熊鴻建,涂 俊,鄔冠華,吳 偉,高鴻波

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，南昌 330063;2.上海航天精密機(jī)械研究所, 上海 201600)

破碎機(jī)用鑄鐵與鋼襯板釬焊層釬著狀態(tài)的超聲檢測(cè)

熊鴻建1,涂 俊2,鄔冠華1,吳 偉1,高鴻波1

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，南昌 330063;2.上海航天精密機(jī)械研究所, 上海 201600)

針對(duì)釬焊件焊接時(shí)存在的夾雜和未融合等缺陷，采用超聲水浸C掃描的方法對(duì)釬著率進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用信號(hào)處理和圖像處理的知識(shí)，采用不同的閾值對(duì)釬焊層的回波進(jìn)行處理，生成不同閾值的C掃圖像，計(jì)算釬著率。通過解剖的方法來驗(yàn)證各種C掃描成像中的釬著率，得出最佳閾值系數(shù)。結(jié)果表明：超聲信號(hào)經(jīng)Hilbert變換后,釬焊層回波幅值采用閾值為-6 dB成像時(shí)，所得的釬著率最接近實(shí)際值。

超聲水浸C掃；釬焊；閾值；Hilbert

破碎機(jī)襯板是破碎機(jī)上的關(guān)鍵零部件，其性能和使用壽命直接影響到破碎機(jī)的工作效率和生產(chǎn)成本。耐磨襯板由耐磨鑄鐵和鋼釬焊制成，其表面是可抵抗外部沖擊的耐磨鑄鐵件，基體是高韌性的鋼板。兩者通過冶金結(jié)合時(shí)，這種疊層復(fù)合材料就具有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性和鋼的高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)良性能，其克服了兩者的弱點(diǎn)，即使外部斷裂之后仍然可以使用，因而在破碎機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

為獲得優(yōu)質(zhì)釬縫，釬焊中采用的一般方法為：使液態(tài)釬料充分地流入并致密地填滿全部釬焊間隙，并與母材基體金屬進(jìn)行很好的物理化學(xué)作用，從而在冷凝結(jié)晶后得到合乎要求的釬焊接頭。為保證釬焊件質(zhì)量，必須檢測(cè)釬焊缺陷及其分布特征，計(jì)算釬著率，剔除殘次品。傳統(tǒng)的釬焊質(zhì)量控制方法是破壞性抽樣檢驗(yàn)(即解剖工件)，屬于破壞性檢測(cè)，方法落后，受檢率極低，因而不能全面反映產(chǎn)品質(zhì)量；而手工超聲檢測(cè)依靠人工判斷缺陷位置和大小，人為因素太多，存在釬著率中區(qū)域測(cè)量和計(jì)算困難等問題[5-9]。

特征掃描成像技術(shù)主要用于復(fù)合材料的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。C掃描采取特征檢測(cè)的方法，利用計(jì)算機(jī)全波列采集檢測(cè)信號(hào)提取和存儲(chǔ)超聲波形的各種特征，包括上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖周期和頻譜特性等，經(jīng)信號(hào)處理后，按多種特征進(jìn)行成像顯示[10-16]。采用超聲水浸聚焦掃查可以獲得穩(wěn)定的信號(hào)、縮小盲區(qū)，便于實(shí)現(xiàn)聚焦聲束檢測(cè)，滿足高靈敏度、高分辨率的要求，且便于自動(dòng)檢測(cè)，減少人為因素。筆者采用超聲C掃信號(hào)的特征成像對(duì)鑄鐵與鋼襯板釬焊層的釬著情況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，采用超聲回波不同閾值對(duì)釬焊層的原始數(shù)據(jù)和希爾伯特(Hilbert)變換后的特征成像進(jìn)行釬著率的估算評(píng)定[17]，且利用金相分析的方法對(duì)解剖后的工件進(jìn)行了釬著率評(píng)定準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。

1 檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)參數(shù)

試驗(yàn)對(duì)象為巧克力型的工件，形狀及尺寸如圖1所示，巧克力塊材料為耐磨鑄鐵，底板材料為碳鋼，耐磨鑄鐵和鋼板采用釬焊方式結(jié)合。

圖1 工件尺寸和實(shí)物照片

采用OLYMPUS 5077型超聲發(fā)射和接收儀，配10 MHz水浸聚焦探頭(探頭晶片直徑6 mm，焦距30 mm，焦點(diǎn)大小2 mm);采用3027數(shù)據(jù)采集卡、機(jī)械掃描架組成的超聲水浸掃查系統(tǒng)，以及超聲特征掃描成像系統(tǒng)，配套軟件在windows 7環(huán)境下運(yùn)行，借助于ICY、MICRO-MANAGE軟件開發(fā)的。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)A掃、B掃、C掃，數(shù)據(jù)采集處理、圖像處理、缺陷評(píng)價(jià)分析等功能。

試驗(yàn)選用的超聲信號(hào)采集參數(shù)為：掃描速度，6 000 mm·min-1；掃描步距,1 mm；信號(hào)采樣率，125 MHz；掃查時(shí)的增益選為35 dB。

2 釬焊層掃描特征成像結(jié)果及分析

對(duì)工件進(jìn)行超聲全面掃查，生成釬焊層的C掃圖。試驗(yàn)對(duì)工件分別進(jìn)行了從鋼板面和從鑄造面的掃查。超聲從鋼板面入射時(shí)，在釬焊層深度所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(a)所示；超聲從鑄造面入射時(shí)，在釬焊層深度所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(b)所示；超聲從鋼板面入射時(shí)，在工件底部(鑄造面)所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(c)所示；超聲從鑄造面入射時(shí)，在工件底部(鋼板面)所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(d)所示。

圖2 從工件的不同方向入射時(shí)得到的超聲C掃圖

從上述特征成像的結(jié)果可知：底波檢測(cè)效果不如釬焊層檢測(cè)，鑄造面入射的檢測(cè)成像不如鋼板面。

圖3 焊接結(jié)合不良與良好部位示意

如圖3所示，工件上白色的區(qū)域是釬焊層較高回波對(duì)應(yīng)焊接結(jié)合不良的區(qū)域，工件上藍(lán)色的區(qū)域是釬焊層較低回波對(duì)應(yīng)釬著良好的區(qū)域。

Hilbert變換是一種常用的信號(hào)處理方法，筆者采用對(duì)生成波形進(jìn)行Hilbert變換形成包絡(luò)(如圖3中紅色波形)，然后由包絡(luò)波形進(jìn)行C掃成像。

釬焊件的釬著程度不一樣，在C掃圖像中呈現(xiàn)的幅值不一樣高。對(duì)釬焊層的回波設(shè)定不同的閾值，低于閾值的釬焊層回波幅值設(shè)置為0;高于閾值的部分保留數(shù)據(jù)，就能得出不同閾值的C掃圖像。試驗(yàn)通過對(duì)C掃圖和Hilbert C掃圖設(shè)置不同的閾值進(jìn)行成像，得出最適合的成像閾值。處理后的C掃圖和Hilbert C掃圖的幅值偽彩圖如圖4所示，可以看出，C掃圖最大的幅值是56，Hilbert C掃圖最大的幅值是90。

圖4 原始C掃和Hilbert C掃偽彩圖

3 缺陷尺寸超聲測(cè)量金相定標(biāo)及驗(yàn)證

巧克力型工件線切割端口示意如圖5所示；切割后的斷口依次編號(hào)為m1,m2,n1,n2，如圖6所示。

圖5 工件實(shí)物切割與釬焊層C掃成像切割示意

圖6 工件各斷口實(shí)物照片

對(duì)端口進(jìn)行打磨拋光，得出的部分缺陷金相圖像如圖7所示。

圖7 工件部分缺陷的金相圖

不同閾值生成的C掃圖中，找出對(duì)應(yīng)切割的部位，量取缺陷的長(zhǎng)度和缺陷最左端到最右端的距離如圖8所示，C掃圖像量取尺寸的結(jié)果如表1，2所示。

圖8 超聲C掃尺寸量取與Hilbert成像尺寸量取

由表1中數(shù)據(jù)可見，在焊縫出現(xiàn)缺陷的最左端到焊縫缺陷結(jié)束的最右端的宏觀缺陷尺寸數(shù)據(jù)中，采用常規(guī)C掃進(jìn)行閾值成像，閾值為-5.421 dB時(shí)的尺寸相差百分比最小，為5.12%；由表2中數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過Hilbert變換后，生成的 C掃圖在閾值為-6 dB時(shí)的尺寸相差百分比最小，為3.1%。圖9為計(jì)算用閾值與測(cè)量誤差的關(guān)系曲線，從圖9中也可看出，此兩閾值最接近實(shí)際的宏觀缺陷首尾尺寸。

表1 缺陷尺寸超聲特征掃描檢測(cè)幅度定標(biāo) mm

表2 缺陷尺寸超聲特征掃描(Hilbert)檢測(cè)幅度定標(biāo) mm

由上述的表格數(shù)據(jù)中，選取兩組最好的閾值附近的值進(jìn)行微觀單個(gè)缺陷的金相長(zhǎng)度和C掃圖尺寸的比較，得出的數(shù)據(jù)如表3所示。

從上述數(shù)據(jù)中可看出，C掃圖閾值為-4.86 dB時(shí)的尺寸相差最??；Hilbert C掃圖閾值為-6 dB時(shí)的尺寸相差最小。

圖9 計(jì)算用閾值dB與測(cè)量誤差的關(guān)系曲線

表3 典型缺陷金相尺寸與超聲成像尺寸 mm

根據(jù)C掃圖和Hilbert C掃圖處理后的最大幅值，采用了幾種閾值。對(duì)C掃圖選取的釬焊層幅值閾值-11.44,-8.94,-7.00,-5.42,-4.08,-2.92,-1.9 dB；對(duì)Hilbert C掃圖選取的釬焊層幅值閾值-15.56,-13.06,-11.13,-9.54,-8.20,-7.04,-6.00,-5.11,-4.28,-3.52,-2.83 dB。所呈現(xiàn)的效果圖和釬著率情況如圖10所示，利用插值算法，最后計(jì)算出來的釬著率如圖11和表4所示。

表4 利用插值算法計(jì)算出的釬著率(釬著良好率)

圖10 C掃和Hilbert C掃的閾值釬著率

圖11 采用插值算法計(jì)算出的不同閾值釬著率

4 結(jié)論

利用超聲特征掃描對(duì)鑄鐵和鋼板釬焊件的釬焊結(jié)合面處掃查成像，并通過設(shè)置不同的閾值對(duì)釬焊層處回波進(jìn)行閾值截取，然后進(jìn)行成像。由于超聲波在工件中的衰減與厚度有關(guān)，所以在對(duì)釬焊層處成像時(shí)，從工件厚度較薄的鋼板層入射時(shí)，釬焊層處的C掃成像效果更好更清晰，利于評(píng)價(jià)；通過試驗(yàn)，釬焊層回波閾值選為-4.86 dB時(shí)，釬焊層C掃成像尺寸最接近金相尺寸，相差5.12%；而波形經(jīng)過Hilbert變換后，Hilbert變換后波形釬焊層回波閾值取-6 dB時(shí)，釬焊層Hilbert變換后C掃成像尺寸最接近金相尺寸，相差3.1%；

從原始波形和Hilbert變換后波形C掃成像尺寸和誤差比較綜合來看，超聲A掃波形經(jīng)Hilbert變換后，釬焊層回波閾值選-6 dB成像，是最佳的成像參數(shù)，即此時(shí)釬著率是89.9%。

[1] 李永堂，付建華，雷步芳,等.多元低合金耐磨鋼破碎機(jī)襯板制造工藝研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(12):72-77.

[2] 饒綺麟.破碎設(shè)備研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].金屬礦山(增刊),2003(10): 5-11.

[3] 趙星東.破碎機(jī)械在金屬礦山的使用與發(fā)展[J].礦業(yè)快報(bào),2004(5): 1-6.

[4] STACHOWIAK G B. Ball-craerong abrasion test of hing-Cr white castirons[J].Tribology Internationl, 2005, 38(11/12): 1076-1087.

[5] 鄒禧.釬焊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[6] 馬宏偉，張廣明，王彤,等.釬焊缺陷的超聲無損檢測(cè)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998,32(7):80-84.

[7] 劉海強(qiáng)，董德秀.釬焊超聲C掃描圖像缺陷面積計(jì)算方法[J].無損檢測(cè),2014,36(2):53-55.

[8] 李玲,劉素平,黃志新,等.航空機(jī)匣釬焊焊縫的水浸超聲C掃檢測(cè)技術(shù)[J].航空航天裝備制造業(yè), 2014,41(增刊):13-18.

[9] 馬宏偉,張廣明,牛伸克,等.超聲無損檢測(cè)水浸掃描裝置的研制[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997,17(增刊):146-148.

[10] 王培杰.面向?qū)ο蟮腤INDOWS編程技術(shù)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1994.

[11] 趙榮椿,趙忠明,崔生.數(shù)宇圖像處理導(dǎo)論[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[12] 張志永.水浸聚焦超聲探傷原理[M] .北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[13] 陸銘慧，王海芳，陳以方.固體藥柱的超聲特征掃描成像檢測(cè)[J].固體火箭技術(shù),2007,30(5):459-462.

[14] BARCOHEN Y C, RANE R L. A coustic back scattering imaging of subcritical defects in cmiposites[J]. Materials Evaluation,1982,40(9): 970-974.

[15] TEAGLE P R. The quality control and non-destmctive evaluation of cmiposite aerospace cmiponents[J]. Composites,1983,14(4): 115.

[16] 李慶,王海芳,陳以方,等.復(fù)合板材的超聲特征掃描成像檢測(cè)[J].材料工程,2006(8):52-56.

[17] 鄭暉.超聲檢測(cè)[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008.

Ultrasonic Testing of the Leaching Status of Braze Welding of Cast Iron and Steel for Crushers

XIONG Hong-jian1, TU Jun2, WU Guan-hua1, WU Wei1, GAO Hong-bo1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China;2.Shanghai Aerospace Precision Machinery Research Institute, Shanghai 201600, China)

For brazing welding in the presence of inclusion and incomplete fusion defects, water ultrasonic C scanning method was used to evaluate the rate of brazing leaching. Signal processing and image processing knowledge by different thresholds were used to deal with the echo of the solder layer, thus generating different threshold C scan images, and the brazing rate was calculated. The dissection method was employed to verify various C imaging of the brazing rate, and the best threshold coefficient was obtained. The results show that while using the ultrasonic C scan images by Hilbert transform at the threshold for -6 dB imaging, the resulting brazing rate is much closer to the actual value.

Immersed ultrasonic C-scan; Brazing; Threshold; Hilbert

2016-08-22

上海航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目

熊鴻建(1990-)，男，碩士研究生，主要從事超聲特征掃、無損評(píng)價(jià)、數(shù)字射線成像工作。

熊鴻建，E-mail：ndt_xiong@163.com。

10.11973/wsjc201702004

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0013-05