一种变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法与流程

1.本发明是一种变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法，属于无损检测技术领域。


背景技术：

2.超声检测技术是一种工业常用无损检测技术，可以在不损坏材料或零件的前提下，利用声波在材料内部传播过程中的反射、散射及衰减等现象，对内部缺陷进行检测。同时，对于具有平行表面的零件，利用声波在被检测零件底面产生的反射回波，以及声波传播过程中的材料衰减程度，可以通过底面反射回波强度对材质均匀性进行评价，如评价局部粗晶现象、晶粒分布、孔隙率、某种元素含量等。材质均匀性对材料力学性能具有很大影响，因此，采用无损检测方法对材质均匀性做出评价，具有十分重要的意义，工程上也已经具有很多应用案例。
3.但是对于具有非平行表面、变曲率、变厚度等结构的零件，声波在其内部的传播规律就比较复杂，受变型面影响，声波可能在多个界面发生折射、散射、波形转换等现象，声衰减不再单独由材质均匀性引起，较难简单的通过底面反射回波的声衰减程度判断材质均匀性，因而，本专利提出了一种变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法。


技术实现要素：

4.本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法，其目的是针对具有复杂型面零件缺少材质均匀性无损评价方法的问题，提出了一种在不损坏制件的前提下，实现具有复杂型面零件材质均匀性的无损评价，为材料质量可靠性提供无损检测技术支持。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.该种变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法采用以下步骤进行检测和评判：
7.步骤一、检测系统由超声波探伤仪、超声探头和对比试块组成；
8.步骤二、根据材料超声可检性，选择相应的超声检测方式、检测频率、探头类型对对比试块进行检测，采集每一检测部位的底面反射回波或穿透波信号幅值进行成像，记录为图像c1；
9.检测过程中的灵敏度调节方法为；调节超声波探伤仪增益，使成像用声波信号幅值在超声波探伤仪显示屏上显示幅度的最大值等于80％，并且保证采集的所有声波信号幅值在超声波探伤仪显示屏上的显示幅度均在30％～80％范围内，若不能满足上述要求，则应调整检测方式、检测频率、探头类型、水距参数，或采用分区检测，直至满足对比试块超声检测的声波信号幅值在超声波探伤仪显示屏上的显示幅度的30％～80％范围内；
10.步骤三、采用与步骤二中对比试块检测相同的超声检测方式、检测频率、探头类型对被检测零件进行检测，采集被检测零件每一检测部位的底面反射回波或穿透波信号幅值
进行成像，记录为图像c2；
11.步骤四、对检测图像c1和c2做均匀化处理，得到修正的图像c1
′
和c2
′
；
12.步骤五、以图像c1
′
的数据点为基准，对图像c2
′
中对应的数据点进行归一化处理，归一化处理方法如式(1)所示，
13.d＝[20lg(80％/a2)-20lg(80％/a1)]/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]
式中：a1——图像c1
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0015]
a2——图像c2
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0016]
t——信号采集点声程(单位：
㎜
)；
[0017]
d——图像c2
′
中单点成像信号归一化幅值(单位：db)
[0018]
步骤六：采用归一化幅值d重构检测图像c3，利用图像c3中数据点幅值和面积信息评价被检测零件材质的差异性。
[0019]
在实施时，所述步骤一中对比试块结构参数中的结构形式、曲率变化、厚度变化与被检测零件相同，对比试块材质成分、均匀性符合材料技术条件要求，内部孔隙率视为零。
[0020]
在实施时，所述步骤二中超声检测方式包含超声波脉冲反射式检测和超声波脉冲穿透式检测两种。
[0021]
在实施时，所述步骤二中超声检测方式、检测频率、探头类型的选取依据被检测零件材料种类、材质衰减、零件厚度、结构形式以及要求检测的缺陷尺寸。
[0022]
进一步，对于金属材料、材质衰减小、厚度小及要求检测缺陷尺寸较小的零件，选用脉冲反射法、较高检测频率及聚焦探头进行检测；
[0023]
对于非金属材料、材质衰减大、厚度大或要求检测缺陷尺寸较大的零件，多选用脉冲穿透法、较低检测频率及平探头进行检测。
[0024]
在实施时，所述步骤二中采集每一检测部位的底面反射回波或穿透波信号幅值，是选取底面反射回波或穿透波信号中触发成像信号门的第一个正峰值。
[0025]
在实施时，所述步骤四中对检测图像做均匀化处理是从起始采样点开始，选取以扫查间距为边长的四边形的四个顶点的采样值做平均值，替换四边形四个顶点的原采样值，以此类推，对图像中数据进行均匀化处理。
[0026]
在实施时，所述步骤五中信号采集点声程t，根据声束传播角度、被检部位曲率和厚度、波型变化计算得到触发信号门的第一次正峰值的声波所传播的路径，或采用声场仿真软件计算得到。
[0027]
本发明技术方案的特点及有益效果是：
[0028]
1、采用无损检测方法实现具有复杂型面零件材质均匀性评价，扩大了现有可实现的材质均匀性无损检测零件结构的应用范围；
[0029]
2、不需要损坏制件，可实现制件全体积材质均匀性检测；
[0030]
3、检测方法简便，容易操作；
[0031]
4、检测结果准确度可以满足材料使用要求。
具体实施方式
[0032]
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
[0033]
实施例1
[0034]
检测一件发动机风扇叶片的孔隙率，风扇叶片为碳纤维增强树脂基复合材料，采用3d机织 rtm工艺制作，叶身为双曲面，厚度由1mm～3mm渐变。
[0035]
采用本发明技术方案所述针对变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法检测和评判的步骤如下：
[0036]
步骤一、制作两块与风扇叶片材质、形状和制作工艺相同的对比试块；
[0037]
步骤二、采用喷水式超声穿透方法对对比试块进行检测，检测探头频率为 5mhz，晶片直径为12mm，水套口径为6mm，检测水距为50mm，采集入射至对比试块并在对比试块内传播后被超声探头接收到的声能量信号，调节超声波探伤仪增益，使声能量信号在超声波探伤仪显示屏上显示幅度的最大值等于80％，并且保证采集的所有声能量信号在超声波探伤仪显示屏上的显示幅度均在 30％～80％范围内，进行c扫描成像检测，得到超声c扫描图像c1；
[0038]
两块对比试块在同样的超声检测方法和检测参数下检测得到超声c扫描图像，两幅c扫描图像对应位置的声能量信号幅值差异不大于超声检测仪显示器满屏刻度的5％；
[0039]
选择上述一块对比试块测量内部孔隙，将对比试块中曲率变化或厚度变化大于
±
10％的部位，以及上述c扫描图像中声能量幅值变化大于
±
10％的部位，分别选取沿厚度方向投影面的中心距离不大于20mm的三个立方体小样，立方体小样沿厚度方向投影面积为10mm
×
10mm，立方体小样的厚度等于对应位置对比试块厚度，再对立方体小样进行微纳ct检测，并采用图像处理软件统计立方体小样内部孔隙率，该零孔隙率试块取样测量得到的孔隙率数值为0.11％；由于两块零孔隙率试块在同一检测条件下的超声检测图像对应点幅值差均不大于 5％，故认为另一块对比试块内部孔隙率近似为0.11％，并将其作为后续风扇叶片孔隙率检测的对比试块；
[0040]
步骤三、采用超声检测方法对风扇叶片进行检测，风扇叶片夹持方法、检测增益值及其他检测参数等条件均与上述对比试块检测相同，得到被检测风扇叶片的超声c扫描图像c2；
[0041]
对检测图像c1和c2做均匀化处理，得到修正的图像c1
′
和c2
′
。
[0042]
以图像c1
′
的数据点为基准，对图像c2
′
中对应的数据点进行归一化处理，归一化处理方法如式(1)所示，
[0043]
d＝[20lg(80％/a2)-20lg(80％/a1)]/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
式中：a1——图像c1
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0045]
a2——图像c2
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0046]
t——信号采集点声程(单位：
㎜
)；
[0047]
d——图像c2
′
中单点成像信号归一化幅值(单位：db)
[0048]
采用归一化幅值d重构检测图像c3，利用图像c3中数据点幅值和面积信息评价叶片内部孔隙含量。
[0049]
实施例2
[0050]
检测一件l型金属制件的内部晶粒均匀性，l型制件为tc17钛合金材料， l型r角曲率为9mm，l型制件厚度由2mm～4mm渐变。
[0051]
采用本发明技术方案所述针对变曲率、变厚度结构材质差异性超声评价方法检测和评判的步骤如下：
[0052]
步骤一、制作两块与l型tc17钛合金制件材质、形状和制作工艺相同的对比试块；
[0053]
步骤二、采用水浸式超声反射方法对对比试块进行检测，检测探头频率为 5mhz，晶片直径为12mm，探头焦距为90mm，检测水距为90mm，采集入射至对比试块并在对比试块内传播后被超声探头接收到的底面反射声能量信号，调节超声波探伤仪增益，使声能量信号在超声波探伤仪显示屏上显示幅度的最大值等于80％，并且保证采集的所有声能量信号在超声波探伤仪显示屏上的显示幅度均在30％～80％范围内，进行c扫描成像检测，得到超声c扫描图像c1；
[0054]
两块对比试块在同样的超声检测方法和检测参数下检测得到超声c扫描图像，两幅c扫描图像对应位置的声能量信号幅值差异不大于超声检测仪显示器满屏刻度的5％；
[0055]
选择上述一块对比试块测量内部孔隙，将对比试块中曲率变化或厚度变化大于
±
10％的部位，以及上述c扫描图像中声能量幅值变化大于
±
10％的部位，分别选取沿厚度方向投影面的中心距离不大于20mm的三个立方体小样，立方体小样沿厚度方向投影面积为10mm
×
10mm，立方体小样的厚度等于对应位置对比试块厚度；再对立方体小样进行微纳ct检测，并采用图像处理软件统计立方体小样内部晶粒度，该试块取样测量得到的内部晶粒度差异不大于10％。由于两块试块在同一检测条件下的超声检测图像对应点幅值差均不大于5％，故认为另一块对比试块内部晶粒度差异近似为10％，并将其作为后续l型tc17钛合金制件晶粒度检测的对比试块；
[0056]
步骤三、采用超声检测方法对l型tc17钛合金制件进行检测，l型tc17 钛合金制件夹持方法、检测增益值及其他检测参数等条件均与上述对比试块检测相同，得到被检测l型tc17钛合金制件的超声c扫描图像c2；
[0057]
对检测图像c1和c2做均匀化处理，得到修正的图像c1
′
和c2
′
。
[0058]
以图像c1
′
的数据点为基准，对图像c2
′
中对应的数据点进行归一化处理，归一化处理方法如式(1)所示，
[0059]
d＝[20lg(80％/a2)-20lg(80％/a1)]/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
式中：a1——图像c1
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0061]
a2——图像c2
′
中单点成像信号幅值(单位：％)；
[0062]
t——信号采集点声程(单位：
㎜
)；
[0063]
d——图像c2
′
中单点成像信号归一化幅值(单位：db)
[0064]
采用归一化幅值d重构检测图像c3，利用图像c3中数据点幅值和面积信息评价l型tc17钛合金制件内部晶粒度。