CN110133102B - 一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝合金无损检测系统，尤其涉及一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统及其使用方法。一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统，包括：超声波水槽(1)、活动支撑架(2)、水浸式相控阵超声波探头(4)、气泡刷(5)、Z方向运动轴(6)、Y方向轨道(7)、扫描桥架及电气系统(8)、探头线缆(9)、相控阵超声波仪(10)、X轴轨道(11)、工控机(13)、试块支架(15)。本发明实现针对不同类型的铝合金缺陷制定有区别性且高可重复性高可再现性的水浸式相控阵解决方案。

Description

一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金无损检测系统，尤其涉及一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统及其使用方法。
背景技术
超声波检测技术在航空航天用铝合金材料的质量控制过程中起到非常重要的作用。传统的超声波检测技术的检测时机一般安排在塑性变形和热处理之后的接近成品的阶段进行。在这个阶段进行的超声波检测主要作用是判定铝合金成品是否可以达到客户订单的质量要求。符合质量等级要求的工件可以交货。不符合质量等级要求的工件只能判废。经历完整个加工工序后才被检测出质量不符合要求，造成大量的浪费并耽误交货时间。
目前应用最成熟的铝合金铸锭铸造方法是半连续式铸造方法。使用这种铸造方法生产的铸锭由于铸造开始阶段和结束阶段存在不可避免的不稳定，导致铸锭的顶部和底部质量比较差。通过切除铸锭顶部和底部的方法可以将这些质量较差的区域切除，从而保证作为成品板材原料的铸锭部分质量均匀一致。
工业生产中，需要采用厚度达400mm～650mm的铝合金扁铸锭在再结晶温度以上进行轧制加工才能获得心部组织充分变形的优质铝合金超厚板产品。这种超声波传播声程大，而且传播过程衰减大的铸造组织的高精度超声波检测是一项行业性难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术不足，本发明的目的之一在于提供一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统，该检测系统能检测厚度达400mm～650mm的铝合金扁铸锭缺陷问题，同时解决了现有技术中超声波检测铝合金扁铸锭的精准度及检测效率不佳的技术问题。该检测系统能定性和定量分析铝合金扁铸锭的质量，具有快速、操作方便﹑检测精度高的特点，本发明的目的之二在于提供一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统的使用方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统，包括：超声波水槽(1)、活动支撑架(2)、水浸式相控阵超声波探头(4)、气泡刷(5)、Z方向运动轴(6)、Y方向轨道(7)、扫描桥架及电气系统(8)、探头线缆(9)、相控阵超声波仪(10)、X轴轨道(11)、工控机(13)、试块支架(15)，其中，
所述超声波水槽(1)底部设有用于承载待检测铝合金扁铸锭(3)的活动支撑架(2)，所述超声波水槽的一个侧壁和活动支撑架(2)之间设有试块支架(15)，用于承载超声波试块组(14)，所述超声波水槽(1)内中注有去离子水(12)作为超声波耦合剂；
所述Z方向运动轴(6)的上端滑动连接在Y方向轨道(7)上，所述Z方向运动轴(6)的下端连接有气泡刷(5)，所述水浸式相控阵超声波探头(4)与Z方向运动轴(6)可旋转连接，且安装在气泡刷(5)与Z方向运动轴(6)连接处的下方，所述Y方向轨道(7)固定于扫描桥架及电气系统(8)上；
所述探头线缆(9)一端与水浸式相控阵超声波探头(4)连接，另一端与相控阵超声波仪(10)连接；
所述X轴轨道(11)包括两组，设于超声波水槽(1)两侧平行对称布置，所述扫描桥架及电气系统(8)滑动连接在X轴轨道上进行往返运动；
所述扫描桥架及电气系统(8)与工控机(13)通讯连接，通过工控机(13)的人机界面实现人机互动。
优选的是，所述水浸式相控阵超声波探头为一维线性相控阵超声波探头，所述水浸式相控阵超声波探头的相控阵晶元数64个～512个，相控阵晶元参数为高度10mm～25mm，宽度0.8mm～2mm，晶元间距0.1mm～0.2mm，当预期需要控制的缺陷类型为长宽比＜5的聚集态块状的粗大金属化合物、金属氧化物和铸造裂纹中的一种时，相控阵超声波探头频率1MHz～3.5MHz，当需要控制的缺陷类型为长宽比＞5的弥撒分布的片状金属化合物或疏松时，相控阵超声波探头频率10MHz～25MHz；
所述相控阵超声波仪(10)性能参数为：脉冲上升时间＜8ns；发射电压100V±8％；通道增益变化＜3dB；等效输入噪音＜100nV/Hz1/2；接收延迟线性误差＜1％。
优选的是，所述超声波试块组(14)和试块支架(15)具有以下特征：超声波试块组(14)的试块为具有跟被检材料具有相近铸造组织特征的铝合金圆柱形平底孔试块，超声波试块组(14)的试块制备原料需从半连续铸造制备的大规格铝合金铸锭上截取，试块制备原料截取位置至少距离铸锭起铸位置500mm，距离铸锭结束位置至少300mm，与矩形扁铸锭小面的距离为100mm～300mm，超声波试块组(14)的试块至少包含以下5个金属声程的试块：25.4mm、127mm、254mm、508mm、635mm，平底孔试块的钻孔深度为20mm～30mm，平底孔的直径为1.2mm±0.02mm；
所述试块支架(15)有阶梯式平台，试块支架(15)将不同声程的超声波试块组(14)的上表面控制在同一水平高度上。
优选的是，所述气泡刷(5)在Z方向上能够调节高度，所述气泡刷(5)数量为两个，所述气泡刷(5)对称分布在Z方向运动轴(6)两侧；
所述活动支撑架(2)的承重设计为25t～35t，材质为304不锈钢，活动支撑架(2)的宽度为1000mm～2000mm，长度为5000mm～11000mm，所述活动支撑架(2)包括支脚、横向支撑梁，所述支脚数量为6～10个，高度为50mm～200mm，横向支撑梁数量为6～12根。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：
步骤1上料：将待测铝合金扁铸锭放置于活动支撑架(2)上，控制超声波水槽(1)中的去离子水水平面高于待检测铝合金扁铸锭(3)的上表面200mm～500mm；
步骤2工艺设置：根据目标缺陷类型选择水浸式相控阵超声波探头(4)、进行水距调整、相控阵激发法则设置、设置滤波器参数、调整气泡刷(5)至恰当位置，根据待检测的铝合金扁铸锭(3)厚度设置信号监控闸门；
步骤3制作距离-波幅DAC曲线：将水浸式相控阵超声波探头(4)移动至超声波试块组(14)上方，调整水距并将入射角调整至90°，将各个金属声程的超声波试块平底孔的信号波幅调整至满屏的
Figure BDA0002074457330000031
并使用这些信号绘制距离-波幅DAC曲线；
步骤4动态灵敏度校准：对超声波试块组(14)进行动态扫描，通过分析超声波C扫描图判断校准结果，如校准结果不合格，调整距离波幅DAC曲线或微调晶元增益补偿直至动态校准合格；
步骤5设置扁锭扫描范围：设置扁锭扫描范围。设置超声波扫描范围100％覆盖被检测的扁锭；
步骤6启动扫描；
步骤7根据超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析数据库对被检测铝合金扁铸锭的超声波C扫描图进行评估；
步骤8下料及后处理。
优选的是，步骤2所述的水距调整过程中，将水浸式相控阵超声波探头(4)至待检测铝合金扁铸锭(3)上表面的距离设置为120mm～160mm，在制作距离-波幅DAC曲线、动态灵敏度校准、启动扫描、评估这4个过程中的水距保持一致，水距的公差为±2mm；
步骤2所述的设置滤波器参数过程中，当预期需要控制的缺陷类型为长宽比＜5的聚集态块状的粗大金属化合物、金属氧化物和铸造裂纹中的一种时，滤波器的低通滤波器设置为0.5MHz～1MHz，高通滤波器设置为3.5MHz～5MHz。当需要控制的缺陷类型为长宽比＞5的弥撒分布的片状金属化合物或疏松时，滤波器的低通滤波器设置为5MHz～10MHz，高通滤波器设置为20MHz～30MHz。
优选的是，步骤2所述的设置信号监控闸门过程中，将铝合金扁铸锭的总厚度分成平均的2n+1个区域，所述n为自然数，每个区域分别使用一个信号闸门进行信号采集，信号采集方式设置为全波A扫描采集，最终每个闸门可以显示该扁铸锭厚度层区域内的超声波C扫描图，并且可以获取每个C扫描坐标点的超声波A扫描数据，每个闸门的起始和结束位置被设置为首尾相连，闸门的高度设置为满屏的0％～40％，采集靠近上表面区域信号的闸门的上表面盲区设置为5mm～20mm，采集靠近下表面区域信号的闸门的下表面盲区设置为10mm～30mm。
优选的是，步骤2所述的相控阵激发法则包括轮流激发自然聚焦的相控阵延迟法则和动态聚焦的相控阵延迟法则，设置动态聚焦法则使虚拟探头的人工聚焦点落在被检铝合金扁铸锭的上表面±10mm上，进行近场检测，使用自然聚焦的虚拟探头进行远场检测，每个虚拟探头由14个～20个晶元组成，电子扫描步进的晶元数小于虚拟探头晶元数的20％，且每个虚拟探头的最高能量点-6dB宽度范围与下一个时间序列激发的虚拟探头的最高能量点-6dB宽度范围重叠超过20％，选用的相控阵探头的频率为1MHz～3.5MHz时，虚拟探头由17个～20个晶片组成，选用的相控阵探头的频率为10MHz～25MHz时，虚拟探头由14个～17个晶片组成，扫描方向的速度应设置为小于150mm/s，步进方向的速度应设置为小于300mm/s。
优选的是，步骤4所述动态灵敏度校准所使用的闸门包括底波采集闸门和平底孔信号采集闸门，所述底波采集闸门的起始点设置在金属声程最小的试块的底表面回波的渡越时间点上，并将结束点设置在金属声程最大的试块的底表面回波的渡越时间点上，底波采集闸门的性质设置为采集最高波幅的信号，所述平底孔信号采集闸门为跟踪底波采集闸门，平底孔信号采集闸门的起始位置距离试块底表面回波31mm，结束位置距离试块底表面回波19mm。
优选的是，步骤7所述对超声波C扫描图进行评估具体方法是在根据被检铝合金的超声波C扫描特征与数据库中现有的超声波C扫描图进行比较，确定缺陷类型，然后与数据库中的同类型缺陷的铝合金超声波C扫描图比较，确定缺陷等级，对被检件进行解剖和扫描电子显微镜分析，收集相应数据，完善数据库。
本发明实现针对不同类型的铝合金缺陷制定有区别性且高可重复性高可再现性的水浸式相控阵解决方案。分别制定了较低频率检测工艺方案(1MHz～3.5MHz)和较高频率检测方案(10MHz～25MHz)。针对铝合金牌号的特定类型缺陷，选择特定的检测硬件(水浸式相控阵超声波探头频率)和工艺方法(高通滤波器、低通滤波器、相控阵法则)。具体表现为：聚集态块状的粗大金属化合物、金属氧化物、铸造裂纹选用较低频率检测工艺方案(1MHz～3.5MHz)；弥撒分布的片状金属化合物、疏松缺陷选用较高频率检测方案(10MHz～25MHz)。高频率虚拟探头的近场区较长，声束指向性较好，超声波在传播过程中衰减系数较大，与小尺寸的缺陷的作用程度更大且更灵敏。而低频率虚拟探头的声束特性则正好相反。不同类型的缺陷的尺寸和形状与不同声束特性的超声波的发生作用的类型不同且程度不同。缺陷类型与虚拟探头频率的最优选择策略密切相关。因此本发明所述技术有针对性地选择检测硬件和工艺方法是获得检测的高可重复性和可再现性的重要保障。
本发明所述超声波试块制备方法详细地叙述了原料在大规格扁铸锭上截取的位置，该取样位置具备以下优点：试块原料具有与被检测铸锭类似的铸造组织，且组织均匀、致密。试块原料取样位置避开了铸造起铸阶段填充引锭头的不稳定区域和结束铸造前液穴深度改变的不稳定区域，且避开了铸锭中心线上凝固液穴最深处不可避免存在的成分偏析、疏松、一次晶粗大化合物。超声波试块金属声程的设计有效地覆盖了厚度25.4mm～650mm的目前大规格铝合金扁铸锭的范围。
本发明所述气泡刷可以系统运作过程中有效地解决大规格铸锭在浸入水槽5分钟～60分钟过程中由于扁铸锭与作为耦合剂的去离子水之间存在温差导致表面附着气泡的问题。发明所述活动支撑架相对于目前行业内常用的板材升降平台而言，对于铝合金大规格扁铸锭的承载来说更为有利。因为如果升降平台设计为能够承载铝合金大规格扁铸锭的重量则造成制造费用极高。使用本发明所述活动支撑架可以大幅降低成本，而且可以配合本来装备有传统的板材升降平台的超声波检测系统使用，方便灵活。
本发明所述水距设置方法可以有效避免第二次上表面回波信号对检测造成干扰。且规定了距离波幅DAC曲线、动态灵敏度校准、启动扫描、评估这4个过程中水距保持一致性，有助于提高系统的检测精度。本发明所述滤波器的低通滤波器和高通滤波器设置方法有效地兼顾了较低频率检测工艺方案(1MHz～3.5MHz)和较高频率检测方案(10MHz～25MHz)，可以是超声波A扫描信号更有效地采集材料信号信息，避免系统噪音和电路噪音的干扰。
本发明所述“将铸锭的总厚度分成平均的2n+1个区域的缺陷信号监控闸门设置方法”与传统的超声波缺陷信号监控闸门设置方法相比：第一，能有效地将整个铝合金扁铸锭的厚度范围分成2n+1张超声波C扫描图进行显示，使工程技术人员更方便地了解扁铸锭各个厚度层的质量信息。第二，避免了在较远声程的区域由于超声波衰减导致灵敏度下降，需要使用距离波幅曲线DAC补偿所造成的噪音信号掩盖了材料的内部质量信号，获得更准确更客观地反馈铸锭厚度二分之一附近区域的质量(此区域是铸造凝固过程中液穴的最深处，也是缺陷大概率集中出现的地方)，确保检测灵敏度达到1.2mm平底孔当量。
本发明所述“相控阵激发法则设置”利用超声波中心频率与超声波声束特性的规律，制定了2种相控阵超声波晶元的激发方法，分别应用于2种检测对象。该相控阵激发法则在保证检测灵敏度的条件下，增强了检测的横向分辨率和纵向分辨率，是保障铝合金扁铸锭高灵敏度超声波C扫描检测的重要手段。
本发明所述“动态灵敏度校准”与行业常用的标准方法——静态校准相比，与实际的机械自动化超声波扫描更为接近。使用该校准方法有效地检验了动态校准条件下，扫描速度对超声波C扫描数据采集精度的影响，有利于工程技术人员获得检测工艺设计的边界条件，兼顾了检测效率和数据采集质量。
本发明所述“超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析”数据库和评估方法不但可以对缺陷进行定性和定量，还可以进一步以PDCA的方式进行循环改进提升。
附图说明
图1是铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统结构示意图；
图2是1#闸门采集到的距离7075牌号铝合金扁铸锭上表面10mm～100mm区域的质量数据；
图3是2#闸门采集到的距离7075牌号铝合金扁铸锭上表面100mm～200mm区域的质量数据；
图4是3#闸门采集到的距离7075牌号铝合金扁铸锭上表面200mm～300mm区域的质量数据；
图5是4#闸门采集到的距离7075牌号铝合金扁铸锭上表面300mm～400mm区域的质量数据；
图6是5#闸门采集到的距离7075牌号铝合金扁铸锭上表面400mm～490mm区域的质量数据；
图7是7075牌号铝合金扁铸锭月牙状缺陷处的超声波A扫描图；
图8在7075合金中存在的聚集形态Alx(Cr,Mn)y粗大金属化合物的SEM&EDS分析，其中(a)放大倍数200倍，(b)放大倍数500倍；
图9是1#闸门采集到的距离5083牌号铝合金扁铸锭上表面15mm～120mm区域的质量数据；
图10是2#闸门采集到的距离5083牌号铝合金扁铸锭上表面120mm～240mm区域的质量数据；
图11是3#闸门采集到的距离5083牌号铝合金扁铸锭上表面240mm～360mm区域的质量数据；
图12是4#闸门采集到的距离5083牌号铝合金扁铸锭上表面360mm～480mm区域的质量数据；
图13是5#闸门采集到的距离5083牌号铝合金扁铸锭上表面480mm～585mm区域的质量数据；
图14是5083牌号铝合金扁铸锭月牙状缺陷处的超声波A扫描图；
图15在5083合金中存在的弥散形态分布Alx(Mn,Fe)y金属化合物的SEM&EDS分析。
图1标记说明：1、超声波水槽 2、活动支撑架 3、待检测铝合金扁铸锭 4、水浸式相控阵超声波探头 5、气泡刷 6、Z方向运动轴 7、Y方向轨道 8、扫描桥架及电气系统 9、探头线缆 10、相控阵超声波仪 11、X轴轨道 12、去离子水 13、工控机 14、超声波试块组 15、试块支架
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。此外，在阅读本发明的内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种修改，这些等价变化同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，一种铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统，包括：超声波水槽(1)、活动支撑架(2)、水浸式相控阵超声波探头(4)、气泡刷(5)、Z方向运动轴(6)、Y方向轨道(7)、扫描桥架及电气系统(8)、探头线缆(9)、相控阵超声波仪(10)、X轴轨道(11)、工控机(13)、试块支架(15)，其中，所述超声波水槽(1)底部设有用于承载待检测铝合金扁铸锭(3)的活动支撑架(2)，所述超声波水槽的一个侧壁和活动支撑架(2)之间设有试块支架(15)，用于承载超声波试块组(14)，所述超声波水槽(1)内中注有去离子水(12)作为超声波耦合剂；所述Z方向运动轴(6)的上端滑动连接在Y方向轨道(7)上，所述Z方向运动轴(6)的下端连接有气泡刷(5)，所述气泡刷(5)在Z方向上能够调节高度，所述Z方向运动轴(6)的上端滑动连接在Y方向轨道(7)上，所述Z方向运动轴(6)的下端连接有气泡刷(5)，所述水浸式相控阵超声波探头(4)通过可旋转的机械臂与Z方向运动轴(6)连接，且安装在气泡刷(5)与Z方向运动轴连接处的下方，所述Y方向轨道(7)固定于扫描桥架及电气系统(8)上；所述探头线缆(9)一端与水浸式相控阵超声波探头(4)连接，另一端与相控阵超声波仪(10)连接；所述X轴轨道(11)包括两组，设于超声波水槽(1)两侧平行对称布置，所述扫描桥架及电气系统(8)滑动连接在X轴轨道上进行往返运动；所述扫描桥架及电气系统(8)与工控机(13)通讯连接，通过工控机(13)的人机界面实现人机互动。
实施例2
需要使用所述相控阵超声波系统硬件和技术方法对规格为500mmX1650mmX5000mm的7075牌号铝合金扁铸锭进行无损评估。根据合金相图计算和实践经验推测该合金成分如铸造过程参数控制不当，有较大倾向生成Alx(Cr,Mn)y聚集型粗大金属化合物缺陷。针对Alx(Cr,Mn)y聚集型粗大金属化合物缺陷的无损质量控制，利用实施例1所述的铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行检测，
具体的，所述检测系统中水浸式相控阵超声波探头(4)使用一维线性相控阵超声波探头以兼顾投资成本和使用效率。一维线性相控阵超声波探头的相控阵晶元数为128个。相控阵晶元参数为高度15mm,宽度1.0mm，晶元间距0.1mm。一维线性相控阵超声波探头的中心频率为2.5MHz。
相控阵超声波仪(10)性能经第三方机构校准，其性能参数为：脉冲上升时间为5ns；发射电压100V±4％；通道增益变化为1.5dB；等效输入噪音60nV/Hz1/2；接收延迟线性误差0.6％。
超声波试块组(14)的试块使用具有铸造组织特征的7075铝合金圆柱形平底孔试块。从半连续铸造制备的规格为635mmX1200mmX6000mm的大规格7075铝合金铸锭上截取一部分作为超声波试块组(14)的试块原料。从距离铸锭起铸位置500mm处进行取样，截取500mm(厚度方向)X800mm(宽度方向)X200mm(长度方向)的铝合金铸块作为超声波试块组(14)的原料。然后使用该原料制作成22个试块，平底孔金属声程分别为：12.7mm；15.9mm；19.1mm；22.2mm；25.4mm；31.8mm；38.1mm；44.5mm；50.8mm；57.2mm；63.5mm；69.9mm；76.2mm；82.6mm；88.9mm；95.3mm；101.6mm；127mm，146.1mm；254mm；508mm；635mm。平底孔试块的钻孔深度为20mm～30mm。平底孔的直径为1.2mm±0.02mm。
超声波试块组(14)放置在试块支架(15)上。各个阶梯式平台的水平高度是根据放置在平台上的试块总高度设计的。试块支架(15)将不同声程的超声波试块组(14)的上表面控制在同一水平高度上。因此，所有试块放置在试块支架(15)上时，所有试块的顶部正好处于一个水平面上，以便实现后续的动态校准操作。
所述气泡刷(5)在Z方向上能够调节高度，所述气泡刷(5)数量为两个，所述气泡刷(5)对称分布在Z方向运动轴两侧，从而使探头在Y轴上做往返运动时都能有一把气泡刷(5)起到清除表面气泡的作用。
活动支撑架(2)的承重设计为25t，材质为304不锈钢，机械结构应设计为易于使用电动夹钳平稳吊运。活动支撑架(2)包括支脚和横向支撑梁，支脚数量为8个，高度为100mm。支撑架(2)的宽度为1500mm，长度为6000mm，横向支撑梁数量为8根。
系统使用方法如下：
步骤1：上料。使用电动夹钳将支撑架(2)放置在超声波水槽(1)中，保持活动支撑架(2)基本处于水平位置。然后将待测铝合金扁铸锭(3)用电动夹钳吊运至支撑架(2)上。此时水槽中的去离子水水平面应高于待测铝合金扁铸锭(3)的上表面200mm。
步骤2：工艺设置。
水距调整至140mm，在设置距离波幅DAC曲线、动态灵敏度校准、启动扫描、评估这4个过程中需保持水距的一致性。水距的公差应控制在140mm±2mm之内。设置滤波器参数，滤波器的低通滤波器设置为0.5MHz，高通滤波器设置为5MHz。调整气泡刷(5)至恰当位置，以便在探头运动时能清除附着在铸锭表面的气泡。
完成相控阵激发法则设置。相控阵超声波仪激发相控阵法则时，轮流激发自然聚焦的相控阵延迟法则和动态聚焦的相控阵延迟法则，从而用同一个线性相控阵超声波探头，对近场和远场同时实现高精度检测。设置动态聚焦法则使虚拟探头的人工聚焦点落在被检铝合金扁铸锭的上表面±10mm上，实现近场的高精度检测。大孔径的自然聚焦的虚拟探头实现远场的高精度检测。每个虚拟探头由16个晶元组成。电子扫描步进的晶元数设置为2。扫描方向的速度应设置为120mm/s，步进方向的速度应设置为150mm/s。
根据被检测的铝合金扁铸锭(3)厚度设置信号监控闸门。由于铸锭的总厚度为500mm，本实施例将铸锭将铸锭的总厚度500mm分成平均的5个区域。每个区域分别使用一个信号闸门进行信号采集。信号采集方式设置为全波A扫描采集。最终每个闸门可以显示该扁铸锭厚度层区域内的超声波C扫描图，并且可以获取每个C扫描坐标点的超声波A扫描数据。1#闸门在以第一上表面回波信号为基准的TOF上的设置为10mm～100mm；2#闸门的设置为100mm～200mm；3#闸门的设置为200mm～300mm；4#闸门的设置为300mm～400mm；5#个闸门的设置为400mm～490mm；5个闸门首尾相连，实现对整个厚度范围的信号监控。由于超声波检测的工程应用不可避免的存在上、下表面盲区，本实施例设置上表面盲区为10mm，下表面盲区为10mm，故第一个闸门的起始点设置为10mm，第五个闸门的结束点设置为490mm。闸门的高度设置为满屏的0％。
步骤3：制作距离-波幅DAC曲线。将水浸式相控阵超声波探头(4)移动至超声波试块组(14)上方，调整水距并将入射角调整至90°。将各个金属声程的超声波试块平底孔的信号波幅调整至满屏的
Figure BDA0002074457330000111
并使用这些信号绘制距离-波幅DAC曲线。
步骤4：动态灵敏度校准。为实现对不同金属声程的平底孔试块进行有效的动态灵敏度校准，对动态灵敏度校准专用闸门进行特殊设置。动态灵敏度校准专用闸门包括“底波采集闸门”和“平底孔信号采集闸门”。将底波采集闸门的起始点设置在金属声程最小的试块的底表面回波的渡越时间点上，并将结束点设置在金属声程最大的试块的底表面回波的渡越时间点上，这可以让底波闸门采集到不同金属声程的试块的底表面回波信号。底波闸门的性质设置为采集最高波幅的信号。然后设置平底孔信号采集闸门为跟踪底波采集闸门，以便使平底孔信号采集闸门的位置随底波闸门采集到的底波信号的渡越时间改变而改变。平底孔信号采集闸门的起始位置距离试块底表面回波31mm，结束位置距离试块底表面回波19mm，以便采集到所有权利要求3所述的钻孔深度为20mm～30mm的平底孔回波信号。
将探头扫描区域设置为100％覆盖超声波试块组(14)。将动态扫描速度设置为120mm/s进行超声波试块组(14)的动态扫描。观察所采集到的超声波C扫描图中平底孔的超声波幅值都处于满屏的80％±2dB范围内。动态校准合格。继续进行步骤5。
步骤5：设置扁锭扫描范围。设置超声波扫描范围100％覆盖被检测的扁锭。
步骤6：启动扫描。由5个闸门分别采集获得的超声波C扫描图如图2～图6所示。从图2～图6可以分别了解到扁锭各个厚度区域范围内的质量情况，让工程技术人员更客观、更方便、更立体地了解铸锭的内部质量数据。
步骤7：在3#闸门采集到的超声波C扫描图中，可观察到靠近上部区域存在月牙形缺陷，其超声波A扫描图见图7。该图片与“超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析”数据库中“Alx(Cr,Mn)y聚集型粗大金属化合物缺陷超声波C扫描图”相吻合，可初步定性该缺陷为同类缺陷。通过比较3#闸门采集到的超声波C扫描图与数据库中的同类缺陷的超声波C扫描图，将被检7075扁铸锭的缺陷评定为“C级”，需要将该区域切除后方可进入轧制生产流程。对该区域进行解剖并使用扫描电子显微镜对缺陷进行分析，其结果见图8。将该铸锭的合金牌号、化学成分、超声波C扫描图、缺陷A扫描图、扫描电子显微镜数据一起录入“超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析”数据库，完成一组质量数据的收集，进一步完善数据库。
步骤8：下料及后处理。
实施例3
需要使用所述相控阵超声波系统硬件和技术方法对规格为600mmX2000mmX2600mm的5083牌号铝合金扁铸锭进行无损评估。根据合金相图计算和实践经验推测该合金成分如铸造过程参数控制不当，有较大倾向生成Alx(Mn,Fe)y聚集型粗大金属化合物缺陷。针对Alx(Mn,Fe)y弥散型金属化合物缺陷的无损质量控制，利用实施例1所述的铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行检测，
具体地，所述检测系统中水浸式相控阵超声波探头(4)使用具有“宽频带窄脉冲”特性的一维线性相控阵超声波探头。一维线性相控阵超声波探头的相控阵晶元数为256个。相控阵晶元参数为高度20mm,宽度2.0mm，晶元间距0.1mm。一维线性相控阵超声波探头的中心频率为15MHz。
相控阵超声波仪(10)性能经第三方机构校准，其性能参数为：脉冲上升时间为6ns；发射电压100V±3％；通道增益变化为1.4dB；等效输入噪音55nV/Hz1/2；接收延迟线性误差0.5％。
超声波试块组(14)的试块使用具有铸造组织特征的5083铝合金圆柱形平底孔试块。从半连续铸造制备的规格为635mmX1500mmX5000mm的大规格5083铝合金铸锭上截取一部分作为超声波试块组(14)的试块原料。从距离铸锭起铸位置800mm处进行取样，截取500mm(厚度方向)X800mm(宽度方向)X200mm(长度方向)的铝合金铸块作为超声波试块组(14)的原料。然后使用该原料制作成14个试块，平底孔金属声程分别为：12.7mm；19.1mm；25.4mm；38.1mm；44.5mm；57.2mm；69.9mm；82.6mm；95.3mm；127mm，146.1mm；254mm；508mm；635mm。平底孔试块的钻孔深度为20mm～30mm。平底孔的直径为1.2mm±0.02mm。
超声波试块组(14)放置在试块支架(15)上。各个阶梯式平台的水平高度是根据放置在平台上的试块总高度设计的。试块支架(15)将不同声程的超声波试块组(14)的上表面控制在同一水平高度上。因此，所有试块放置在试块支架(15)上时，所有试块的顶部正好处于一个水平面上，以便实现后续的动态校准操作。
所述气泡刷(5)在Z方向上能够调节高度，所述气泡刷(5)数量为两个，所述气泡刷(5)对称分布在Z方向运动轴两侧，从而使探头在Y轴上做往返运动时都能有一把气泡刷(5)起到清除表面气泡的作用。活动支撑架(2)的承重设计为30t，材质为304不锈钢，机械结构应设计为易于使用电动夹钳平稳吊运。所述活动支撑架(2)包括支脚和横向支撑梁，活动支撑架(2)的支脚数量为10个，高度为120mm。支撑架(2)的宽度为2000mm，长度为10000mm，横向支撑梁数量为12根。
(2)系统使用方法
步骤1：上料。使用电动夹钳将支撑架(2)放置在超声波水槽(1)中，保持支撑架(2)基本处于水平位置。然后将铝合金扁铸锭(3)用电动夹钳吊运至支撑架(2)上。此时水槽中的去离子水水平面应高于铝合金扁铸锭(3)的上表面250mm。
步骤2：工艺设置。
水距调整至145mm，在设置距离波幅DAC曲线、动态灵敏度校准、启动扫描、评估这4个过程中需保持水距的一致性。水距的公差应控制在145mm±2mm之内。设置滤波器参数，滤波器的低通滤波器设置为10MHz，高通滤波器设置为20MHz。调整气泡刷(5)至恰当位置，以便在探头运动时能清除附着在铸锭表面的气泡。
完成相控阵激发法则设置。相控阵超声波仪激发相控阵法则时，轮流激发自然聚焦的相控阵延迟法则和动态聚焦的相控阵延迟法则，从而用同一个线性相控阵超声波探头，对近场和远场同时实现高精度检测。设置动态聚焦法则使虚拟探头的人工聚焦点落在被检铝合金扁铸锭的上表面±10mm上，实现近场的高精度检测。大孔径的自然聚焦的虚拟探头实现远场的高精度检测。每个虚拟探头由15个晶元组成。电子扫描步进的晶元数设置为2。扫描方向的速度应设置为150mm/s，步进方向的速度应设置为180mm/s。
根据被检测的铝合金扁铸锭(3)厚度设置信号监控闸门。由于铸锭的总厚度为600mm，本实施例将铸锭将铸锭的总厚度600mm分成平均的5个区域。每个区域分别使用一个信号闸门进行信号采集。信号采集方式设置为全波A扫描采集。最终每个闸门可以显示该扁铸锭厚度层区域内的超声波C扫描图，并且可以获取每个C扫描坐标点的超声波A扫描数据。1#闸门在以第一上表面回波信号为基准的TOF上的设置为15mm～120mm；2#闸门的设置为120mm～240mm；3#闸门的设置为240mm～360mm；4#闸门的设置为360mm～480mm；5#个闸门的设置为480mm～585mm；5个闸门首尾相连，实现对整个厚度范围的信号监控。由于超声波检测的工程应用不可避免的存在上、下表面盲区，本实施例设置上表面盲区为15mm，下表面盲区为15mm，故第一个闸门的起始点设置为15mm，第五个闸门的结束点设置为585mm。闸门的高度设置为满屏的0％。
步骤3：制作距离-波幅DAC曲线。将水浸式相控阵超声波探头(4)移动至超声波试块组(14)上方，调整水距并将入射角调整至90°。将各个金属声程的超声波试块平底孔的信号波幅调整至满屏的
Figure BDA0002074457330000151
并使用这些信号绘制距离-波幅DAC曲线。
步骤4：动态灵敏度校准。为实现对不同金属声程的平底孔试块进行有效的动态灵敏度校准，对动态灵敏度校准专用闸门进行特殊设置。动态灵敏度校准专用闸门包括“底波采集闸门”和“平底孔信号采集闸门”。将底波采集闸门的起始点设置在金属声程最小的试块的底表面回波的渡越时间点上，并将结束点设置在金属声程最大的试块的底表面回波的渡越时间点上，这可以让底波闸门采集到不同金属声程的试块的底表面回波信号。底波闸门的性质设置为采集最高波幅的信号。然后设置平底孔信号采集闸门为跟踪底波采集闸门，以便使平底孔信号采集闸门的位置随底波闸门采集到的底波信号的渡越时间改变而改变。平底孔信号采集闸门的起始位置距离试块底表面回波31mm，结束位置距离试块底表面回波19mm，以便采集到所有权利要求3所述的钻孔深度为20mm～30mm的平底孔回波信号。
将探头扫描区域设置为100％覆盖超声波试块组(14)。将动态扫描速度设置为150mm/s进行超声波试块组(14)的动态扫描。观察所采集到的超声波C扫描图中平底孔的超声波幅值都处于满屏的80％±2dB范围内。动态校准合格。继续进行步骤5。
步骤5：设置扁锭扫描范围。设置超声波扫描范围100％覆盖被检测的扁锭。
步骤6：启动扫描。由5个闸门分别采集获得的超声波C扫描图如图9～图13所示。从图9～图13可以分别了解到扁锭各个厚度区域范围内的质量情况，让工程技术人员更客观、更方便、更立体地了解铸锭的内部质量数据。
步骤7：在3#闸门采集到的超声波C扫描图中，可观察到靠近上部区域存在月牙形缺陷，其超声波A扫描图见图7。该图片与“超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析”数据库中“Alx(Cr,Mn)y聚集型粗大金属化合物缺陷超声波C扫描图”相吻合，可初步定性该缺陷为同类缺陷。通过比较3#闸门采集到的超声波C扫描图与数据库中的同类缺陷的超声波C扫描图，将被检7075扁铸锭的缺陷评定为“C级”，需要将该区域切除后方可进入轧制生产流程。
对该区域进行解剖并使用扫描电子显微镜对缺陷进行分析，其结果见图15。将该铸锭的合金牌号、化学成分、超声波C扫描图、缺陷A扫描图、扫描电子显微镜数据一起录入“超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析”数据库，完成一组质量数据的收集，进一步完善数据库。
步骤8：下料及后处理。

Claims (4)

1.一种采用铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行超声波检测的方法，其特征在于，
所述检测系统包括：超声波水槽(1)、活动支撑架(2)、水浸式相控阵超声波探头(4)、气泡刷(5)、Z方向运动轴(6)、Y方向轨道(7)、扫描桥架及电气系统(8)、探头线缆(9)、相控阵超声波仪(10)、X轴轨道(11)、工控机(13)、试块支架(15)，其中，
所述超声波水槽(1)底部设有用于承载待检测铝合金扁铸锭(3)的活动支撑架(2)，所述超声波水槽的一个侧壁和活动支撑架(2)之间设有试块支架(15)，用于承载超声波试块组(14)，所述超声波水槽(1)内中注有去离子水(12)作为超声波耦合剂；
所述Z方向运动轴(6)的上端滑动连接在Y方向轨道(7)上，所述Z方向运动轴(6)的下端连接有气泡刷(5)，所述水浸式相控阵超声波探头(4)与Z方向运动轴(6)可旋转连接，且安装在气泡刷(5)与Z方向运动轴(6)连接处的下方，所述Y方向轨道(7)固定于扫描桥架及电气系统(8)上；
所述探头线缆(9)一端与水浸式相控阵超声波探头(4)连接，另一端与相控阵超声波仪(10)连接；
所述X轴轨道(11)包括两组，设于超声波水槽(1)两侧平行对称布置，所述扫描桥架及电气系统(8)滑动连接在X轴轨道上进行往返运动；
所述扫描桥架及电气系统(8)与工控机(13)通讯连接，通过工控机(13)的人机界面实现人机互动；
当预期的缺陷类型为长宽比＜5的聚集态块状的粗大金属化合物、金属氧化物和铸造裂纹中的一种时，相控阵超声波探头频率为1MHz～3.5MHz，当预期的缺陷类型为长宽比＞5的弥散 分布的片状金属化合物或疏松缺陷时，相控阵超声波探头频率为10MHz～25MHz；
所 述超声波试块组(14)和试块支架(15)具有以下特征：超声波试块组(14)的试块为具有跟被检材料具有相近铸造组织特征的铝合金圆柱形平底孔试块，超声波试块组(14)的试块制备原料需从半连续铸造制备的大规格铝合金铸锭上截取，试块制备原料截取位置至少距离铸锭起铸位置500mm，距离铸锭结束位置至少300mm，与矩形扁铸锭小面的距离为100mm～300mm；
所述试块支架(15)具有阶梯式平台，试块支架(15)将不同声程的超声波试块组(14)的上表面控制在同一水平高度上；
所述采用铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行超声波检测的方法包括如下步骤：
步骤1，上料：将待测铝合金扁铸锭放置于活动支撑架(2)上，控制超声波水槽(1)中的去离子水水平面高于铝合金扁铸锭(3)的上表面200mm～500mm；
步骤2，工艺设置：根据目标缺陷类型选择水浸式相控阵超声波探头(4)、进行水距调整、相控阵激发法则设置、设置滤波器参数、调整气泡刷(5)至恰当位置，根据被检测的铝合金扁铸锭(3)厚度设置信号监控闸门；
步骤3，制作距离-波幅DAC曲线：将水浸式相控阵超声波探头(4)移动至超声波试块组(14)上方，调整水距并将入射角调整至90°，将各个金属声程的超声波试块平底孔的信号波幅调整至满屏的
Figure FDA0003310018980000021
并使用上述信号绘制距离-波幅DAC曲线；
步骤4，动态灵敏度校准：对超声波试块组(14)进行动态扫描，通过分析超声波C扫描图判断校准结果，如校准结果不合格，调整距离-波幅DAC曲线或微调晶元增益补偿直至动态校准合格；所述动态灵敏度校准所使用的闸门包括底波采集闸门和平底孔信号采集闸门，所述底波采集闸门的起始点设置在金属声程最小的试块的底表面回波的渡越时间点上，并将结束点设置在金属声程最大的试块的底表面回波的渡越时间点上，底波采集闸门的性质设置为采集最高波幅的信号，所述平底孔信号采集闸门为跟踪底波采集闸门，平底孔信号采集闸门的起始位置距离试块底表面回波31mm，结束位置距离试块底表面回波19mm；
步骤5，设置铝合金扁铸锭扫描范围：设置超声波扫描范围100％覆盖被检测的铝合金扁铸锭扁锭；
步骤6，启动扫描；
步骤7，根据超声波C扫描图-缺陷解剖扫描电子显微镜分析数据库对被检测铝合金扁铸锭的超声波C扫描图进行评估；
步骤8，下料及后处理；
步骤2所述的水距调整过程中，将水浸式相控阵超声波探头(4)至铝合金扁铸锭(3)上表面的距离设置为120mm～160mm，在制作距离-波幅DAC曲线、动态灵敏度校准、启动扫描、评估这4个过程中的水距保持一致，水距的公差为±2mm；
步骤2所述的设置滤波器参数过程中，当预期的缺陷类型为长宽比＜5的聚集态块状的粗大金属化合物、金属氧化物和铸造裂纹中的一种时，滤波器的低通滤波器设置为0.5MHz～1MHz，高通滤波器设置为3.5MHz～5MHz，当预期的缺陷类型为长宽比＞5的弥散 分布的片状金属化合物或疏松缺陷时，滤波器的低通滤波器设置为5MHz～10MHz，高通滤波器设置为20MHz～30MHz；
步骤2所述的设置信号监控闸门过程中，将铝合金扁铸锭的总厚度分成平均的2n+1个区域，所述n为大于0的自然数，每个区域分别使用一个信号闸门进行信号采集，信号采集方式设置为全波A扫描采集，最终每个闸门可以显示该扁铸锭厚度层区域内的超声波C扫描图，并且可以获取每个C扫描坐标点的超声波A扫描数据，每个闸门的起始和结束位置被设置为首尾相连，闸门的高度设置为满屏的0％～40％，采集靠近上表面区域信号的闸门的上表面盲区设置为5mm～20mm，采集靠近下表面区域信号的闸门的下表面盲区设置为10mm～30mm；
步骤2所述的相控阵激发法则包括轮流激发自然聚焦的相控阵延迟法则和动态聚焦的相控阵延迟法则，设置动态聚焦法则使虚拟探头的人工聚焦点落在被检铝合金扁铸锭的上表面±10mm上，进行近场检测，使用自然聚焦的虚拟探头进行远场检测，每个虚拟探头由14个～20个晶元组成，电子扫描步进的晶元数小于虚拟探头晶元数的20％，且每个虚拟探头的最高能量点-6dB宽度范围与下一个时间序列激发的虚拟探头的最高能量点-6dB宽度范围重叠超过20％，选用的相控阵探头的频率为1MHz～3.5MHz时，虚拟探头由17个～20个晶片组成，选用的相控阵探头的频率为10MHz～25MHz时，虚拟探头由14个～17个晶片组成，扫描方向的速度应设置为小于150mm/s，步进方向的速度应设置为小于300mm/s；
步骤7所述对被检测铝合金扁铸锭的超声波C扫描图进行评估的具体方法为：在根据被检铝合金扁铸锭的超声波C扫描特征与数据库中现有的超声波C扫描图进行比较，确定缺陷类型，然后与数据库中的同类型缺陷的铝合金超声波C扫描图比较，确定缺陷等级，对被检件进行解剖和扫描电子显微镜分析，收集相应数据，完善数据库。
2.根据权利要求1所述的采用铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行超声波检测的方法，其特征在于，所述水浸式相控阵超声波探头为一维线性相控阵超声波探头，所述水浸式相控阵超声波探头的相控阵晶元数64个～512个，相控阵晶元参数为高度10mm～25mm，宽度0.8mm～2mm，晶元间距0.1mm～0.2mm；所述相控阵超声波仪(10)性能参数为：脉冲上升时间＜8ns；发射电压100V±8％；通道增益变化＜3dB；等效输入噪音＜100nV/Hz1/2；接收延迟线性误差＜1％。
3.根据权利要求1所述的采用铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行超声波检测的方法，其特征在于，所述超声波试块组(14)的试块至少包含以下5个金属声程的试块：25.4mm、127mm、254mm、508mm、635mm，平底孔试块的钻孔深度为20mm～30mm，平底孔的直径为1.2mm±0.02mm。
4.根据权利要求1所述的采用铝合金扁铸锭水浸式超声波检测系统进行超声波检测的方法，其特征在于，所述气泡刷(5)在Z方向上能够调节高度，所述气泡刷(5)数量为两个，所述气泡刷(5)对称分布在Z方向运动轴两侧；
所述活动支撑架的承重设计为25t～35t，材质为304不锈钢，活动支撑架(2)的宽度为1000mm～2000mm，长度为5000mm～11000mm，所述活动支撑架(2)包括支脚和横向支撑梁，所述支脚数量为6～10个，高度为50mm～200mm，横向支撑梁数量为6～12根。
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