CN101923074A

CN101923074A - 超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法

Info

Publication number: CN101923074A
Application number: CN 201010238874
Authority: CN
Inventors: 王晓勇; 熊建平
Original assignee: JIANGBEI MACHINERY FACTORY
Current assignee: JIANGBEI MACHINERY FACTORY
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: CN101923074B

Abstract

本发明公开了一种超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，步骤为：加工通孔型人工缺陷对比试样，在此基础上进行起始灵敏度校准，在原有的单一横波检测基础上增加板波检测，分别按轴向和环向进行检测，对缺陷的定位采用了液滴干扰法。本发明与现有检测方法相比，具有人工缺陷对比试样加工精度高、起始灵敏度校准误差小、板波可同时对超高强度钢薄壁旋压圆筒进行表面、近表面及内部质量检测，缺陷检出率高、定位快速准确等优点，解决了超高强度钢薄壁旋压圆筒质量控制难度大，固体发动机钢壳体质量状况不稳定的问题，能够有效保障超高强度钢薄壁旋压圆筒的质量，提高固体发动机钢壳体的使用安全可靠性。

Description

超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法。

背景技术

超高强度钢薄壁旋压圆筒由于其良好的综合性能，因而替代了板焊圆筒技术来制造固体火箭发动机壳体，由于超高强度钢薄壁旋压圆筒为小壁厚、筒形、长径比大及表面具有旋压波纹等特点，使常规的检测技术对其检测均不具备完整的有效性，检测结果的可靠性低。

超高强度钢薄壁旋压圆筒的主要生产工序为锻件机加→粗旋→中间退火→半精旋→中间退火→精旋→检测→退火→检测；旋压过程中容易产生折叠、夹杂和裂纹等内部缺陷，直接影响固体发动机壳体的使用安全性，为保障产品质量，提高固体发动机壳体的使用安全性，必须采用有效的检测技术手段对超高强度钢薄壁旋压圆筒进行完整的质量控制。

超声波检测原理是利用一个可产生稳定、一定频率的探头激发出超声波，并将超声波传入被检测物体介质中，超声波在物体介质中传播时，当声波遇异质介面时，声波将发生折射和反射，声波在传播过程中会发生扩散和衰减；当被检测物体介质中的组织结构中存在不连续性(缺陷)时，超声波会在此处发生反射，采用仪器和探头采集到这个信号，通过声程和声压的测试，即可确定缺陷的部位及当量尺寸等，其中，当条件具备激发出板波的情况下，由于板波是横波与纵波的复合波，可同时检测到被检制品表面、近表面及内部组织情况。

按照现有的超声波检测方法对超高强度钢薄壁旋压圆筒进行检测，所使用的人工缺陷对比试样为槽形，加工难度大使槽的宽度和深度一致性差，导致起始灵敏度校准误差大，同时由于环向槽的长度方向与圆筒旋压波纹方向一致，起始灵敏度校准时受旋压波纹影响产生波高大于20％的杂波显示，起始灵敏度低；检测时仅使用横波对圆筒进行扫查，当缺陷延展方向与横波入射角度接近或平行时，以及缺陷位于横波近表面盲区时，缺陷将难以检出；发现缺陷后采用声程法或试样对比法对缺陷进行定位，即先移动探头找到缺陷反射波高最高的位置，再采用声程比例计算缺陷位置，受圆筒曲率、厚度及表面光洁度等影响，定位计算误差大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种检测灵敏度较高、缺陷定位准确的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法。

本发明提供的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，包括下列步骤：(1)人工缺陷对比试样加工：分别将超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向加工通孔，制作人工缺陷对比试样；(2)起始灵敏度校准：将横波探头和板波探头分别放置在人工缺陷对比试样上，按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向，在扫查声程内调节超声波仪，使通孔的横波反射波高和板波反射波高达到超声波仪示波屏高度的60％～80％，此时所确定的检测参数即为起始灵敏度；(3)超高强度钢薄壁旋压圆筒扫查检测：将横波探头和板波探头放置在待测超高强度钢薄壁旋压圆筒外表面，将外表面涂上耦合剂液体，分别采用横波和板波对待测超高强度钢薄壁旋压圆筒外表面按轴向和环向的正、反方向进行扫查检测，当超声波仪的示波屏上反射波形高度达到或超过起始灵敏度时，判定质量不合格；当超声波仪示波屏上反射波形高度达到或超过起始灵敏度的50％而低于起始灵敏度时，若仅采用板波检测时确定有表面划伤或凹坑，判定质量合格；以下情况判定质量不合格：若在轴向和环向均有板波和横波反射，且板波反射波高于横波反射波时，确定为折叠缺陷；若在轴向和环向均仅有板波反射，确定为折叠缺陷；若仅在轴向或环向单一方向上，有板波或横波反射，且通过12分贝测长法确定为裂纹类线性缺陷；(4)缺陷定位：经检测发现缺陷后，将检测时使用的耦合剂液体滴到起始灵敏度有效声程距探头前沿的最远端超高强度钢薄壁旋压圆筒的外表面，然后用沾有耦合剂液体的手指在超声波传递方向上由声程最远端朝探头前沿方向移动，观察超声波仪示波屏波形显示情况，当缺陷反射波出现闪动或缺陷反射波高度降低时，此时手指所触及到的位置下方即为缺陷在超高强度钢薄壁旋压圆筒表面上的平面位置。

在上述技术方案中，步骤(1)中所述人工缺陷对比试样为通孔型，沿超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向各加工三个通孔，三个通孔直径分别为φ2.0±0.1mm、φ1.2±0.06mm、φ0.8±0.04mm。

在上述技术方案中，步骤(2)中所述扫查声程为探头前沿距与当前所选当量对应的通孔100mm～300mm，优选100mm～200mm，当前所选当量为φ2.0mm、φ1.2mm、φ0.8mm中的一种。

在上述技术方案中，步骤(2)中所述起始灵敏度采用人工缺陷对比试样通孔反射波波高的80％。

在上述技术方案中，步骤(3)中进行所述扫查检测时，探头在轴向和环向移动过程中以主声束为中心线左右摆动±30°。

在上述技术方案中，步骤(3)中所述耦合剂液体为机油或水，优选机油。

本发明的检测方法具体通过以下步骤实现：

(1)人工缺陷对比试样加工：根据被检测超高强度钢薄壁旋压圆筒的实际情况，选取与被检圆筒曲率、厚度、声速、声阻抗、表面及热处理状态相同的材料制作对比试样，并分别按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向加工通孔，通孔直径分别为φ2.0±0.1mm、φ1.2±0.06mm、φ0.8±0.04mm，改变人工缺陷的加工方式，将切槽方式改为通孔方式。

(2)起始灵敏度校准：将横波探头和板波探头放置在对比试样上，分别按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向，以探头前沿距通孔100mm～200mm为扫查声程(所选用的通孔直径按旋压圆筒质量控制要求确定)，调节超声波仪器使通孔的横波和板波反射波高达到仪器示波屏的80％，此时所确定的检测参数即为起始灵敏度。

(3)选择检测方法：采用横波法加板波法对旋压圆筒分别按轴向和环向进行检测，改变原有只采用横波法检测，检测时，探头在轴向和环向移动过程中以主声束为中心线左右摆动±30°，检测时发现有反射波形高度达到或超过起始灵敏度(波高80％)缺陷时，判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格；发现反射波形高度达到或超过40％而低于80％时，如仅为板波发现且确定为表面划伤或凹坑时，确定为超高强度钢薄壁旋压圆筒质量合格，如在轴向和环向板波和横波均有反射(或横波无反射)，且板波反射波明显高于横波时，应确定为折叠缺陷，判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格，如仅在轴向或环向单一方向上，板波或横波有反射，且通过12分贝测长法确定为裂纹类线性缺陷，则判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格。

(4)缺陷定位：薄壁旋压圆筒厚度方向后续没有加工余量，不需要对缺陷在厚度方向上的定位，只需要平面定位，这里采用液体干扰法。检测发现缺陷时，将检测所使用的耦合剂液体滴到起始灵敏度有效声程的最远端(距探头前沿)超高强度钢薄壁圆筒外表面，然后用沾有液体的手指在超声波传递方向上由声程最远端朝探头前沿方向移动，观察超声波仪示波屏波形显示情况，当缺陷反射波出现闪动或缺陷反射波高度明显降低时，此时手指所触及到的位置下方即为缺陷在超高强度钢薄壁旋压圆筒表面上的平面位置。

本发明与现有检测方法相比，具有人工缺陷对比试样加工精度高、起始灵敏度校准误差小、板波可同时对超高强度钢薄壁旋压圆筒进行表面、近表面及内部质量检测，缺陷检出率高、定位快速准确等优点，本发明适用于固体发动机壳体的大批量生产检测，极大的提高了固体发动机壳体的质量可靠性和使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的人工缺陷对比试样示意图。

图2为本发明实施例的横波、板波扫查示意图。

图3为本发明实施例的缺陷定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，在做好探头选配这个准备工作的前提下，包括人工缺陷对比试样加工、起始灵敏度校准、超高强度钢薄壁圆筒扫查检测、缺陷定位等步骤，下面依次详细描述。

准备工作：探头选配，需考虑以下几个方面：

(1)探头的检测频率。通常探头的检测频率应为每个探头固定频率，根据被检测超高强度钢薄壁旋压圆筒的材料、状态所具有的声速、声阻抗等声衰减特性确定，一般不小于2.5MHz。

(2)探头的声波入射角。根据被检测超高强度钢薄壁旋压圆筒的厚度来确定探头的声波入射角，其中，横波探头的入射角应尽可能覆盖被检厚度值的检测，且具有较好的信噪比，板波探头的入射角应能在被检厚度值中激发出板波，且具有较好的信噪比。

例如：当检测某壁厚3.0mm的30Si2MnCrMoVE超高强度钢薄壁旋压圆筒时，按照所检壁厚及材料的声衰减特性，则可选用频率为5MHz、横波入射角为K3的横波探头和在0°～90°范围内可调节激发出板波的板波探头即可。

探头选定以后，依次进行下述步骤：

步骤一：人工缺陷对比试样加工。

选取与被检测超高强度钢薄壁旋压圆筒曲率、厚度、声速、声阻抗、表面及热处理状态相同的一块材料制作人工缺陷对比试样，所选取的材料表面不得有划伤和凹坑，且材料的内部组织均匀(可通过其它无损检测方法进行验证)，不得有影响超声波检测的缺陷存在，参见图1所示，分别按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向加工通孔，通孔直径分别为φ2.0±0.1mm、φ1.2±0.06mm、φ0.8±0.04mm。

步骤二：起始灵敏度校准。

将横波探头和板波探头分别放置在人工缺陷对比试样上，按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向，以探头前沿距通孔100mm～300mm为扫查声程(所选用的通孔直径按超高强度钢薄壁旋压圆筒质量控制要求确定)，本实施例中扫查声程为100mm～200mm，调节超声波仪器使通孔的横波反射波和板波反射波高达到仪器示波屏的60％～80％，实际生产中根据具体情况选择，本实施例优选80％，此时所确定的检测参数即为起始灵敏度。

例如：当检测某壁厚2.8mm、直径为φ880的30Si2MnCrMoVE超高强度钢薄壁旋压圆筒时，技术文件规定超高强度钢薄壁旋压圆筒内部不得有大于φ1.2当量的缺陷；此时起始灵敏度校准方法为：

①横波起始灵敏度校准：将选用的横波探头对准人工缺陷对比试样上的φ1.2通孔，探头前沿与通孔的距离为100mm，前后、左右轻微移动探头，使通孔在超声波仪器示波屏上的反射波高最高，再调节超声波仪器使通孔的反射波高达到示波屏满屏的80％，此为横波起始灵敏度。

②板波起始灵敏度校准：将选用的板波探头对准人工缺陷对比试样上的φ1.2通孔，探头前沿与通孔的距离为200mm，在0°～90°范围内调节探头的声波入射角，使探头激发出板波，然后前后、左右轻微移动探头，使通孔在超声波仪器示波屏上的反射波高最高，再调节超声波仪器使通孔的反射波高达到示波屏满屏的80％，此为板波起始灵敏度。

步骤三：超高强度钢薄壁旋压圆筒扫查检测。

将横波探头和板波探头放置在超高强度钢薄壁旋压圆筒外表面，将外表面涂上耦合剂液体(机油或水)，本实施例以机油为耦合剂液体，采用横波和板波对超高强度钢薄壁旋压圆筒分别按轴向和环向的正、反方向进行扫查检测，参见图2所示，图2中箭头方向为声束入射方向，检测时，探头在轴向和环向移动过程中以主声束为中心线左右摆动±30°，检测时有以下5种情况：

(1)发现超声波仪示波屏上有反射波形高度达到或超过起始灵敏度(波高80％)缺陷时，判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格；

发现超声波仪示波屏上反射波形高度达到或超过40％而低于起始灵敏度80％时，

(2)如果仅采用板波检测时，确定表面划伤或凹坑，则判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量合格；

(3)如果在轴向和环向均有板波和横波反射(或横波无反射)，且板波反射波明显高于横波时，应确定为折叠缺陷，判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格；

(4)如果在轴向和环向仅有板波反射，无横波反射，确定为折叠缺陷，判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格；

(5)如果仅在轴向或环向单一方向上，有板波或横波反射，且通过12分贝测长法确定为裂纹类线性缺陷，则判定超高强度钢薄壁旋压圆筒质量不合格。

技术人员对传统采用单一横波法检测和本发明采用横波加板波法检测两种检测方法的结果进行对比如下：

对某壁厚2.8mm、直径为φ880的30Si2MnCrMoVE旋压圆筒进行扫查检测，技术文件规定超高强度钢薄壁旋压圆筒内部不得有大于φ1.2当量的缺陷；采用的超声波检测设备型号为USD-15S超声波仪，先采用单一横波法检测，记录检测结果，再采用横波加板波法检测，记录检测结果，共检测了10件样件，检测结果统计表如表1所示。

表1、某型号旋压圆筒扫查检测数据对比

圆筒编号	单一横波扫果检测结果	横波加板波法扫查检测结果
			1	距端面轴向640mm，距环向I相限80mm有一处反射波高，波高达60％。	距端面轴向650mm，环向I、II相限中间有一处反射波高，板波显示波高达100％；对超标缺陷进行X射线检测验证，发现有一处低密度影像，面积5×2mm²。内表面目视可见有长约5mm线性缺陷。
2	未见异常显示。	距端面轴向700mm，环向I相限处板波显示波高40％，经验证目视可见外表面划伤。
			3	未见异常显示。	距端面轴向400mm，距环向II相限120mm板波显示波高10％，经验证目视可见外表面有一处凹坑。
4	距端面轴向35mm，距环向IV相限85mm处有一个反射波高，显示波高70％。	距端面轴向1160mm，距环向I相限110mm板波显示有一处反射波高，波高60％；经X射线检测发现为Φ0.5mm细小点状低密度影像。距端面轴向35mm，距环向IV相限100mm处有三个反射波高，板波显示波高100％；经X射线验证发现此处有低密度影像3处，分别为1.5×2mm²、1.5×3mm²、2×3mm²，间距分别为8mm、10mm。

5	未见异常显示。	距端面轴向700mm，正对I相限有一处反射波高，板波显示波高60％；经验证发现为壳体内表面划伤一处，长4mm。距端面轴向100mm，环向距II相限100mm有一处反射波高，板波显示波高40％；经验证发现为壳体外表面划伤一处，长5mm。距端面轴向420mm，环向III、IV相限中间有一处反射波高，板波显示波高40％；经验证发现为旋压波纹波谷中旋压压痕。
			6	距端面轴向1060mm，环向距II相限130mm有一处反射波高，显示波高50％；	距端面轴向1070mm，环向距II相限145mm有一处反射波高，板波显示波高60％；经X射线验证检测为Φ0.5mm细小点状低密度影像。另环向距IV相限顺时针65mm，距端面至轴向900mm均有板波波高显示，最大波高60％；经检查发现肉眼可见壳体
		内表面划伤，轴向延伸约900mm，共计4条。
			7	距端面轴向520mm，环向距IV相限130mm有一处反射波高，显示波高超过100％；	距端面轴向520mm，环向距IV相限150mm有一处反射波高，板波和横波显示波高超过100％；经X射线检测发现有一处低密度影像，分布面积3×6mm²，低密度影像中并伴有Φ0.5mm点状影像3个，Φ0.7mm点状影像1个，裂纹1处，长2mm。
8	距端面轴向740mm，环向距IV象限130mm有一处反射波高，板波显示波高20％。	距端面轴向750mm，环向距IV象限145mm有一处反射波高，板波显示波高40％；经磁粉检测验证，内表面有长约5mm折叠磁痕显示。

9	距端面轴向170mm，环向距II相限140有一处反射波高，显示波高40％；	距端面轴向180mm，环向距II相限150有一处反射波高，板波显示波高60％；经X射线检测发现有3个低密度影像，分别长1.5mm、2mm、1.5mm，间距分别为5mm、10mm。
			10	距端面轴向250mm，环向正对I相限有一处反射波高，板波显示波高30％。	距端面轴向260mm，环向正对I相限有一处反射波高，板波显示波高40％；经X射线检测发现有面积3.5×2mm²低密度影像。

步骤四：缺陷定位。

对超高强度钢薄壁旋压圆筒在扫查检测过程中发现缺陷时，参见图3所示，将检测所使用的耦合剂液体机油滴到起始灵敏度有效声程的最远端(距探头前沿)超高强度钢薄壁圆筒外表面，然后用沾有机油的手指在超声波传递方向上由声程最远端朝探头前沿方向移动，观察超声波仪示波屏波形显示情况，当缺陷反射波出现闪动或缺陷反射波高度明显降低时，此时手指所触及到的位置下方即为缺陷在超高强度钢薄壁旋压圆筒表面上的平面位置。

如检测某壁厚2.8mm、直径为φ880的30Si2MnCrMoVE超高强度钢薄壁旋压圆筒时，在轴向方向上发现一处反射波高为60％的缺陷波；此时对缺陷进行轴向定位的具体方法为：

在距探头前沿的声波传播方向(轴向)200mm处滴下二至三滴机油，观察超声波仪器示波屏的最大声程处会出现一个反射波，此时的缺陷反射波应位于探头起始波和机油滴反射波之间，然后，用手指沾上机油在探头与机油滴的轴线上，由所确定的200mm处向探头前沿处点击移动，同时观察超声波仪示波屏的缺陷波变化情况，当手指点击超高强度钢薄壁旋压圆筒表面某处发现超声波仪示波屏的缺陷波发生闪动或波高明显降低时，即可确定手指点击的该处为缺陷所在部位。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

(1)人工缺陷对比试样加工：分别将超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向加工通孔，制作人工缺陷对比试样；

(2)起始灵敏度校准：将横波探头和板波探头分别放置在人工缺陷对比试样上，按超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向，在扫查声程内调节超声波仪，使通孔的横波反射波高和板波反射波高达到超声波仪示波屏高度的60％～80％，此时所确定的检测参数即为起始灵敏度；

(3)超高强度钢薄壁旋压圆筒扫查检测：将横波探头和板波探头放置在待测超高强度钢薄壁旋压圆筒外表面，将外表面涂上耦合剂液体，分别采用横波和板波对待测超高强度钢薄壁旋压圆筒外表面按轴向和环向的正、反方向进行扫查检测，当超声波仪的示波屏上反射波形高度达到或超过起始灵敏度时，判定质量不合格；当超声波仪示波屏上反射波形高度达到或超过起始灵敏度的50％而低于起始灵敏度时，若仅采用板波检测时确定有表面划伤或凹坑，判定质量合格；以下情况判定质量不合格：若在轴向和环向均有板波和横波反射，且板波反射波高于横波反射波时，确定为折叠缺陷；若在轴向和环向均仅有板波反射，确定为折叠缺陷；若仅在轴向或环向单一方向上，有板波或横波反射，且通过12分贝测长法确定为裂纹类线性缺陷；

(4)缺陷定位：经检测发现缺陷后，将检测时使用的耦合剂液体滴到起始灵敏度有效声程距探头前沿的最远端超高强度钢薄壁旋压圆筒的外表面，然后用沾有耦合剂液体的手指在超声波传递方向上由声程最远端朝探头前沿方向移动，观察超声波仪示波屏波形显示情况，当缺陷反射波出现闪动或缺陷反射波高度降低时，此时手指所触及到的位置下方即为缺陷在超高强度钢薄壁旋压圆筒表面上的平面位置。

2.如权利要求1所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(1)中所述人工缺陷对比试样加工通孔的方法是：沿超高强度钢薄壁旋压圆筒的轴向和环向各加工三个通孔，三个通孔直径分别为φ2.0±0.1mm、φ1.2±0.06mm、φ0.8±0.04mm。

3.如权利要求1或2所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述扫查声程为探头前沿与当前所选对应当量通孔的距离为100mm～300mm，所选当量为待测超高强度钢薄壁旋压圆筒的质量控制要求当量，当量值为φ2.0mm、φ1.2mm、φ0.8mm中的一种。

4.如权利要求3所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述扫查声程为探头前沿距通孔100mm～200mm。

5.如权利要求1所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述起始灵敏度范围采用人工缺陷对比试样通孔反射波波高的80％。

6.如权利要求1所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(3)中进行所述扫查检测时，探头在轴向和环向移动过程中以主声束为中心线左右摆动±30°。

7.如权利要求1所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：步骤(3)中所述耦合剂液体为机油或水。

8.如权利要求7所述的超高强度钢薄壁旋压圆筒超声波检测方法，其特征在于：所述耦合剂液体采用机油。