莫瑕琳

(西安西航集團(tuán)萊特航空制造技術(shù)有限公司,西安 710021)

隨著我國對航空、航天產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,水浸超聲C 掃描檢測系統(tǒng)以其穩(wěn)定的機(jī)械掃描能力、合適聲場的水距選擇、聲束角度可調(diào)等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。筆者著重從系統(tǒng)主要參數(shù)及操作過程兩方面探討水浸Scan Master 超聲C 掃描檢測系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)主要參數(shù)

1.1 脈沖波形

(1)尖脈沖發(fā)生器是用來激勵(lì)壓電換能器的最早電路之一,高效的尖脈沖發(fā)生器電路比較簡單,所用基本元器件如圖1 所示。其中開關(guān)元件采用雪崩晶體管或可控硅整流器。

圖1 脈沖發(fā)生器基本元器件示意圖

通過充電電阻RC和阻尼電阻RD對充電電容C充電,充至高壓V(典型值為250～400 V)。大多數(shù)便攜式儀器的阻容值可使充電電容在不到1 ms的時(shí)間內(nèi)充至直流電源電壓的滿值,也就是可達(dá)到1 000 Hz 的脈沖重復(fù)頻率。通用儀器大多采用尖脈沖發(fā)生器,所用的開關(guān)器件的電氣工作點(diǎn)一般不可調(diào)節(jié),只能對阻尼電阻RD進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)方波脈沖的使用增強(qiáng)了探傷人員對重要檢測參數(shù)的控制和穩(wěn)定能力,并且方波脈沖還能提高脈沖幅度。

方波脈沖發(fā)生器和尖脈沖發(fā)生器電路類似,不同的是前者所用開關(guān)元件采用金屬氧化物超導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。適當(dāng)調(diào)節(jié)方波脈沖發(fā)生器,可激發(fā)兩倍于充電電壓相同的尖脈沖發(fā)生器所激發(fā)的信號電壓。為使方波脈沖發(fā)生器發(fā)揮出它的最佳性能,阻尼電阻RD和脈沖寬度都要根據(jù)每個(gè)換能器的具體情況予以分別調(diào)節(jié)。

ScanMaster 設(shè)備采用方波脈沖發(fā)生器,可對脈沖寬度和阻尼電阻分別調(diào)節(jié)。

1.2 脈沖寬度

脈沖寬度由檢驗(yàn)人員通過儀器設(shè)置面板進(jìn)行調(diào)節(jié),如脈沖寬度設(shè)置太寬, 可觀察到畸變的超聲波形;脈沖寬度太窄,所獲得的超聲波幅將明顯低于同樣電壓的尖脈沖發(fā)生器所達(dá)到的波幅。一個(gè)合適的脈沖寬度起始值PW=1×109/4fc(ns),其中fc為探頭中心頻率。通常脈沖寬度在不影響穿透力的同時(shí)盡量小,這樣可提高近表面分辨率。

1.3 阻尼電阻

阻尼電阻從小到大分為1～8 個(gè)檔級,由檢驗(yàn)人員根據(jù)換能器的不同予以調(diào)節(jié)。對阻尼阻抗調(diào)節(jié)很重要,通過改變發(fā)射電路中的阻尼電阻來調(diào)節(jié)發(fā)射超聲波的強(qiáng)度,發(fā)射強(qiáng)度隨著阻尼電阻的增大而增大,通常發(fā)射強(qiáng)度越大,脈沖越寬。阻尼電阻直接決定換能器的振鈴時(shí)間,影響近表面分辨率。

1.4 脈沖寬度和阻尼電阻的配合

UPR100 探傷儀發(fā)射方波脈沖,為使方波脈沖發(fā)生器發(fā)揮出它的最佳性能,阻尼電阻和脈沖寬度都要根據(jù)每個(gè)換能器的具體情況予以分別調(diào)節(jié),經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)的方波脈沖發(fā)生器可以激發(fā)出兩倍于充電電壓的尖波脈沖發(fā)生器所能激發(fā)的信號電壓。

1.5 脈沖重復(fù)頻率

脈沖重復(fù)頻率可在1 Hz～10 kHz 之間調(diào)節(jié),選擇脈沖重復(fù)頻率數(shù)值對自動(dòng)化檢測十分重要。高重復(fù)頻率使兩次脈沖間隔時(shí)間變短,有可能導(dǎo)致未充分衰減的多次反射進(jìn)入下一周期,形成所謂的“幻像波”,造成缺陷誤判。因此,自動(dòng)化檢測的掃描速度也受到可用的最大重復(fù)頻率限制。

重復(fù)頻率=表面速度/周向掃描間距(CI)

在實(shí)際自動(dòng)化檢測中,脈沖重復(fù)頻率的大小與周向掃描間距和零件的速度有關(guān),最大以不出現(xiàn)“幻像波”為準(zhǔn),其次在工藝要求的規(guī)定范圍內(nèi)。

1.6 采樣頻率

數(shù)字探傷儀是通過對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行高速度、等間距的采樣,將其變?yōu)橐涣写笮∽兓臄?shù)字,進(jìn)而對這些數(shù)字進(jìn)行計(jì)算、處理、顯示。如果以數(shù)字的大小作為幅度,將這列數(shù)字仍按相同的間隔在直角坐標(biāo)系中描繪出來,則重新構(gòu)成了一個(gè)由分離的點(diǎn)組成的曲線,即數(shù)字化的波形,圖2 為模/數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖。

圖2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖

可見,為使重建波形不失真,應(yīng)盡可能增加采樣密度,即提高采樣頻率。

U PR100 探傷儀采樣頻率范圍分為25, 50 和100 MHz?？赏ㄟ^面板進(jìn)行選擇設(shè)置,一般設(shè)置原則是采樣頻率至少是探頭中心頻率的4 倍。

1.7 增益

增益是由接收器增益(0～96 dB)和脈沖器(前置放大器)增益(0,15,30 和45 dB)組成。

由缺陷回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓通常只有幾十毫伏至幾百毫伏,放大電路需對其進(jìn)行足夠的放大(約100 dB),才能達(dá)到示波管顯示所需的上百伏電壓。前置放大器使原始信號增益20～45 dB,這樣高的增益,足以消除大多數(shù)接收器本身的噪聲影響,補(bǔ)償電纜的傳輸損失,將信號提升到足以克服后續(xù)放大級和濾波級的噪聲電平高度。

前置放大器增益和TCG(時(shí)間校正增益)功能結(jié)合使用,可將接收器信噪比提高45 dB。

若前置放大器中的自動(dòng)控制不被選中,儀器的接收器增益是38 dB,前置放大器增益是0 dB,這意味接收器把接收到的信號都放大,從而影響信噪比;若自動(dòng)控制被選中,儀器總增益38 dB,接收器增益是8 dB,前置放大器增益是30 dB,可使信噪比提高30 dB。

2 操作過程

2.1 水距選擇

航空鍛件的水浸超聲波檢測,主要用水浸點(diǎn)聚焦探頭。水距分為表面點(diǎn)聚焦和表面下聚焦,使用表面點(diǎn)聚焦檢測工件時(shí),實(shí)際使用的水距值應(yīng)是實(shí)際測量的焦距,不一定是探頭的標(biāo)稱焦距。水距確定后,在對比試塊上制作TCG 曲線的設(shè)置應(yīng)與檢測工件時(shí)的設(shè)置一致。

2.2 界面垂直調(diào)整

在水浸縱波檢測中,探頭的聲束是否垂直檢測表面,對檢測結(jié)果關(guān)系較大。調(diào)整界面垂直,應(yīng)在實(shí)際焦距或近場點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高30 mm 作為水距,分別調(diào)節(jié)A軸(運(yùn)動(dòng)方向垂直于X軸方向),B軸(運(yùn)動(dòng)方向垂直于Y軸方向),使來自表面的不飽和波幅達(dá)最高。

2.2.1 點(diǎn)聚焦探頭

(1)多次底波法

調(diào)整A,B軸,使10 mm 薄試塊的底波反射達(dá)最多,即調(diào)整好界面垂直,如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)聚焦探頭界面垂直調(diào)整多次底波法波形圖

(2)界面波高度法

在實(shí)際工作現(xiàn)場,界面波高度法更便于檢驗(yàn)人員操作,且可提高工作效率。探頭直接落在被檢件的上方,在實(shí)際水距的基礎(chǔ)上增加30 mm ,使電子閘門放在界面波上。用局部掃描軟件系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)整A,B軸,找到最高界面波,即調(diào)整好界面垂直,如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)聚焦探頭界面垂直調(diào)整界面波高法波形圖

2.2.2 平探頭

水浸平探頭采用界面波高度法,探頭直接落在被檢件的上方,水距為實(shí)際近場距離加30 mm ,使電子閘門放在界面波上,用局部掃描軟件系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)整A,B軸,并自動(dòng)找到最高界面波,即調(diào)整好界面垂直,如圖5 所示。

圖5 平探頭界面垂直調(diào)整界面波高法波形圖

2.3 掃描覆蓋

為提供足夠數(shù)據(jù)獲取空間(檢驗(yàn)覆蓋范圍),應(yīng)選擇最大的掃描速度和掃描間距。使用下列方程確定徑向/軸向掃描間距,周向掃描間距(數(shù)據(jù)采集率),脈沖重復(fù)頻率和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速RP M。

徑向/軸向掃描間距(R A I)=有效聲速寬度(EB W)×75%,周向掃描間距或數(shù)據(jù)獲取率(CI)=轉(zhuǎn)速/分鐘(RP M)=60/(周長/表面速度),其中EB W為-2, -3 或-6 dB 下的有效聲束寬度。

如果檢驗(yàn)速度為305 mm/s(12 in/s),EB W為2.3 mm(0.09 in.),掃描間距為EB W的75%,則如 圖6 所示,沒有漏檢區(qū)域。

圖6 掃描覆蓋示意圖

2.4 C掃描顯示

該設(shè)備的C 掃描系統(tǒng)需要用閘門通道。若以各點(diǎn)的亮度代表回波傳播時(shí)間,則可得到缺陷的深度分布,稱為TOF(time of flight)圖。

例如:試件材料為LD7, 規(guī)格為φ200 mm ×50 mm ,有三個(gè)人工缺陷(圖7),C 掃描圖像如圖8所示。

3 結(jié)語

探討了ScanMaster 水浸超聲探傷系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置及操作過程。如何更好地學(xué)習(xí)、應(yīng)用與開發(fā)國外先進(jìn)的無損檢測技術(shù)與設(shè)備,是今后無損檢測工作的重要任務(wù)。