CN104515810A - 一种激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法，将超声纵波探头放在激光熔覆再制造零件表面上，设置采样系统的增益参数；在零件表面上移动探头；采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统中，将纵波直探头更换为小角度纵波探头，在零件表面上移动探头，再次采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统中；再次更换小角度纵波探头，采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统中；利用信号分析系统，分别对三次采集的缺陷信号作快速傅立叶(fft)变换处理，得到三种检测方式下缺陷回波信号的频谱分析图；通过观察缺陷回波频谱形状以及是否与超声波检测方向相关联，关联的紧密程度来区分缺陷的类型。

Description

一种激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种基于超声纵波检测激光熔覆再制造零件内部缺陷，并对缺陷类型进行分析的方法。

背景技术

目前，我国每年都有大量的废旧钢铁零部件作为废钢铁进行材料级回收，造成资源、能源的浪费以及环境的污染。再制造是以优质、高效、节能、节材、环保为主要目标，以全寿命周期为指导，使废旧产品在对环境的负面影响最小、资源利用率最高的情况下。重新达到最佳的性能要求。对节能节材、环境保护以及推动社会经济与环境的协调发展具有重大意义。

激光熔覆凭借其技术优势，已成为再制造工程的先进技术之一。有关资料表明：修复后的零件强度可达到原强度的90％以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了许多再制造难题。

实践表明，激光熔覆再制造零件中的气孔、裂纹、夹渣等缺陷是影响其服役性能和服役寿命的关键因素。因此检测激光熔覆层缺陷对保证再制造产品的质量就显得非常重要。

超声波是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种缺陷检测技术，与其他缺陷检测技术(如射线检测、涡流检测、磁粉检测以及渗透检测等)相比，具有检测对象范围广、成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。

采用超声波对缺陷进行检测的三大关键问题是缺陷的定位、定量和定性评价，迄今为止，在缺陷的定位和定量评价方面已经取得了很大进展，并逐步趋于成熟与完善。但是，在缺陷的定性评定方面仍然面临着不少困难，这主要是由于实际检测过程中，缺陷的几何形状、位置取向、表面粗糙度、内含物，检测时使用的超声检测系统特性及其采集到信号的显示方式都会影响缺陷反射波的特性，因此，超声检测时采集到的缺陷反射波是一个综合响应，采用常规的检测技术难以将上述各因素从综合响应中逐一分离出来，给缺陷的定性评定带来了困难。由于缺陷性质难以判定，往往会使一些具有非危险性缺陷(如气孔、夹渣等通过后续加工可以改善甚至消除)的再制造产品被废弃，造成资源的浪费，另外也可能会使一些含有危险性缺陷(例如扩展性裂纹)的再制造产品成为漏网之鱼，混入到合格产品之列，直接威胁产品的使用安全，动摇用户对再制造产品的信心，进而影响整个产业的推广和应用。

目前，超声检测对缺陷的定性评价(类型分析)主要是波形判断法或相位分析法，即根据超声检测A扫描曲线上缺陷回波形状或相位的细微差别，例如视频显示或射频显示正负振幅关系，回波宽度，波峰形态，回波前沿的陡峭程度及回波后沿的下降斜率，以及移动探头时缺陷回波的变化情况(波幅、形状、动态包络、数量等)，还可以根据底波高度损失情况，结合缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小，被检件的制造工艺和材料特点作出综合判断，评估出缺陷的类型。利用缺陷回波信号的频谱分析对缺陷进行定性分析,目前还停留在仅靠频谱形状这一单一因素来判断,虽然某些场合下,这种方法可以区分出缺陷的类型,但是也有一些场合并不适用(例如采用超声纵波探头探伤时，Fe314激光覆层中气孔缺陷与裂纹缺陷(延伸方向垂直于纵波传播方向)回波信号频谱形状相同)。必须指出，上述这些缺陷类型判定方法很大程度上依赖于检测人员的经验、技术水平以及对特定产品的特性、制造工艺的了解程度，其局限性显而易见，很难推广成为普遍适用的评定方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的超声检测缺陷类型分析方法局限性强,且严重依赖于检测人员的经验、技术水平以及对特定产品的特性、制造工艺的了解程度等问题。提供了一种依据超声检测结果对激光熔覆再制造零件缺陷类型进行判定的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于超声纵波的激光熔覆再制造零件缺陷类型检测及分析方法，应用于至少包括超声脉冲发射接收仪1、采样系统2、数字示波器3、信号分析系统4以及超声纵波探头5的检测装置中，该方法包括：

步骤1)、将超声纵波探头5放在激光熔覆再制造零件表面上，使超声波声束传播方向与激光熔覆层中晶粒的取向平行或垂直,设置采样系统2的增益参数，使数字示波器3上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％；

步骤2)、在零件表面上移动探头，移动速度不应超过150mm/s，对零件内部缺陷进行扫查；

步骤3)、观察数字示波器3上显示的回波信号，当出现缺陷回波信号时，利用采样系统2中的时间闸门采集缺陷回波信号，并将采集到的信号传输到信号分析系统4中；

步骤4)、更换探头，采用小角度纵波探头(纵波入射角度α_L小于第一临界角(c_l1为第一介质有机玻璃中纵波传播速度,c_l2为第二介质激光熔覆层中纵波传播速度))。为了保证检测效果，减少激光熔覆再制造零件中折射横波的成分，本发明中采用的纵波探头入射角度α_L的取值范围为5°～9°。采用步骤3)的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统4中；

步骤5)、再次更换探头，采用入射角度不同于步骤4的小角度纵波探头(入射角度α^L的取值范围为5°～9°)，采用步骤3)的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统4中；

步骤6)、利用信号分析系统4，分别对步骤3)、步骤4)、步骤5)采集的信号作快速傅立叶(fft)变换处理，fft变换的原理为：设x(n)(n＝0,1,…,N-1)为采集到的缺陷回波信号，则对应的快速傅立叶变换为：

$x\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}},$

其中，具有对称性和周期性，即：

$W_N^{k(N-n)}=W_N^{-\mathrm{kn}}$

通过快速傅立叶(fft)变换，得到三种检测方式(纵波入射角度不同)下缺陷回波信号的频谱分析图；

通过观察缺陷回波频谱形状以及是否与超声波检测方向相关联，关联的紧密程度来区分缺陷的类型。

上述技术方案中，Fe314激光熔覆再制造零件中常见缺陷类型分析方法如下：

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，孔洞(含气孔)类缺陷的频谱分析图形状基本不改变，也就是与检测方向不关联，其轮廓边缘较光滑；

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，夹杂物缺陷的频谱图形状有小幅度改变，也就是与检测方向非紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集。

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，裂纹类缺陷的频谱分析图形状发生明显改变，也就是与检测方向紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集程度远小于夹杂物缺陷频谱图。

本发明的优点在于：

1、本发明能够对激光熔覆再制造零件缺陷进行无损检测，对缺陷的类型判定方法法简单可靠。

2、本发明对检测人员的经验、技术水平要求较低，将其应用到激光熔覆再制造零件质量超声无损检测技术中，可以避免因缺陷类型判定错误造成的质量安全隐患以及资源浪费。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)为本发明所要用到的激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析系统结构示意图，；

图2为本发明的基于超声纵波的激光熔覆再制造零件缺陷类型分析方法的流程图；

图3(a)、(b)、(c)为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中的圆孔缺陷，纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°时采集到的缺陷信号图。

图4(a)、(b)、(c)分别为对应于图3中三种检测方式(纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°)下采集到的圆孔缺陷信号频谱分析图。

图5(a)、(b)、(c)为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中的裂纹缺陷，纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°时采集到的缺陷信号图。

图6(a)、(b)、(c)分别为对应于图5中三种检测方式(纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°)下采集到的裂纹缺陷信号频谱分析图。

图7(a)、(b)、(c)为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中的夹杂物缺陷，纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°时采集到的缺陷信号图。

图8(a)、(b)、(c)分别为对应于图7中三种检测方式(纵波探头入射角度分别为0°,6°,9°)下采集到的夹杂物缺陷信号频谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。

对于激光熔覆再制造零件而言，应力及其损伤是影响其质量的最根本原因，但零件质量失效的直接原因还是缺陷，因为零件中的危险性缺陷(例如扩展性裂纹)通常会引起应力集中及损伤扩展,因此实现激光熔覆再制造零件缺陷检测及类型判定就成为保证这类产品质量性能的关键。激光熔覆再制造零件中常见的缺陷主要有气孔、裂纹、夹杂物，数值模拟结果表明，不同类型缺陷的散射波场特征明显不同，例如波形的种类，能量分布、传播方向等均有区别，并且当超声波的传播方向改变时，不同类型缺陷的散射波场变化情况亦不同。因此，本发明充分利用这些有用信息，给出超声检测缺陷类型判定的方法。

为了便于理解，采用超声纵波对激光熔覆再制造零件缺陷检测并区分缺陷类型之前，首先对实施例中所采用的缺陷检测装置进行说明。

如图1所示，所述的缺陷检测装置包括超声脉冲发射接收仪1、采样系统2、数字示波器3、信号分析系统4以及超声纵波探头5；其中，所述的超声脉冲发射接收仪1所发射的超声脉冲波通过所述超声纵波探头5传递到激光熔覆层中，沿直线传播至缺陷位置,一部分声波被缺陷反射(缺陷回波)，由所述超声纵波探头5接收,另外一部分声波绕过缺陷,传播至材料底面，产生反射声波(底面回波),由所述超声纵波探头5接收，将探头5接收到的信号返回给所述的超声脉冲发射接收仪1；所述的采样系统2对超声脉冲发射接收仪1所接收到的超声脉冲进行采样，并将采样后的数据经由数字示波器3进行离散处理，最终由信号分析系统4根据本发明的方法判定激光熔覆再制造试样中缺陷的类型。

下面结合上述的缺陷检测装置，参考图2，对激光熔覆再制造零件中中缺陷检测及其类型分析过程进行说明。

在本发明的一个实施例中，采用多道搭接多层堆积方式分别在厚度为8mm的两块45钢表面上制备厚度为20mm的Fe314激光熔覆层(标记为试样1、试样2)；在试样1的熔覆层内部用电火花加工方法预制一个直径为2mm的横通孔缺陷，在试样2的熔覆层内部用线切割加工方法预制一个长度为12mm的裂纹缺陷。从含有大型夹杂物的06Cr19Ni10不锈钢连铸坯上切取试样，试样厚度为15mm，采用多道搭接多层堆积方式在其表面上制备厚度为15mm的Fe314激光熔覆层(标记为试样3)。在下文中，将对这三个试样中的圆孔、裂纹、夹杂物缺陷进行检测，根据采集到的信息进行缺陷类型判定。

步骤1、将超声纵波直探头5放在激光熔覆再制造试样1(内部包含横通孔缺陷)表面上，设置采样系统2的增益参数，使数字示波器3上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％；

步骤2、在试样表面上沿着图3中所示的扫查方向移动探头，移动速度不应超过150mm/s，对零件内部缺陷进行扫查；

步骤3、观察数字示波器3上显示的回波信号，当出现缺陷回波信号时，利用采样系统2中的时间闸门采集缺陷回波信号，并将采集到的信号传输到示波器3及信号分析系统4中；

步骤4、更换探头，采用小角度纵波探头(纵波入射角α_I＝6°)，采用步骤3)的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统4中；沿着图3中所示的扫查方向移动探头，采用步骤3的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到示波器3及信号分析系统4中；

步骤5、再次更换探头，采用小角度纵波探头(纵波入射角α_I＝9°，沿着图3中所示的扫查方向移动探头，采用步骤3的方法采集扫查到的缺陷回波信号(图所示)，并将其传输到示波器3及信号分析系统4中；

步骤6、利用信号分析系统4，分别对步骤3、步骤4、步骤5采集的信号作快速傅里叶(fft)变换处理，得到三种检测方式(纵波入射角度不同)下横通孔缺陷回波信号的频谱分析图；

步骤7、将超声纵波直探头5放在激光熔覆再制造试样2(内部包含裂纹缺陷)表面上，设置采样系统2的增益参数，使数字示波器3上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％；

步骤8、采用与步骤3、步骤4、步骤5、步骤6相同的方法，得到三种检测方式(纵波入射角度不同)下裂纹缺陷回波信号的频谱分析图；

步骤9、将超声纵波探头5放在激光熔覆再制造试样3(内部包夹杂物缺陷)表面上，使超声波声束传播方向垂直于熔覆层与基体接合面(Fe314激光熔覆层晶粒取向垂直于熔覆层与基体接合面)，设置采样系统2的增益参数，使数字示波器3上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％；

步骤10、采用与步骤3、步骤4、步骤5、步骤6相同的方法，得到三种检测方式(纵波入射角度不同)下夹杂物缺陷回波信号的频谱分析图；

本实施案例中，Fe314激光熔覆再制造试样中常见缺陷类型分析方法如下：

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，孔洞(含气孔)类缺陷的频谱分析图形状基本不改变，也就是与检测方向不关联，其轮廓边缘较光滑；

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，夹杂物缺陷的频谱图形状有小幅度改变，也就是与检测方向非紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集。

改变小角度纵波探头纵波入射角度时，裂纹类缺陷的频谱分析图形状发生明显改变，也就是与检测方向紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集程度远小于夹杂物缺陷频谱图。

当激光熔覆材料或基体材料发生变化时，不同类型缺陷的傅里叶频谱图形状会有微小区别，但是其宏观特征符合本发明所描述的：即气孔缺陷傅里叶频谱图形状与检测方向不关联，即其轮廓形状不会随着检测方向的改变而改变，其轮廓边缘较光滑；裂纹类缺陷的频谱图形状与测方向紧密关联，即其轮廓形状随着检测方向的改变发生明显变化，其轮廓边缘出现明显的锯齿形；夹杂物缺陷的频谱图形状与检测方向非紧密关联，即其轮廓形状随着检测方向的改变发生小幅变化，其轮廓边缘出现密集的锯齿形。

Claims (3)

1.一种激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法，其特征在于：应用于至少包括超声脉冲发射接收仪(1)、采样系统(2)、数字示波器(3)、信号分析系统(4)以及超声纵波探头(5)的检测装置中，该方法包括，

步骤1)、将超声纵波探头5放在激光熔覆再制造零件表面上，使超声波声束传播方向与激光熔覆层中晶粒的取向平行或垂直,设置采样系统(2)的增益参数，使数字示波器(3)上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％；

步骤2)、在零件表面上移动探头，移动速度不应超过150mm/s，对零件内部缺陷进行扫查；

步骤3)、观察数字示波器(3)上显示的回波信号，当出现缺陷回波信号时，利用采样系统(2)中的时间闸门采集缺陷回波信号，并将采集到的信号传输到信号分析系统(4)中；

步骤4)、更换探头，采用小角度纵波探头，纵波入射角度α_L小于第一临界角α_I，(c_l1为第一介质有机玻璃中纵波传播速度,c_l2为第二介质激光熔覆层中纵波传播速度)，为了保证检测效果，减少激光熔覆再制造零件中折射横波的成分，本发明中采用的纵波探头入射角度α_L的取值范围为5°～9°；采用步骤3)的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统(4)中；

步骤5)、再次更换探头，采用入射角度不同于步骤(4)的小角度纵波探头(入射角度α_L的取值范围为5°～9°)，采用步骤3)的方法采集扫查到的缺陷回波信号，并将其传输到信号分析系统4中；

步骤6)、利用信号分析系统4，分别对步骤3)、步骤4)、步骤5)采集的信号作快速傅立叶(fft)变换处理，fft变换的原理为：设x(n)(n＝0,1,…,N-1)为采集到的缺陷回波信号，则对应的快速傅立叶变换为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}},$

其中，具有对称性和周期性，即：

$W_N^{k(N-n)}=W_N^{-\mathrm{kn}}$

通过快速傅立叶(fft)变换，得到三种检测方式下缺陷回波信号的频谱分析图；

通过观察缺陷回波频谱形状以及是否与超声波检测方向相关联，关联的紧密程度来区分缺陷的类型。

2.根据权利要求1所述激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法，其特征在于：所述的步骤1)，检测Fe314激光熔覆再制造零件缺陷时，超声纵波探头发射的声束方向垂直于熔覆层与基体结合面方向。

3.根据权利要求1所述激光熔覆再制造零件缺陷类型超声检测分析方法，其特征在于：所述的步骤6)，Fe314激光熔覆再制造零件中常见缺陷类型分析方法如下，

(1)改变小角度纵波探头纵波入射角度时，孔洞类缺陷的频谱分析图形状基本不改变，也就是与检测方向不关联，其轮廓边缘较光滑；

(2)改变小角度纵波探头纵波入射角度时，夹杂物缺陷的频谱图形状有小幅度改变，也就是与检测方向非紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集；

(3)改变小角度纵波探头纵波入射角度时，裂纹类缺陷的频谱分析图形状发生明显改变，也就是与检测方向紧密关联，其轮廓边缘锯齿形状密集程度远小于夹杂物缺陷频谱图。