描检测，将超声信号的幅度与传播时间的关系以
直角坐标的形式显示出来。横坐标为时间，纵坐标为信号幅度。由于超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，则传播时间可转变为传播距离。因此，从a扫描图像中可以得到反射面距声入射面的距离(纵波垂直入射检验时显示缺陷的深度)，以及回波幅度的大小(用来判断缺陷的当量尺寸)。
[0078]
如图5所示，采用常规直探头沿管材外壁进行纵波扫查，由于探头自身盲区较大，未能发现缺陷信号。而使用双晶探头检测后，检测灵敏度高，检测盲区小，近表面分辨率好，发现管壁中的缺陷能力强，如图6所示。
[0079]
横波检测：
[0080]
如图7和8所示，采用与该管材同曲率的横波楔块探头后，对管材进行横波轴向扫查，缺陷显示灵敏度高，检测结果更准确，保证了检测质量。
[0081]
采用设计的横波对比试块2调节检测灵敏度，确定检测频率、晶片尺寸和入射角度等。常规钛合金管材接触法横波检测时，探头频率一般为10mhz，厚壁钛合金管材受自身材料特性影响，宜采用5mhz，以提高信噪比和分辨力。探头晶片4尺寸的设定主要考虑检测范围或者深度，一般管材检测采用的晶片尺寸为10mm
‑
15mm，但该类厚壁管材，由于曲率半径较大，为提高检测投入能量，可采用大尺寸晶片，但过大晶片会增大检测进厂长度，不利于缺陷定位，综合考虑选择晶片尺寸20mm，而横波折射角度的调节相对于常规薄壁管材，存在较大差异，常规管材一般采用的折射角为60
°‑
65
°
，厚壁管材由于检测范围较大，采用大角度折射会严重降低检测信噪比，造成能量衰减较大，使检测灵敏度发生较大波动，考虑钛合金自身特性，确定采用45
°
的横波检测。
[0082]
利用确定好的检测参数，将试块中的人工缺陷调整至荧光屏满刻度的80％，同时应确保杂波高度不低于40％，此时认为检测灵敏度调节完毕，然后将探头移动至厚壁管材零件上实施检测。