CN112525996A - 一种各向同性热解石墨超声成像检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用超声波对各向同性热解石墨制件中的缺陷进行无损检测的方法，该方法能够有效检测出各向同性热解石墨材料中的各向同性夹杂缺陷、各向异性缺陷和密度分层缺陷。参照竖通孔人工缺陷对比试块，实现各向同性夹杂缺陷的检测与评定；参照不同埋深的平底孔人缺陷对比试块，实现各向异性缺陷的检测与评定。根据超声在不同密度介质中的传播速度不同，实现密度分层缺陷的检测与评定。与水浸自动扫查机构配合，实现自动扫查和C扫描成像检测，检测结果准确可靠，显示直观，检测效率高。

Description

一种各向同性热解石墨超声成像检测方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测领域，提供一种超声检测方法，用于各向同性热解石墨中各向同性夹杂、各向异性以及密度分层缺陷的成像检测。
背景技术
各向同性热解石墨是一种优异的高性能机械密封材料和结构材料，因其具有良好的力学性能、自润滑性、密封性、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性等优点，所以在航空航天和船舶等领域有重要的应用。在产品制备过程中，由于工艺条件的波动，材料的局部区域可能会出现夹杂、孔隙等缺陷，这些缺陷会大大降低材料的性能，降低使用寿命，存在着很大的安全隐患，因此，必须在产品坯料阶段和产品成品阶段分别进行100％的无损检测。
通过对各向同性热解石墨材料的解剖研究发现，主要的缺陷类型有：各向异性夹杂，各向同性夹杂和密度分层，目前针对热解石墨制件的无损检测方法有胶片射线、工业CT以及超声检测等。其中胶片射线检测和工业CT检测只能检测出较大尺寸的孔隙和裂纹等缺陷，对各向同性夹杂这种疏松结构的微小缺陷不能够有效检出；且工业CT检测成本高，检测速度慢；而超声检测则没有关于各向同性热解石墨的超声检测方法和缺陷定量标准。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种各向同性热解石墨制件的超声检测方法，能够有效检测出各向同性热解石墨制件中的各向异性夹杂、各向同性夹杂和密度分层缺陷，并提供了缺陷评定和验收的标准，实现各向同性热解石墨制件的高效检测，通过C扫描成像检测，能够直观的看到缺陷显示，数据可追溯。
本发明技术方案如下：
一种各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将检测探头与具备C扫描功能的水浸自动扫查机构相连，并将人工对比试块放置在水槽内，调节探头的水平度，使探头的声束轴线方向与人工对比试块表面垂直；
步骤二、初步扫查人工对比试块，找到试块中埋深为1/2厚度的平底孔人工缺陷反射回波，前后左右移动探头，找到平底孔的回波最高的位置，再上下调节水距，找到使平底孔回波最高的水距，作为检测水距；
步骤三、将探头移动到人工对比试块上无缺陷位置，利用试块的一次底面回波和二次底面回波以及已知厚度，校准材料声速；
步骤四、保持水距不变，继续扫查人工对比试块，找到试块中单个通孔处的人工缺陷底面回波，前后左右移动探头，找到最低的底面回波，将此时的回波高度调节到波形显示满屏幕的80％，作为检测各向同性夹杂缺陷的灵敏度；
步骤五、将探头移动到被检工件上方，调节探头与被检工件之间的水平度，并将水距调整为检测水距；
步骤六、设置闸门，使一闸门监测界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，监测底波变化；
步骤七、设置自动扫查参数，包括扫查和步进范围、速度，以及扫查和步进分辨率，按照标定的灵敏度检测工件中是否存在各向同性夹杂缺陷，保存检测数据；
步骤八、将探头再次移动到人工对比试块上方，调节检测水距，扫查试块，分别找到埋深为1/4、1/2、3/4厚度的平底孔人工缺陷最高反射回波，并做TCG曲线，将回波高度调节为满屏幕的80％，作为检测各向异性缺陷的灵敏度；
步骤九、再次将探头移动到被检工件上方，调节水距，设置闸门，使一闸门监测界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，监测界面波和底波之间的位置，观察是否有缺陷回波出现；
步骤十、设置自动扫查参数，按照标定的各向异性检测灵敏度再次扫查工件，检测是否存在各向异性缺陷，并保存数据；
步骤十一、在分析软件(如Tomoview)中打开检测数据，分别对保存的各向同性夹杂数据和各向异性数据分析处理，评定是否存在缺陷。
本发明所述扫查工件过程为检测探头在超声检测仪器的激励下发射超声波信号，并接收反射回波信号，检测探头在自动扫查机构的牵引下在工件表面沿栅格轨迹扫查，同时超声检测仪器接收自动扫查机构的位置信号，在超声检测仪器上形成C扫描图像。
本发明所检测的缺陷类型包括各向同性夹杂缺陷、各向异性缺陷和密度分层缺陷。
本发明所使用的检测探头频率为5～15MHz(优选为10MHz)。
本发明所述各向同性夹杂缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为80％波幅，底波波幅低于80％处，即为存在各向同性夹杂缺陷。
本发明所述各向异性缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为10％波幅，在界面波和底波之间存在波幅超过10％的回波显示，即为存在各向异性缺陷。
本发明所述密度分层缺陷的评定方法为，利用各向同性夹杂检测数据生成厚度C扫描图像，对于厚度一致的工件，厚度C扫描图像上所显示的厚度存在明显分界线，且与工件实际厚度差异超过10％，即为存在密度分层缺陷。
本发明所采用的人工对比试块上依次设有一个通孔1和三个平底孔2，其中三个平底孔2的埋深分别为1/4、1/2、3/4试块厚度。
本发明用于各向同性夹杂缺陷灵敏度调节的单个通孔1人工缺陷尺寸为
Figure BDA0002821849100000021
用于各向异性缺陷灵敏度调节的平底孔2人工缺陷尺寸为
Figure BDA0002821849100000022
本发明的优点在于：
本发明采用超声成像检测方法，能够实现对各向同性热解石墨材料无损检测，有效地检测出各向同性夹杂、各向异性和密度分层缺陷，并能够准确定量。能够严格控制各向同性热解石墨材料的产品质量，保证其在航空航天以及武器等重要领域的应用。采用的自动扫查和成像检测方法，检测结果更直观，数据具有可追溯性，检测结果可靠性高，检测效率高。
附图说明
图1各向同性热解石墨超声检测用人工对比试块。
图2人工对比试块仰视图。
图3人工对比试块正视图。
附图标记：1、通孔，2、平底孔。
具体实施方式
一种各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在检测准备阶段，需要调节探头平面和工件表面之间的水平面，保证超声声束在工件表面各个位置均有一致的检测灵敏度。检测探头通过连接件与具备C扫描功能的水浸自动扫查机构相连，并将人工对比试块(如图1～3所示)放置在水槽内，调节探头的角度，当界面波的回波高度达到最高时，认为探头的声束轴线方向与人工对比试块表面是垂直的；
步骤二、为确定检测水距，初步扫查人工对比试块，找到试块中埋深为1/2厚度的平底孔人工缺陷反射回波，前后左右移动探头，找到平底孔的回波最高的位置，再上下调节水距，找到使平底孔回波最高的水距，作为检测水距；
步骤三、将探头移动到人工对比试块上无缺陷位置，利用超声检测仪器的校准功能，先用闸门框选试块的一次底面回波并输入试块厚度，再移动闸门位置，框选试块的二次底面回波，输入二倍的厚度，自动校准材料声速；
步骤四、保持水距不变，继续扫查人工对比试块，找到试块中单个通孔处的人工缺陷底面回波，前后左右移动探头，找到最低的底面回波，将此时的回波高度调节到波形显示满屏幕的80％，作为检测各向同性夹杂缺陷的灵敏度；
步骤五、将待检测的工件放置在水槽内，并将探头移动到被检工件上方，调节探头与被检工件之间的水平度，使超声的声束能够垂直入射到被检工件中，并将水距调整为检测水距；
步骤六、为实现C扫描成像检测，需要设置闸门，使一闸门框选住界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，框选在底波位置，监测底波变化；
步骤七、控制自动扫查机构移动，将探头移动到工件范围外的某一位置，作为扫查的起始位置，设置自动扫查参数，包括扫查和步进范围、速度，其中扫查和步进的范围要略大于实际要检测工件的尺寸，扫查速度应不超过脉冲重复频率所能达到的最大扫查速度。此外还需要设置扫查和步进分辨率，分辨率的设置应与要检测的实际缺陷尺寸相匹配。设置完成后，按照标定的灵敏度自动扫查，检测工件中是否存在各向同性夹杂缺陷，扫查结束后保存检测数据；
步骤八、为调节各向异性缺陷检测灵敏度，将探头再次移动到人工对比试块上方，调节检测水距，扫查试块，分别找到埋深为1/4、1/2、3/4厚度的平底孔人工缺陷最高反射回波，并做TCG曲线，将回波高度调节为满屏幕的80％，作为检测各向异性缺陷的灵敏度；
步骤九、完成各向异性灵敏度调节后，再次将探头移动到被检工件上方，调节水距，设置各向异性检测闸门，使一闸门监测界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，监测界面波和底波之间；
步骤十、将检测探头移动到扫查的起始位置，设置自动扫查参数，按照标定的各向异性检测灵敏度再次扫查工件，检测是否存在各向异性缺陷，并保存数据；
步骤十一、待检测结束后，在分析软件Tomoview中打开检测数据，分别对保存的各向同性夹杂数据和各向异性数据分析处理，评定是否存在超标的各向同性夹杂、各向异性和密度分层缺陷。
本发明所述扫查工件过程为检测探头在超声检测仪器的激励下发射超声波信号，并接收反射回波信号，检测探头在自动扫查机构的牵引下在工件表面沿栅格轨迹扫查，同时超声检测仪器接收自动扫查机构的位置信号，在超声检测仪器上形成C扫描图像。
本发明所检测的缺陷类型包括各向同性夹杂缺陷、各向异性缺陷和密度分层缺陷。其中各向同性夹杂缺陷的检测结果为底波C扫描图像，各向异性缺陷的检测结果为缺陷回波C扫描图像，密度分层缺陷的检测结果为厚度C扫描图像。
本发明所使用的检测探头频率为10MHz。
本发明用于各向同性夹杂缺陷灵敏度调节的单个通孔人工缺陷尺寸为
Figure BDA0002821849100000041
用于各向异性缺陷灵敏度调节的平底孔人工缺陷尺寸为
Figure BDA0002821849100000042
本发明所述各向同性夹杂缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为80％波幅，即判定是否合格的临界值，底波波幅高于80％视为合格，底波波幅低于80％处，即为存在超标各向同性夹杂缺陷。
本发明所述各向异性缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为10％波幅，在界面波和底波之间存在波幅超过10％的回波显示，即为存在超标各向异性缺陷，若没有，则合格。
本发明所述密度分层缺陷的检测原理为利用超声声束在不同密度介质中传播的声速不同，当声速设置为固定值时，所测得的厚度值就不同。评定方法为，利用各向同性夹杂检测数据生成厚度C扫描图像，对于厚度一致的工件，若厚度C扫描图像上颜色显示一致，厚度数值为实际工件厚度，则为合格；若厚度C扫描图像上所显示的颜色不一致且存在明显分界线，显示厚度与工件实际厚度差异超过10％，即为存在超标密度分层缺陷。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
此外，本文省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

Claims (9)

1.一种各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将检测探头与具备C扫描功能的水浸自动扫查机构相连，并将人工对比试块放置在水槽内，调节探头的水平度，使探头的声束轴线方向与人工对比试块表面垂直；
步骤二、初步扫查人工对比试块，找到试块中埋深为1/2厚度的平底孔人工缺陷反射回波，前后左右移动探头，找到平底孔的回波最高的位置，再上下调节水距，找到使平底孔回波最高的水距，作为检测水距；
步骤三、将探头移动到人工对比试块上无缺陷位置，利用试块的一次底面回波和二次底面回波以及已知厚度，校准材料声速；
步骤四、保持水距不变，继续扫查人工对比试块，找到试块中单个通孔处的人工缺陷底面回波，前后左右移动探头，找到最低的底面回波，将此时的回波高度调节到波形显示满屏幕的80％，作为检测各向同性夹杂缺陷的灵敏度；
步骤五、将探头移动到被检工件上方，调节探头与被检工件之间的水平度，并将水距调整为检测水距；
步骤六、设置闸门，使一闸门监测界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，监测底波变化；
步骤七、设置自动扫查参数，包括扫查和步进范围、速度，以及扫查和步进分辨率，按照标定的灵敏度检测工件中是否存在各向同性夹杂缺陷，保存检测数据；
步骤八、将探头再次移动到人工对比试块上方，调节检测水距，扫查试块，分别找到埋深为1/4、1/2、3/4厚度的平底孔人工缺陷最高反射回波，并做TCG曲线，将回波高度调节为满屏幕的80％，作为检测各向异性缺陷的灵敏度；
步骤九、再次将探头移动到被检工件上方，调节水距，设置闸门，使一闸门监测界面波，另一闸门设为界面波跟随模式，监测界面波和底波之间的位置，观察是否有缺陷回波出现；
步骤十、设置自动扫查参数，按照标定的各向异性检测灵敏度再次扫查工件，检测是否存在各向异性缺陷，并保存数据；
步骤十一、在分析软件中打开检测数据，分别对保存的各向同性夹杂数据和各向异性数据分析处理，评定是否存在缺陷。
2.按照权利要求1所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：所述扫查工件过程为检测探头在超声检测仪器的激励下发射超声波信号，并接收反射回波信号，检测探头在自动扫查机构的牵引下在工件表面沿栅格轨迹扫查，同时超声检测仪器接收自动扫查机构的位置信号，在超声检测仪器上形成C扫描图像。
3.按照权利要求1所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：所检测的缺陷类型包括各向同性夹杂缺陷、各向异性缺陷和密度分层缺陷。
4.按照权利要求1所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：所使用的检测探头频率为5～15MHz。
5.按照权利要求3所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：各向同性夹杂缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为80％波幅，底波波幅低于80％处，即为存在各向同性夹杂缺陷。
6.按照权利要求3所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：各向异性缺陷的评定方法为，对C扫描图像做二值化处理，其中二值化阈值为10％波幅，在界面波和底波之间存在波幅超过10％的回波显示，即为存在各向异性缺陷。
7.按照权利要求3所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：密度分层缺陷的评定方法为，利用各向同性夹杂检测数据生成厚度C扫描图像，对于厚度一致的工件，厚度C扫描图像上所显示的厚度存在明显分界线，且与工件实际厚度差异超过10％，即为存在密度分层缺陷。
8.按照权利要求1～7任一所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：人工对比试块上依次设有一个通孔(1)和三个平底孔(2)，其中三个平底孔(2)的埋深分别为1/4、1/2、3/4试块厚度。
9.按照权利要求8所述的各向同性热解石墨超声成像检测方法，其特征在于：用于各向同性夹杂缺陷灵敏度调节的通孔(1)人工缺陷尺寸为
Figure FDA0002821849090000021
用于各向异性缺陷灵敏度调节的平底孔(2)人工缺陷尺寸为
Figure FDA0002821849090000022
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