CN110361449A - 变截面发动机喷管超声波检测探头及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变截面发动机喷管超声波检测探头，它包括纵波直探头，所述纵波直探头的通信端面设置有半球形橡胶帽，半球形橡胶帽的底端面与纵波直探头的通信端面固定连接，半球形橡胶帽内填充有耦合介质。本发明以干耦合方式，利用超声波纵波穿透制品，以接收到的穿透波信号的幅值对制品粘接质量进行分析评定，从而确保检测结果评价满足制品粘接质量控制需求。

Description

变截面发动机喷管超声波检测探头及检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体地指一种变截面发动机喷管超声波检测探头及检测方法。

背景技术

变截面发动机喷管是一种由变截面金属层与非金属层粘接而成的结构件，常规的无损检测技术对其检测不具备完整的有效性，检测结果评价的可靠性低。

变截面发动机喷管由一种非金属模压制品与一种金属制品在粘接部位涂刷胶粘剂后，经加压、加温和保温固化粘接成型；粘接过程中由于胶粘剂涂刷均匀性、加压及加温控制不当等多种原因，将导致粘接面出现脱粘缺陷，从而直接影响发动机喷管的使用安全性。为保障产品质量，必须采用有效的检测技术手段对变截面发动机喷管进行粘接质量控制。

对于发动机喷管的粘接质量检测一般选用超声波纵波脉冲反射法检测，超声波通过耦合剂传入被检测物体，在物体介质中传播时，声波遇异质介面，将发生不同程度的折射、反射和透射，声波在传播过程中还会产生扩散和衰减；当被检测物体介质中存在组织结构不连续(缺陷)或多层结构界面发生层间脱粘时，超声波会在此处发生反射，当被检测物体介质组织均匀或多层结构层间粘接良好时，超声波会在材料制品中发生透射，采用仪器和探头采集超声波反射或透射信号，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，从而评价被检制品粘接质量。

按照常规超声波脉冲反射法对变截面发动机喷管粘接制品进行检测：变截面发动机喷管由变截面金属制品与非金属模压制品粘接而成，反射法检测时，反射声束路径较复杂、无规律，同时伴随产生有声束折射；常规脉冲反射法接收到的反射声波(声压)不能准确反映制品粘接实际情况，因而难以准确评估其粘接质量。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种变截面发动机喷管超声波检测探头及检测方法，本发明以干耦合方式，利用超声波纵波穿透制品，以接收到的穿透波信号的幅值对制品粘接质量进行分析评定，从而确保检测结果评价满足制品粘接质量控制需求。

为实现此目的，本发明所设计的一种变截面发动机喷管超声波检测探头，它包括纵波直探头，所述纵波直探头的通信端面设置有半球形橡胶帽，半球形橡胶帽的底端面与纵波直探头的通信端面固定连接，半球形橡胶帽内填充有耦合介质。

一种利用上述探头的变截面发动机喷管超声波检测方法，它包括如下步骤：

步骤1：制作变截面发动机喷管对比试块，在对比试块的非金属层与金属层粘接面放置聚四氟乙烯人工缺陷模拟脱粘缺陷；

步骤2：检测前先采用超声波发射探头和超声波接收探头进行检测灵敏度校准，校准时将超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于对比试块上下表面无人工缺陷部位，并保证两个超声波发射探头和超声波接收探头的声束同轴对齐，通过超声检测仪采集得到当前超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值，将超声波发射探头和超声波接收探头在无聚四氟乙烯人工缺陷部位同步移动，选取不少于6个点测试穿透波幅值，找到最高的穿透波幅值和最低的穿透波幅值，将超声检测仪中最低的穿透波幅值调整到超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的80％，完成超声检测仪起始灵敏度校准，然后将超声波发射探头和超声波接收探头分别置于对比试块聚四氟乙烯人工缺陷部位两侧，通过超声检测仪得到超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值，如果此时穿透波幅值在超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下或无穿透波时，则说明起始灵敏度校准有效；否则，需重新校准灵敏度；

步骤3：采用检测灵敏度校准后的超声检测仪以及对应的超声波发射探头和超声波接收探头，使用干耦合脉冲纵波穿透法对变截面发动机喷管进行检测；检测时，超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于变截面发动机喷管中异型面粘接制品待检部位内外表面，且声束对中，在异型面粘接制品待检部位中同步移动超声波发射探头和超声波接收探头进行扫查；

步骤4：在上述扫查过程中，当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％以上时确定被检异型面粘接制品的此对应检测区域粘接良好；当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下时确定被检异型面粘接制品的此对应检测区域存在脱粘；

步骤5：以存在脱粘的检测区域为中心，向四周各个方向同步平移超声波发射探头和超声波接收探头，当超声波检测仪显示的穿透波幅值上升至超声波检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％时，确定被检异型面粘接制品的此处对应检测区域为脱粘区与粘接完好区的边界位置。

本发明与常规超声波脉冲反射法相比，具有检测灵敏度高、缺陷检出率高、定位快速准确、检测结果直观、检测结果受制品截面形状影响较小、对制品零污染等优点，检测方法可保障制品质量可靠性和使用安全性，适用于大批量生产检测。

本发明改变了常规探头耦合方式，采用了超声纵波穿透法，依据穿透波幅值变化特征对缺陷定性。本发明解决了变截面发动机喷管多种变截面材料粘接质量检测难度大的问题。通过采用此方法对变截面发动机喷管进行检测，可以有效保障制品粘接质量，确保其使用安全可靠性。

附图说明

图1为本发明中变截面发动机喷管超声波检测探头的结构示意图；

图2为本发明中对比试块的俯视结构示意图；

图3为本发明中对比试块的剖视图；

图4为本发明中变截面发动机喷管超声波检测的示意图；

图5为本发明中粘接良好区域的纵波穿透波形图；

图6为本发明中脱粘区域的纵波穿透波形图。

其中，1—纵波直探头、2—半球形橡胶帽、3—耦合介质、4—对比试块、5—聚四氟乙烯人工缺陷、6—变截面发动机喷管超声波检测探头、7—异型面粘接制品；

图5和图6中，X轴为声波传播的距离，单位为毫米(mm)，Y轴为穿透波能量的显示高度，常以占显示器Y轴的百分比表示(％)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的变截面发动机喷管超声波检测探头，它包括纵波直探头1，所述纵波直探头1(纵波在固体中传播时穿透能力较好，可以通过穿透时声波的能量变化反映产品粘接质量的好坏)的通信端面设置有半球形橡胶帽2，半球形橡胶帽2的底端面与纵波直探头1的通信端面固定连接，半球形橡胶帽2内填充有耦合介质3。超声波通过半圆形橡胶帽及其中耦合介质间接传入被检制品，防止直接涂抹耦合剂污染非金属材料。

所述半球形橡胶帽2的直径范围为14～20mm。一般来说，超声波检测需要根据被检测对象的不同选择合适的探头，这样才能保证达到最佳的检测效果。探头的选择包括探头晶片直径和探头中心频率。其中探头直径小，耦合效果较好，但声能量指向性不好；探头直径大，声能指向性较好，但直径大在产品拐弯、曲率变化大的地方耦合效果较差，影响产品检测。本专利中选择的探头直径为多次试验所得的实验值。选择的探头频率也为适用于非金属材料检测的探头频率范围。所述耦合介质3为水。

上述技术方案中，所述变截面发动机喷管超声波检测探头6发射或接收的超声纵波频率为0.5～2MHz。由于被检制品由两种材料粘接而成，非金属层材料对声波衰减较大，故选择0.5～2MHz的低频探头。

上述技术方案中，所述变截面发动机喷管超声波检测探头6有两个，一个变截面发动机喷管超声波检测探头6作为超声波发射探头，另一个变截面发动机喷管超声波检测探头6作为超声波接收探头。

上述技术方案中，变截面发动机喷管超声波检测探头确保激发出的超声纵波通过耦合介质3和半球形橡胶帽2间接导入喷管内部，利用超声波幅值与声压成正比的特点，通过对比穿透波的幅值来分析制品粘接质量。通常超声波通过耦合剂传入被检制品，为避免机油、黄油等耦合剂污染非金属材料，克服水耦合剂流动性大的缺点，特制干耦合探头，即在探头前端面增设一只半球形橡胶帽2，半球形橡胶帽2中填充耦合介质(纯净水、甘油等)，使超声波通过橡胶帽中的耦合剂(水)间接向被检制品内部传递，实现干耦合。

一种利用上述探头的变截面发动机喷管超声波检测方法，如图1～6所示，它包括如下步骤：

步骤1：制作变截面发动机喷管对比试块4(选取与被检变截面粘接制品材质、厚度、表面状态及制作工艺均相同的材料，采用与被检变截面粘接制品相同的粘接工艺方法，制作对比试块4，在对比试块4的非金属层与金属层粘接面放置不同规格尺寸的聚四氟乙烯人工缺陷5模拟脱粘缺陷(放置不同规格的尺寸模拟缺陷用于确定所能检测到的最小缺陷面积)；

步骤2：检测前先采用超声波发射探头和超声波接收探头进行检测灵敏度校准，校准时将超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于对比试块4上下表面无人工缺陷部位，如图2～3所示，并保证两个超声波发射探头和超声波接收探头的声束同轴对齐，通过超声检测仪采集得到当前超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值，将超声波发射探头和超声波接收探头在无聚四氟乙烯人工缺陷5部位同步移动，选取不少于6个点(选取6个以下点数据信息太少，选取过多的话操作强度、时间较长。一般情况下，选择6个点的值可以代表材料的整体均匀性)测试穿透波幅值，找到最高的穿透波幅值(在无人工缺陷部位移动选择点时，找到最高的穿透波说明此处的粘接性能是最好的，同时在粘接部位找到最低的穿透波幅值(非金属材料不均匀，声波能量会有所衰减)，此步骤用于确定起始检测灵敏度)和最低的穿透波幅值，将超声检测仪中最低的穿透波幅值调整到超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的80％，完成超声检测仪起始灵敏度校准(例如：在试块上无人工缺陷位置，保证声束对中，测得6个点的穿透波幅分别为100％、95％、83％、76％、68％、60％，则通过超声检测仪的增益调节旋钮将穿透波幅为60％位置处的波幅调节至80％，则灵敏度调节完成)，然后将超声波发射探头和超声波接收探头分别置于对比试块4的聚四氟乙烯人工缺陷5部位两侧，通过超声检测仪得到超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值(前面已经完成了检测灵敏度的校准步骤(即完成了检测仪器的参数设定，此步骤为了进一步确认设定的灵敏度是否可以有效检测出脱粘缺陷)，不用再重复之前选点校准的步骤)，如果此时穿透波幅值在超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下或无穿透波时，则说明起始灵敏度校准有效；否则，需重新校准灵敏度(将两只探头同步移动至对比试块上人工缺陷位置(φ15mm、φ20mm、φ30mm)，保证声束对中时，超声波仪显示屏穿透波幅值分别为0，10％，18％)，说明起始灵敏度校准有效)，在此幅度下完成校准后，经过多次模拟脱粘试验件进行实际验证，在有人工缺陷的部位穿透波幅度均在20％幅度以下，故确定20％以下为存在脱粘；

步骤3：采用检测灵敏度校准后的超声检测仪以及对应的超声波发射探头和超声波接收探头，使用干耦合脉冲纵波穿透法对变截面发动机喷管进行检测；检测时，超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于变截面发动机喷管中异型面粘接制品7待检部位内外表面，且声束对中，在异型面粘接制品7待检部位中同步移动超声波发射探头和超声波接收探头进行扫查；

步骤4：在上述扫查过程中，当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％以上时确定被检异型面粘接制品7的此对应检测区域粘接良好；当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下时确定被检异型面粘接制品7的此对应检测区域存在脱粘；

步骤5：以存在脱粘的检测区域为中心，向四周各个方向同步平移超声波发射探头和超声波接收探头，当超声波检测仪显示的穿透波幅值上升至超声波检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％时，确定被检异型面粘接制品7的此处对应检测区域为脱粘区与粘接完好区的边界位置。例如：当检测制品壁厚25mm部位时，在轴向方向上发现一处透射波幅值为18％的缺陷波；此时对缺陷进行定位的具体方法为：

对制品该部位内外表面进行清理，清理后，若穿透波幅值上升至80％以上，则认为该处粘接完好，无缺陷显示；若穿透波幅值为18％无变化，则确认该部位脱粘，以该位置为中心点，向各个方向平移探头，当波幅上升至20％时认为此位置为脱粘区域粘接良好区域的边界位置，划定各方向边界位置即可确定脱粘缺陷在制品表面的平面位置。

量取脱粘缺陷在制品表面的平面区域最大长度与宽度，以二者乘积作为脱粘缺陷面积。

上述技术方案中，所述人工缺陷模拟脱粘缺陷为圆形脱粘缺陷区域。

上述技术方案中，所述圆形脱粘缺陷区域有三处，直径分别为15mm、20mm和30mm；

所述步骤2中，将超声波发射探头和超声波接收探头分别置于三个人工缺陷位置，用于确认三种尺寸人工缺陷对应的穿透波幅度，同时确认此尺寸的人工缺陷是否可以有效检出。

上述技术方案中，所述无聚四氟乙烯人工缺陷5用于模拟非金属层间与金属层间脱粘缺陷。

上述技术方案的步骤5中脱粘区与粘接完好区的边界位置确定脱粘缺陷面积，对比脱粘缺陷面积小于超声波接收探头面积的情况，以超声波接收探头的面积作为脱粘缺陷面积(如探头与制品耦合面积为φ15mm，则单个脱粘面积按φ15mm计算)。

例如：对变截面发动机喷管进行干耦合纵波穿透法检测，采用的超声波检测设备型号为CTS-9009PLUS，记录检测结果，选取5件制品其检测结果统计表如表1所示。

表1某变截面发动机喷管检测数据

本说明书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 (10)

1.一种变截面发动机喷管超声波检测探头，其特征在于：它包括纵波直探头(1)，所述纵波直探头(1)的通信端面设置有半球形橡胶帽(2)，半球形橡胶帽(2)的底端面与纵波直探头(1)的通信端面固定连接，半球形橡胶帽(2)内填充有耦合介质(3)。

2.根据权利要求1所述的变截面发动机喷管超声波检测探头，其特征在于：所述半球形橡胶帽(2)的直径范围为14～20mm。

3.根据权利要求1所述的变截面发动机喷管超声波检测探头，其特征在于：所述耦合介质(3)为水。

4.根据权利要求1所述的变截面发动机喷管超声波检测探头，其特征在于：所述变截面发动机喷管超声波检测探头(6)发射或接收的超声纵波频率为0.5～2MHz。

5.根据权利要求1所述的变截面发动机喷管超声波检测探头，其特征在于：所述变截面发动机喷管超声波检测探头(6)有两个，一个变截面发动机喷管超声波检测探头(6)作为超声波发射探头，另一个变截面发动机喷管超声波检测探头(6)作为超声波接收探头。

6.一种利用权利要求1所述探头的变截面发动机喷管超声波检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：制作变截面发动机喷管对比试块(4)，在对比试块(4)的非金属层与金属层粘接面放置聚四氟乙烯人工缺陷(5)模拟脱粘缺陷；

步骤2：检测前先采用超声波发射探头和超声波接收探头进行检测灵敏度校准，校准时将超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于对比试块(4)上下表面无人工缺陷部位，并保证两个超声波发射探头和超声波接收探头的声束同轴对齐，通过超声检测仪采集得到当前超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值，将超声波发射探头和超声波接收探头在无聚四氟乙烯人工缺陷(5)部位同步移动，选取不少于6个点测试穿透波幅值，找到最高的穿透波幅值和最低的穿透波幅值，将超声检测仪中最低的穿透波幅值调整到超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的80％，完成超声检测仪起始灵敏度校准，然后将超声波发射探头和超声波接收探头分别置于对比试块(4)的聚四氟乙烯人工缺陷(5)部位两侧，通过超声检测仪得到超声波发射探头和超声波接收探头所在位置的穿透波幅值，如果此时穿透波幅值在超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下或无穿透波时，则说明起始灵敏度校准有效；否则，需重新校准灵敏度；

步骤3：采用检测灵敏度校准后的超声检测仪以及对应的超声波发射探头和超声波接收探头，使用干耦合脉冲纵波穿透法对变截面发动机喷管进行检测；检测时，超声波发射探头和超声波接收探头分别垂直置于变截面发动机喷管中异型面粘接制品(7)待检部位内外表面，且声束对中，在异型面粘接制品(7)待检部位中同步移动超声波发射探头和超声波接收探头进行扫查；

步骤4：在上述扫查过程中，当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％以上时确定被检异型面粘接制品(7)的此对应检测区域粘接良好；当超声检测仪显示的穿透波幅值为超声检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％及以下时确定被检异型面粘接制品(7)的此对应检测区域存在脱粘；

步骤5：以存在脱粘的检测区域为中心，向四周各个方向同步平移超声波发射探头和超声波接收探头，当超声波检测仪显示的穿透波幅值上升至超声波检测仪穿透波幅值显示屏满刻度的20％时，确定被检异型面粘接制品(7)的此处对应检测区域为脱粘区与粘接完好区的边界位置。

7.根据权利要求6所述的变截面发动机喷管超声波检测方法，其特征在于：所述人工缺陷模拟脱粘缺陷为圆形脱粘缺陷区域。

8.根据权利要求7所述的变截面发动机喷管超声波检测方法，其特征在于：所述圆形脱粘缺陷区域有三处，直径分别为15mm、20mm和30mm；

所述步骤2中，将超声波发射探头和超声波接收探头分别置于三个人工缺陷位置，用于确认三种尺寸人工缺陷对应的穿透波幅度，同时确认此尺寸的人工缺陷是否可以有效检出。

9.根据权利要求6或7所述的变截面发动机喷管超声波检测方法，其特征在于：所述无聚四氟乙烯人工缺陷(5)用于模拟非金属层间与金属层间脱粘缺陷。

10.根据权利要求6所述的变截面发动机喷管超声波检测方法，其特征在于：所述步骤5中脱粘区与粘接完好区的边界位置确定脱粘缺陷面积，对比脱粘缺陷面积小于超声波接收探头面积的情况，以超声波接收探头的面积作为脱粘缺陷面积。