CN105424804A - 一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法。该方法包括：将超声纵波(或横波)探头放在待测零件表面上，设置采样系统的增益参数，采集超声脉冲发射接收仪发射的激励脉冲信号；在零件表面上移动探头，当示波器上显示的始波信号幅值稳定时，采集始波信号；当示波器上出现缺陷信号或底波信号幅值波动明显时，采集超声脉冲发射接收仪接收到的A扫信号及底波信号；将上述信号分别传输到信号分析系统中，作快速傅里叶变换处理；用变换得到的A扫信号及激励脉冲信号相乘的结果除以始波信号平方及底波信号相乘的结果，对相除运算结果进行傅里叶逆变换分析，根据分析结果可以判定被测零件中缺陷的大小及位置。

Description

一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种基于超声波检测再制造复合材质零件缺陷的方法。

背景技术

在我国，每年都有大量报废的工程机械、矿山机械、机床、能源设备上的零部件作为废钢铁进行材料级回收，造成环境污染及资源、能源的浪费。再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以实现废旧产品性能提升为目标的一种产业。对建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。

先进表面工程技术(激光熔覆、等离子喷涂等)在再制造中的应用，提高了旧件再制造效率，解决了许多再制造难题，最终确保再制造装备零部件的性能质量达到甚至超过原型新品，受到国际同行广泛认同与关注。

再制造零件质量能否达到甚至超过原型新品，质量检测非常关键。实践表明，再制造涂层及基体材料中的气孔、裂纹、夹渣等缺陷是影响再制造零件服役性能和服役寿命的关键因素之一，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，具有检测成本低、速度快，设备轻便，对人体无害，现场使用方便等特点，因此本发明基于超声波无损检测技术对再制造零件缺陷进行检测。

检测零件内部的缺陷，目前实际应用中主要采用的是体波(纵波和横波)。采用脉冲反射法检测时，由于探伤仪阻塞时间和始波脉冲宽度的影响，存在着检测盲区(盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离，表征系统的近距离分辨能力)。对于表层缺陷的检查，目前主要采用的是表面波(瑞利波)。由于表面波的能量集中于表面下下2λ之内(λ为表面波的波长)，检查表面缺陷灵敏度极高。但是，要想检测出埋藏深度大于2λ的缺陷，就需要采用纵波探头(或横波探头)，检测过程中需要更换探头，非常不方便。采用穿透法检测再制造零件缺陷时，虽然不存在检测盲区，但无法确定缺陷的埋藏深度，并且穿透法灵敏度低，不能发现小缺陷。

解决上述问题，国内外有关的研究人员大多采用改进检测仪器的方法。例如，针对特种涂层内部缺陷的检测设计的涂层专用超声显微检测系统，该套系统采用表面/亚表面成像原理，入射纵波以瑞利波入射角入射到样品表面激发出瑞利波，同时入射纵波在样品内部沿着与入射纵波对称的路径返回透镜。相关的资料表明，该系统能检测出涂层内部的裂纹、气孔、涂层与基体脱粘等缺陷。此外，利用可调节聚焦深度的超声显微成像技术，将聚焦声束投射到物质表面或穿透到内部，可实现对材料表层、亚表层和内部缺陷的检测。

相比于常规超声波缺陷检测技术(采用纵波探头(或横波探头)，通过脉冲反射法检测缺陷)，采用上述超检测设备虽然可实现对零件内部及表层缺陷的无损检测，但由于其价格昂贵以及携带不方便等因素，很难在实际应用中得到推广普及。

发明内容

本发明提供了一种再制造复合材质零件缺陷检测方法，采用价格便宜、携带方便的纵波探头(或横波探头)，通过脉冲反射法即可检测出零件中任何位置的缺陷，避免了检测过程中更换不同类型探头的繁琐工艺；相比于国内外同行采用研制新仪器解决脉冲反射法存在检测盲区的问题，本发明在经济性方面更有优势。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于超声纵波的再制造复合材质零件缺陷检测方法，应用于至少包有机玻璃楔块1、超声纵波直探头2、超声脉冲发射接收仪3、A/D采样系统4、数字示波器5、计算机6、信号处理分析系统7的检测装置中，该方法包括：

步骤1)、将有机玻璃楔块1及超声纵波直探头2放在再制造复合材质零件表面上(涂有耦合液)，设置A/D采样系统4的检测参数增益，使数字示波器4上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％。利用A/D采样系统4采集超声脉冲发射接收仪3发射的激励脉冲信号s₁(t)，并将其传输到信号分析系统7中：

步骤2)、以不超过150mm/s的速度在零件表面上移动探头，观察数字示波器5上显示的A扫信号，当有机玻璃楔块1底面反射的始波信号及零件底面反射的底波信号比较稳定时，利用A/D采样系统4采集始波信号s₂(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤3)、扫查过程中，当观察到数字示波器5上显示的始波信号及底波信号之间出现缺陷回波信号，或者底波信号幅值出现变动时，利用A/D采样系统4采集包含缺陷信息的A扫信号s₃(t)及底波信号s₄(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤4)、利用信号分析系统7，对步骤1)、步骤2)采集的时域信号s₁(t)、s₂(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s₁(f)、s₂(f)，令H(f)＝s₂(f)/s₁(f)，fft变换的原理为：设s(n)(n＝0，1，...，N-1)为采集到的时域信号，则对应的快速傅里叶变换为：

$s\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s{\left(n\right)}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nf}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(n\right)W_N^{nf}$

其中，具有对称性和周期性，即：

$W_N^{f(N-n)}=W_N^{-fn}$

步骤5)、利用信号分析系统7，对对步骤3)采集的时域信号s₃(t)、s₄(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s₃(f)、s₄(f)；

步骤6)、利用信号分析系统7，对信号z(f)＝s₃(f)/(H(f)s₂(f)s₄(f))作傅里叶逆变换，得到缺陷的A扫曲线图，根据缺陷回波在时基轴上的位置及幅值的大小可以判定被测零件中缺陷的埋藏深度及当量大小。傅里叶逆变换的原理为：设s(f)(f＝0，1，...，N-1)为频域信号，则对应的时域信号为：

$s\left(n\right)=\underset{f=0}{\overset{N-1}{\Σ}}s\left(f\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nf}$

本发明的优点在于：

本发明能够对再制造复合材质零件缺陷进行无损检测，采用价格便宜、携带方便的纵波探头(或横波探头)，通过脉冲反射法即可检测出零件中任何位置的缺陷，避免了检测过程中更换不同类型探头的繁琐工艺；

相比于国内外同行采用研制新仪器解决脉冲反射法存在检测盲区的问题，本发明在经济性方面更有优势。

附图说明

图1为本发明所要用到的再制造复合材质零件缺陷超声检测系统结构示意图；

图2为本发明的再制造复合材质零件缺陷超声检测方法的流程图；

图3为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中人工孔缺陷，A/D采样系统4采集到的激励脉冲信号；

图4为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中人工孔缺陷，A/D采样系统4采集到的始波信号；

图5为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中人工孔缺陷，A/D采样系统4采集到的包含缺陷信息的A扫信号；

图6为在一个实施例中检测Fe314激光熔覆再制造试样中人工孔缺陷，利用信号分析系统7提取出的只包含缺陷信息的时域信号。

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。

对于再制造复合材质零件而言，其质量能否达到甚至超过原型新品，质量检测非常关键。实践表明，再制造涂层及基体材料中的气孔、裂纹、夹渣等缺陷是影响再制造零件服役性能和服役寿命的关键因素，因此提高再制造零件缺陷检测的效率及可靠性就成为保证这类产品质量性能的关键。超声波无损检测技术，具有检测成本低、速度快，设备轻便，对人体无害，现场使用方便等特点，因此本发明采用超声波无损检测技术对再制造零件缺陷进行检测。

为了便于理解，采用超声纵波对激光熔覆再制造试样中预制人工孔缺陷进行检测，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有机玻璃楔块1、超声纵波直探头2、超声脉冲发射接收仪3、A/D采样系统4、数字示波器5、计算机6、信号处理分析系统7；其中，超声脉冲发射接收仪3所发射的激励脉冲信号通过所述超声纵直波探头2将脉冲信号转换为超声波，超声波透过机玻璃楔块1入射到再制造试样表面，试样表面反射的声波由所述超声纵波直探头2接收，形成始波；透射到再制造试样中的声波继续沿直线传播至缺陷位置，被缺陷反射的声波由所述超声纵波直探头2接收，形成缺陷回波；绕过缺陷的声波继续沿直线传播至试样底面，被底面反射的声波由所述超声纵波直探头2接收，形成底面回波；探头2将接收到的超声波信号转换为电信号并由所述的超声脉冲发射接收仪3接收；所述的A/D采样系统4对超声脉冲发射接收仪3所接收到的电信号进行采样，并将采样后的数据经由数字示波器5进行离散处理，最终由信号分析系统7根据本发明的方法判定再制造试样中缺陷的位置及大小。

下面结合上述的缺陷检测装置，参考图2，对激光熔覆再制造试样中缺陷检测过程进行说明。

在本发明的一个实施例中，采用多层堆积方式在45钢(长、宽、高分别32mm、15mm、20mm)表层制备厚度为15mm的Fe314激光熔覆层(标记为试样1)，在试样1内部用电火花打孔方式预制四个人工孔缺陷(沿着声束传播方向，四个人工孔的直径依次为2.2mm、2.5mm、1.8mm、3mm，分别位于距离上表面2.5mm、10mm、15mm、20mm处)。在下文中，将对试样1中的人工孔缺陷进行检测，根据信号分析系统7的分析结果对缺陷的位置及大小进行判定。

步骤1、将有机玻璃楔块1及超声纵波直探头2放在试样1上表面(涂有耦合液)，设置A/D采样系统4的检测参数增益，使数字示波器4上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％。利用A/D采样系统4采集超声脉冲发射接收仪3发射的激励脉冲信号s₁(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤2、以不超过150mm/s的速度在零件表面上移动探头，观察数字示波器5上显示的A扫信号，当有机玻璃楔块1底面反射的始波信号及零件底面反射的底波信号比较稳定时，利用A/D采样系统4采集始波信号s₂(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤3、扫查过程中，当观察到数字示波器5上显示的始波信号及底波信号之间出现缺陷回波信号，或者底波信号幅值出现变动时，利用A/D采样系统4采集A扫信号s₃(t)及底波信号s₄(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤4、利用信号分析系统7，对步骤1)、步骤2)采集的时域信号s₁(t)、s₂(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s₁(f)、s₂(f)，令H(f)＝s₂(f)/s₁(f)；

步骤5、利用信号分析系统7，对对步骤3)采集的时域信号s₃(t)、s₄(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s3(f)、s4(f)；

步骤6、利用信号分析系统7，对信号z(f)＝s₃(f)/(H(f)s₂(f)s₄(f))作傅里叶逆变换，得到缺陷的A扫曲线图，根据缺陷回波在时基轴上的位置及幅值的大小可以判定被测零件中缺陷的埋藏深度及当量大小。

从图6的缺陷A扫曲线图可以看出，检测结果与实际情况十分吻合。时基轴上2.5mm，10mm，15mm，20mm处存在四个缺陷回波，准确判定出了缺陷的埋藏深度(最大误差仅为4.2％)。此外，缺陷回波幅值的高低与预制人工孔的大小也吻合(15mm处人工孔最小，然后是2.5mm处人工孔，10mm处人工孔，20mm处人工孔最大)。结合图5可以看出，如果不采用本发明提供的方法提取缺陷信息，位于2.5mm处的人工孔缺陷将会被漏检。

本实施案例中，利用信号分析系统7，对信号z(f)＝s₃(f)/(H(f)s₂(f)s₄(f))作傅里叶逆变换，可以有效降提取出缺陷信息。原因在于：通常情况下，由于探伤仪阻塞时间及始波脉冲宽度的影响，脉冲反射法存在检测盲区(盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离)。上述信号频谱相关处理消除了始波脉冲、超声波检测仪器等因素对检测结果的影响，避免了检测盲区的出现，采用纵波直探头(或横波探头)脉冲反射法可以检测出零件中任何位置的缺陷。

Claims (3)

1.一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法，该方法采用的检测装置包括有机玻璃楔块1、超声纵波探头2、超声脉冲发射接收仪3、A/D采样系统4、数字示波器5、计算机6、信号处理分析系统7，该方法操作步骤包括：

步骤1)、将有机玻璃楔块1及超声纵波直探头2放在再制造复合材质零件表面上(涂有耦合液)，设置A/D采样系统4的检测参数增益，使数字示波器4上显示的第一次接收的底波信号幅值为满屏的80％。利用A/D采样系统4采集超声脉冲发射接收仪3发射的激励脉冲信号s₁(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤2)、以不超过150mm/s的速度在零件表面上移动探头，观察数字示波器5上显示的信号波形，当有机玻璃楔块1底面反射的始波信号及零件底面反射的底波信号比较稳定时，利用A/D采样系统4采集始波信号s₂(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤3)、扫查过程中，当观察到数字示波器5上显示的始波信号及底波信号之间出现缺陷回波信号，或者底波信号幅值出现变动时，利用A/D采样系统4采集包含缺陷回波的A扫信号s₃(t)及底波信号s₄(t)，并将其传输到信号分析系统7中；

步骤4)、利用信号分析系统7，对步骤1)、步骤2)采集的时域信号s1(t)、s2(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s1(f)、s2(f)，令H(f)＝s2(f)/s1(f)；

步骤5)、利用信号分析系统7，对对步骤3)采集的时域信号s3(t)、s4(t)作快速傅里叶变换，得到频域信号s3(f)、s4(f)；

步骤6)、利用信号分析系统7，对信号z(f)＝s3(f)/(H(f)s2(f)s4(f))作傅里叶反变换，得到缺陷的诊断分析图，据此可以判定被测零件中缺陷的大小及位置。

2.按照权利要求1所述再制造复合材质零件缺陷超声检测方法，其特征在于，所述的步骤4)，采用纵波直探头(或横波探头)脉冲反射法检测再制造复合材质零件缺陷时，利用信号分析系统7，得到H(f)＝s2(f)/s1(f)，H(f)为检测系统中脉冲发生器、接收器及换能器等因素对缺陷诊断结果的影响因素。

3.按照权利要求1所述再制造复合材质零件缺陷超声检测方法，其特征在于，所述的步骤6)，采用纵波直探头(或横波探头)脉冲反射法检测再制造复合材质零件缺陷时，利用信号分析系统7，对信号z(f)＝s3(f)/(H(f)s2(f)s4(f))作傅里叶逆变换，可以有效降提取出缺陷信息。原因在于：通常情况下，由于探伤仪阻塞时间及始波脉冲宽度的影响，脉冲反射法存在检测盲区(盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离)。上述信号频谱相关处理消除了始波脉冲、超声波检测仪器等因素对检测结果的影响，避免了检测盲区的出现，采用纵波直探头(或横波探头)脉冲反射法可以检测出零件中任何位置的缺陷。