CN102608213B - 一种铸铁材料缺陷的声学检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸铁材料缺陷的声学检测方法，包括制作对比试板和最大容许缺陷试板，对所述对比试板进行超声检测，对所述最大容许缺陷试板进行超声检测，对所述待测试板进行超声检测等步骤。通过对对比试板、最大容许缺陷试板以及待测试板的幅度衰减进行归一化处理，得到了所述最大容许缺陷试板的归一化幅度衰减曲线相对于对比试板的归一化幅度衰减曲线上在量程尽头位置附近的最大差值，将待测试板相对于对比试板的归一化幅度衰减曲线的衰减变化值与所述最大差值进行比较，进而判断待测试板上是否存在大于最大容许缺陷的缺陷。该缺陷检测方法具有检测速度快，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种铸铁材料缺陷的声学检测方法。
背景技术
铸铁材料，由于其具有优良的铸造性、耐磨性和吸震性以及良品率高、成本低的特点，在城市燃气管道、造纸烘缸、汽车等设备或构件上均得到了广泛应用。然而，铸铁材料的固有特征加上铸造工艺的特殊性，使得铸铁类构件和设备中难免存在缺陷，常见的缺陷有：气孔、夹渣、冷隔、缩孔和疏松、裂纹等。目前，铸铁材料内部缺陷的无损检测技术主要有射线检测法和脉冲反射超声波检测法。射线检测法可以检测出气孔、疏松、冷隔和缩孔等制造缺陷，由于需全覆盖射线照射，以及铸铁内部结构的不均匀和灰度上的差别，其检测效率较低，成本高。因受到铸铁材料晶粒粗大的影响，脉冲反射超声波检测法仅能够检测出铸铁材料在制造过程中产生的疏松、夹渣和缩孔缺陷。对于投入使用后的铸铁设备或构件，在运行状态下容易出现的疲劳裂纹缺陷，射线检测法检测灵敏度低、效率低、检测成本高，没有得到应用；而脉冲反射超声波检测法灵敏度较低，目前还没有较成熟的仪器和方法，而且其检测时需要在停产状态下进行大面积的逐点连续扫查，检测效率低、检测时间长，导致用户产生较大的经济损失。
现有技术中常用声超声检测方法来快速评价材料内部的整体的质量状况。上述方法的检测原理是：将两个或多个超声探头放在待测构件表面的不同位置上，一个超声探头激励宽带脉冲应力波，该应力波在构件内部与材料(包括各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区)相互作用并经历界面的多次反射与波型转换后，到达置于构件同侧或其相对的异侧表面的扫查探头(一个或多个)，由于所接收到的信号是发射的超声脉冲信号在传播路径中经多次反射及其与材料相互作用的总结果，因此，接收到的波形信号携带了材料内部的信息，对信号进行分析，提取出能反映材料的机械性能(如强度、刚度等)或有无损伤变化的参量，从而根据该参量的变化情况对材料内部缺陷做出判断。
现有的基于上述原理的检测方法在木材的腐朽程度、生长年代、孔隙率以及复合材料板的分层以及脱粘的检测上已逐步开始应用。其对于木材的检测属于材料整体状况的评价，而不是对局部缺陷的检测。受到超声波多种传播模态的复杂程度和波型转换(横纵波之间相互转换，兰姆波与瑞利波之间的相互转换等)现象存在的影响，其应用于复合材料时，为了使声波的传播模态简单，发射、传播和接收的主要是低阶的兰姆波，从而通常在数毫米厚度的复合材料板上使用MHz级以上的较高的超声频率，这就使得检测的距离较短，仅测定一定距离范围内的材料整体声衰减情况。当复合材料板厚度增大时，材料内部超声波的传播模态增多，获得的波形信号复杂，难于解释而不易应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何实现对铸铁材料缺陷的快速区域定位和检测。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种铸铁材料缺陷的声学检测方法，其包括以下过程：
S1：制作对比试板和最大容许缺陷试板；其中，所述对比试板上无缺陷，所述最大容许缺陷试板具有铸铁材料容许的最大缺陷，所述对比试板和最大容许缺陷试板的材质、形状、大小与待测铸铁试板完全相同；
S2：对所述对比试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S2a：激励探头的位置O保持不动，将所述扫查探头放置于最初位置A，在A位置处扫查探头所测得的波形信号的幅度记录为AAm；
S2b：激励探头的位置O保持不动，沿着射线OA方向不断移动扫查探头位置的同时接收和记录每个位置处波形信号的幅度，直至所测得的幅度等于5AAm/9，记录此时扫查探头的位置B，将线段OB的长度记录为L，L为所述声学检测方法的有效检测量程；
S2c：对扫查探头位于线段AB内时所接收到的幅度进行归一化处理，得到归一化衰减曲线S，其中横坐标表征扫查探头的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
S3：对所述最大容许缺陷试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S3a：移动激励探头以及扫查探头的位置，一方面满足所述激励探头与所述扫查探头之间的距离为L，另一方面使得扫查探头的位置处于其所测得的幅度经过最大容许缺陷衰减降低后重新升高并刚刚恢复到5AAm/9的位置，此时扫查探头的位置设定为C，激励探头的位置设定为D；
S3b：作扫查探头处于线段CD范围内的幅度的归一化衰减曲线S1，其中横坐标表征扫查探头的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
S3c：将曲线S1与曲线S对应到同一坐标系内，其中位置C与B重合，D与O重合；
S3d：将曲线S1与曲线S相比较，将曲线S1相比曲线S相对衰减程度开始变快的横坐标位置设定为E；
S3e：测得线段EC之间的距离为d1，比较线段EC内相同横坐标下曲线S1与曲线S的纵坐标之差，获得纵坐标最大差值h；
S4：对所述待测铸铁试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S4a：激励探头的位置保持不动，将扫查探头的最初位置设定为与激励探头相距d；
S4b：在激励探头指向扫查探头的连线的延长线上不断地改变扫查探头的位置，每次改变d1/2，记录扫查探头所处的位置以及所测得的波形信号的幅度值，并且使得所述激励探头与所述扫查探头的距离始终保持在L内；
S5：将过程S4b中所测到的数据作成归一化衰减曲线S2，横坐标为扫查探头的位置，纵坐标为进行归一化处理后的每个相应位置的幅度值；
S6：比较曲线S2与S，若存在某一横坐标下曲线S2相应纵坐标的值比曲线S相应纵坐标的值相差超过h/2，则判定待测铸铁试板上存在缺陷，若所测得的各个横坐标下曲线S2与曲线S相应纵坐标的差值都不大于h/2，则判定该待测铸铁试板上的缺陷处于允许的范围内。
其中，所述位置O与最初位置A之间的线段OA的长度为d，d的取值范围在4cm～6cm之间。
其中，所述待测铸铁试板为厚度大于10mm的铸铁。
其中，所述d1为20cm。
其中，所述激励探头所发出的超声波中心频率fc设定在300KHz～800KHz之间。
其中，所述缺陷为裂纹缺陷。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的检测方法，适用于铸铁设备或构件裂纹缺陷的快速检测，可在设备或构件正常运行或短暂停止运行过程中进行在线检测，避免了长时间停产检测带来的经济损失；与脉冲反射超声波检测法相比，不需要逐点连续扫查，激励探头位置保持不动，扫查探头以固定检测步长d1/2移动，可以实现大面积快速扫查，迅速确定有怀疑的小范围区域；采用对归一化的衰减曲线进行比较，降低了耦合压力、人为操作、耦合剂厚度、试板表面光洁程度等因素所造成的不同次检测间的幅度差异。
附图说明
图1为本发明实施例1中铸铁材料缺陷的声学检测系统构成图；
图2为本发明实施例2中存在裂纹缺陷的铸铁试板的各关键检测点位置的分布示意图；
图3为本发明实施例2中存在裂纹缺陷的铸铁试板的幅度衰减规律示意图；
图4为本发明实施例2中不存在裂纹缺陷的对比试板的各关键检测点位置的分布示意图；
图5为本发明实施例2中最大容许缺陷试板的各关键检测点位置的分布示意图；
图6为本发明实施例2中所测得的对比试板以及最大容许缺陷试板的幅度衰减曲线比较图；
图7为本发明实施例2中所测得的对比试板以及最大容许缺陷试板的幅度归一化衰减曲线比较图；
图8为本发明实施例2中所测得的待测铸铁试板以及对比试板的幅度衰减曲线比较图；
图9为本发明实施例2中所测得的待测铸铁试板以及对比试板的幅度归一化衰减曲线比较图。
其中，1：铸铁试板；2：声发射检测模块；3：计算机设备；4：脉冲信号产生模块；5：放大器；6：激励探头；7：扫查探头；8：耦合剂；100：待测铸铁试板；101：激励探头；102：扫查探头；200：对比试板；300：最大容许缺陷试板；M、N：裂纹缺陷；→：扫查探头检测移动方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1示出了本实施例的铸铁材料缺陷的声学检测系统构成图，1为铸铁试板，2为声发射检测模块，3为计算机设备，4为脉冲信号产生模块，5为放大器，6为激励探头，7为扫查探头，8为耦合剂。
参照图1，激励探头6和扫查探头7利用夹具固定在铸铁试板1上方，其中，激励探头6与铸铁试板1之间设置有耦合剂8，扫查探头7与铸铁试板1之间也设置有耦合剂8。脉冲信号产生模块4与激励探头6相连，用于通过激励探头6向铸铁试板1发射超声激励信号，扫查探头7用于接收来自铸铁试板1的超声频声信号，扫查探头7将接收到的超声信号经放大器5放大后传送给声发射检测模块2，经声发射检测模块2进行声发射信号的采集和记录后，将记录的波形特征参数送至计算机设备3，再经计算机设备3的信号处理后最终显示出来提供给检测人员。
在使用本实施例的检测系统进行铸铁材料缺陷检测时，需要移动扫查探头7，因此设置有移动控制模块(图中未标示)与扫查探头7相连，以控制扫差探头在待测铸铁试板上方的移动。并且，移动控制模块上设置有标尺，根据标尺的设定，激励探头6保持不动，扫差探头7参考标尺进行定距离移动。优选将移动控制模块的横截面设置为长方形或梯形，且设置移动控制模块位于铸铁试板1的一侧，标尺设置在移动控制模块的外表面上。
本实施例的检测系统能够实现对铸铁设备或构件裂纹缺陷的快速检测，可在设备或构件正常运行或短暂停止运行过程中进行在线检测，避免了长时间停产检测带来的经济损失。
实施例2
申请人在研究中发现，在对存在裂纹缺陷的铸铁材料进行检测时，当扫查探头位于缺陷之前时，衰减特性与无缺陷时完全相同；当扫查探头移动到缺陷位置及后面的一定范围内，所测得的幅度的衰减程度会比无缺陷时的衰减程度明显变大；而在扫查探头移动到缺陷后的一定距离后，幅度又会抬升至与无缺陷时的衰减水平相当的程度；当幅度抬高到正常衰减水平后继续向后移动扫查探头，存在缺陷的衰减和无缺陷的衰减将基本一致，具体如图2和图3所示。
参照图2和图3，激励探头101固定在待测铸铁试板100上点O位置处，缺陷位于M点，其横坐标为43cm处，扫查探头102在M点前后附近所测出的幅度值表明在M点衰减程度明显变大。在M点后的N点，N点横坐标为60cm位置，信号幅度大小抬升至与无缺陷时的衰减水平相当的程度，在M点之前以及N点之后的区域，存在缺陷的衰减和无缺陷的衰减将基本一致。
脉冲信号产生模块产生的正弦波作为超声波激励信号波，激励探头为北京声华兴业科技有限公司的谐振探头R500，其中心频率在480KHz，扫查探头为美国物理声学公司的宽频探头WD，检测对象为牌号HT250的30mm厚的铸铁试板，探头与缺陷设置在试板的同一个表面上。
首先，制作对比试板和最大容许缺陷试板，其中所述对比试板上无缺陷，所述最大容许缺陷试板所具有的容许的最大缺陷为长度为30mm、深度为2mm、宽度为0.4mm的人工刻槽。对比试板、最大容许缺陷试板的材质以及形状大小与待测铸铁试板完全相同。
接下来，对对比试板200进行超声检测，参照图4所示，具体包括以下过程：
激励探头101的位置O保持不动，将扫查探头102放置于最初位置A，线段OA的长度为d，d的取值范围在4cm～6cm之间，在A位置处扫查探头102所测得的波形信号的幅度记录为AAm；
激励探头101的位置O保持不动，沿着射线OA方向不断移动扫查探头102位置的同时接收和记录每个位置处波形信号的幅度，直至所测得的幅度等于5AAm/9，记录此时扫查探头102的位置B，将线段OB的长度记录为L，L为所述声学检测方法的有效检测量程；
对扫查探头102位于线段AB内时所接收到的幅度进行归一化处理，得到归一化衰减曲线S，参照图6和图7所示，其中横坐标表征扫查探头102的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
然后，对最大容许缺陷试板300进行超声检测，参照图5所示，具体包括以下过程：
移动激励探头101以及扫查探头102的位置，一方面满足所述激励探头101与所述扫查探头102之间的距离为L，另一方面使得扫查探头102的位置处于其所测得的幅度经过最大容许缺陷衰减降低后重新升高并刚刚恢复到5AAm/9的位置，此时扫查探头102的位置设定为C，激励探头101的位置设定为D；
作扫查探头102处于线段CD范围内的幅度的归一化衰减曲线S1，参照图6和图7所示，其中横坐标表征扫查探头的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
将曲线S1与曲线S对应到同一坐标系内，其中位置C与B重合，D与O重合；
将曲线S1与曲线S相比较，将曲线S1相比曲线S相对衰减程度开始变快的横坐标位置设定为E；
测得线段EC之间的距离为d1，比较线段EC内相同横坐标下曲线S1与曲线S的纵坐标之差，获得纵坐标最大差值h。
最后，对所述待测铸铁试板进行超声检测，具体包括以下过程：
激励探头的位置保持不动，将扫查探头的最初位置设定为与激励探头相距d；在激励探头指向扫查探头的连线的延长线上不断地改变扫查探头的位置，每次改变d1/2，记录扫查探头所处的位置以及所测得的波形信号的幅度值，并且使得所述激励探头与所述扫查探头的距离始终保持在L内；将对待测铸铁试板所测到的数据作成归一化衰减曲线S2，参照图8和图9所示，横坐标为扫查探头的位置，纵坐标为进行归一化处理后的每个相应位置的幅度值；比较曲线S2与S，若存在某一横坐标下曲线S2相应纵坐标的值比曲线S相应纵坐标的值相差超过h/2，则判定待测铸铁试板上存在缺陷，若所测得的各个横坐标下曲线S2与曲线S相应纵坐标的差值都不大于h/2，则判定该待测铸铁试板上的缺陷处于允许的范围内。
比较附图6和7，以及比较附图8和9，可以看出对幅度衰减曲线经过归一化处理后，可将同一坐标系内耦合压力、人为操作、耦合剂厚度、试板表面光洁程度等因素所造成的不同次检测间的幅度误差进行摈除，这就使得同一坐标系中可以直接比较相关曲线上的点的值。
针对图6和7，需要注意的是，虽然最大容许缺陷试板的缺陷位于45cm处，但在本实施例中在该点附近的44.1cm和45.9cm处也分别用扫查探头进行测量。这是因为已知缺陷位于此处，紧靠缺陷前和缺陷后测量了2个点可以使作出的衰减曲线更准确地反映衰减过程。
在图7中，在同一坐标系中比较对比试板与最大容许缺陷试板的幅度衰减归一化曲线，得到同一横坐标下两根曲线的最大纵坐标差值位于55cm处，此时的h＝0.68-0.59＝0.09，L＝65cm-0＝65cm，从45cm处衰减程度开始变大，65cm处最大容许缺陷试板的衰减程度与对比试板基本相当，此时d1＝65cm-45cm＝20cm，因此在附图8、9对应的步骤中，将扫查探头的检测步长设定为d1/2＝10cm。
在附图9中，比较所述对比试板曲线与所述待测试板曲线，相同横坐标下两曲线纵坐标值的最大差值(出现在横坐标为45cm处)为0.71-0.65＝0.06，与h/2相比，有0.06＞(h/2＝0.045)，于是判定待测试板上存在缺陷；由于衰减程度从横坐标为35cm处开始变大，因此，所存在的缺陷位于横坐标35cm的附近区域，考虑到测量步长的影响，存在的缺陷的位置是35cm附近的一个位置，缺陷的具体位置和大小应通过脉冲反射超声波检测法在该局部区域以逐点连续扫查方式进行复验来获得。
本实施例中，所谓最大容许缺陷，即试板上所容许出现的最大裂纹缺陷，超过此最大容许缺陷，则判定该试板不可再使用，不超过该容许缺陷，则该试板可继续使用。
对于上述过程中OA之间的长度d选择4cm～6cm之间的原因在于：1、扫查探头以及激励探头本身有一定尺寸，一般直径在2cm左右；2、由于激励探头周围存在边缘效应，致使通常情况下过于临近激励探头所处位置区域的接收信号的复现性差。
对于上述过程中有效量程的端点选择在5AAm/9位置的原因在于：工程现场一般受噪声(电磁噪声、机械噪声)干扰的影响，这种噪声的幅度一般不会超过幅度AAm的4/9，故选择幅度降低为5AAm/9的位置作为可信的有效量程的端点。
最后的判定缺陷过程中，“判定该待测试板上的缺陷处于允许的范围内”实际包含试板上不存在任何可检缺陷的情况，由于实际检测中有容许的缺陷和没有缺陷均会给出待测试板仍可使用的结论，这就使得将这二者区分并无太多实际意义，因此，将不存在缺陷的情况也包含在“判定该待测试板上的缺陷处于允许的范围内”中。
由以上实施例可以看出，本发明检测系统和方法适用于铸铁设备或构件裂纹缺陷的快速检测，可在设备或构件正常运行或短暂停止运行过程中进行在线检测，避免了长时间停产检测带来的经济损失；与脉冲反射超声波检测法相比，不需要逐点连续扫查，激励探头位置保持不动，扫查探头以固定检测步长d1/2移动，可以实现大面积快速扫查，迅速确定有怀疑的小范围区域；采用对归一化的衰减曲线进行比较，降低了耦合压力、人为操作、耦合剂厚度、试板表面光洁程度等因素所造成的不同次检测间的幅度差异。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，包括以下过程：
S1：制作对比试板和最大容许缺陷试板；其中，所述对比试板上无缺陷，所述最大容许缺陷试板具有铸铁材料容许的最大缺陷，所述对比试板和最大容许缺陷试板的材质、形状、大小与待测铸铁试板完全相同；
S2：对所述对比试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S2a：激励探头的位置O保持不动，将扫查探头放置于最初位置A，在A位置处扫查探头所测得的波形信号的幅度AAm，扫查探头将接收到的波形信号经发射检测模块进行声发射信号的采集和记录后，将记录的波形特征幅度AAm送至计算机设备；
S2b：激励探头的位置O保持不动，沿着射线OA方向不断移动扫查探头位置的同时接收和记录每个位置处波形信号的幅度，直至所测得的幅度等于5AAm/9，发射检测模块记录此时扫查探头的位置B，发射检测模块将线段OB的长度记录为L，L为所述声学检测方法的有效检测量程；
S2c：计算机设备对扫查探头位于线段AB内时所接收到的幅度进行归一化处理，得到归一化衰减曲线S，其中，横坐标表征扫查探头的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
S3：对所述最大容许缺陷试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S3a：移动激励探头以及扫查探头的位置，一方面满足所述激励探头与所述扫查探头之间的距离为L，另一方面使得扫查探头的位置处于其所测得的幅度经过最大容许缺陷衰减降低后重新升高并刚刚恢复到5AAm/9的位置，此时扫查探头的位置设定为C，激励探头的位置设定为D；
S3b：利用计算机设备作扫查探头处于线段CD范围内的幅度的归一化衰减曲线S1，其中横坐标表征扫查探头的位置，纵坐标表征归一化后的幅度值；
S3c：利用计算机设备将曲线S1与曲线S对应到同一坐标系内，其中位置C与B重合，D与O重合；
S3d：利用计算机设备将曲线S1与曲线S相比较，将曲线S1相比曲线S相对衰减程度开始变快的横坐标位置设定为E；
S3e：测得线段EC之间的距离为d1，并利用计算机设备比较线段EC内相同横坐标下曲线S1与曲线S的纵坐标之差，获得纵坐标最大差值h；
S4：对所述待测铸铁试板进行超声检测，具体包括以下过程：
S4a：激励探头的位置保持不动，将扫查探头的最初位置设定为与激励探头相距d；
S4b：在激励探头指向扫查探头的连线的延长线上不断地改变扫查探头的位置，每次改变d1/2，发射检测模块记录扫查探头所处的位置以及所测得的波形信号的幅度值，并且使得所述激励探头与所述扫查探头的距离始终保持在L内；
S5：利用计算机设备将过程S4b中所测到的数据作成归一化衰减曲线S2，横坐标为扫查探头的位置，纵坐标为进行归一化处理后的每个相应位置的幅度值；
S6：比较曲线S2与S，若存在某一横坐标下曲线S2相应纵坐标的值比曲线S相应纵坐标的值相差超过h/2，则判定待测铸铁试板上存在缺陷，若所测得的各个横坐标下曲线S2与曲线S相应纵坐标的差值都不大于h/2，则判定该待测铸铁试板上的缺陷处于允许的范围内；
S7、判定缺陷存在于曲线S2横坐标的附近区域，通过脉冲反射超声波检测法在该附近区域以逐点连续扫查方式进行复验进而获得缺陷的具体位置和大小。
2.如权利要求1所述的铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，所述位置O与最初位置A之间的线段OA的长度为d，d的取值范围在4cm～6cm之间。
3.如权利要求1所述的铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，所述待测铸铁试板为厚度大于10mm的铸铁。
4.如权利要求3所述的铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，所述d1为20cm。
5.如权利要求1所述的铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，所述激励探头所发出的超声波中心频率fc设定在300KHz～800KHz之间。
6.如权利要求1所述的铸铁材料缺陷的声学检测方法，其特征在于，所述缺陷为裂纹缺陷。
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