CN113125562A - 不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法及系统 - Google Patents

不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，包括以下步骤：根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将不等壁厚锥形环锻件划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域；将不等壁厚锥形环锻件置于超声耦合剂中，超声探头垂直入射等壁厚检测区域的表面进行晶粒组织检测；根据不等壁厚检测区域的上下表面倾斜角度，计算超声探头入射角度，使超声波垂直不等壁厚检测区域的底面入射和反射；根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，并检测出不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域。

Description

不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法及系统
技术领域
本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法及系统，适用于各种倾斜截面不等壁厚环锻件的晶粒组织状况无损检测与评估。
背景技术
晶粒尺寸和晶粒均匀性是材料微观组织的重要特征，晶粒分布情况直接影响金属材料的力学性能和物理性能，在实际生产工艺中是一个必须评估的重要参数。由于环锻件原材料有可能存在晶粒组织问题，以及在环锻件锻造和热处理过程受力不均匀和晶粒生长受干扰等，容易造成环锻件产品内部晶粒粗大和分布不均匀问题。因此全面检测环锻件晶粒组织分布情况是十分迫切的。目前，通常采用金相观测法，对金属零件进行破坏和腐蚀处理等，无法实现终端产品的在线、实时和无损评估。对于金属材料晶粒度超声检测方法，特别是锥形截面和不等厚工件，由于无法监控和接收底面回波，尚未有晶粒组织检测方法。
不等壁厚锥形环锻件广泛应用于航空发动机机匣、运载火箭箭体等，是航空航天工业关键零部件，此类不等壁厚锥形环锻件具有锥形斜面和不等壁厚几何特征，超声波检测难度大，底面回波散射严重，晶粒组织评估困难，难以实现自动化检测，无法满足航空航天工业无损检测的迫切需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法及系统，通过该方法可以实现不等壁厚锥形环锻件不同倾角截面和不等壁厚晶粒组织超声检测与评估，通过该装置可以实现不同尺寸多变形截面环锻件晶粒组织水浸自动全覆盖扫查与实时检测。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，包括以下步骤：
根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将不等壁厚锥形环锻件划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域；
将不等壁厚锥形环锻件置于超声耦合剂中，超声探头垂直入射等壁厚检测区域的表面进行晶粒组织检测；
根据不等壁厚检测区域的上下表面倾斜角度，计算超声探头入射角度，使超声波垂直不等壁厚检测区域的底面入射和反射；
根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，并检测出不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域。
接上述技术方案，根据截面尺寸厚度，按照距离衰减系数进行补偿，消除不等壁厚对底波损失的影响。
接上述技术方案，不等壁厚锥形环锻件平稳转动，超声探头沿环锻件步进扫查和多角度入射。
接上述技术方案，对等壁厚检测区域进行晶粒组织检测的方法具体为：
超声发射初始波P0入射等壁厚检测区域表面后，超声探头首先接收到环锻件上表面界面回波P1，经过上表面垂直入射环锻件内部，在环锻件底面垂直反射，再接收底面反射回波P2；根据散射定律式，得出超声波频率、衰减和晶粒尺寸的关系式如下：
Figure BDA0003015321760000031
式中，d为平均晶粒尺寸，单位um，δ为衰减系数，单位dB/mm，f为超声频率，单位Hz，K为材料系数，n为不同散射类型的系数；
根据底面多次反射回波幅值，计算该区域材料的衰减系数：
Figure BDA0003015321760000032
式中，h为环锻件检测位置的厚度，单位mm；PA、PB为第1、2次的底面回波幅值；
当环锻件的晶粒组织均匀时，底面反射回波为正常幅值P2；当环锻件的晶粒组织不均匀或晶粒组织粗大，超声波能量衰减增大，底面反射回波幅值为P2′，底面回波幅值损失量为PΔ＝P2-P2′，根据超声探头检测位置底部幅值损失量PΔ判定该位置深度方向平均晶粒组织尺寸情况。
接上述技术方案，若环锻件的锥形面的截面上表面倾斜角为θ1，下底面的倾斜角为θ2，通过改变超声探头入射方向，使超声波透过上表面的折射角为β＝|θ1-θ2|，此时超声波可垂直入射底面并原路反射回来；
若采用纵波检测环锻件，假设超声波的入射角为α<α1，其中第一临界角
Figure BDA0003015321760000033
根据Snell折射定律，纵波入射角与折射角满足
Figure BDA0003015321760000034
因此纵波入射角应该设置为：
Figure BDA0003015321760000035
式中，水的纵波声速为cL1，环锻件材料的纵波声速为cL2,环锻件材料的横波声速为cS2；
若采用横波检测环锻件，超声波入射角需满足条件：α1<α<α2，其中第二临界角
Figure BDA0003015321760000041
此时入射角应该设置为：
Figure BDA0003015321760000042
接上述技术方案，若不等壁厚检测区域的壁厚hx随步进距离x变化，不等壁厚检测区域初始位置处的环锻件厚度h1＝h0cosθ2，因此不等壁厚步进距离x处的环锻件壁厚为：
hx＝h1+xsinβ
通过厚度h0的同种材料晶粒均匀试块标定超声波在材料中传播时，因传播距离造成的衰减，定义距离衰减系数
Figure BDA0003015321760000043
根据距离衰减系数δ0对不同深度位置的底面反射回波进行增益补偿，不同厚度h0与hx底波回波声程差为：
Δ＝hx-h0
对于厚度为hx的检测位置，底面回波P3补偿公式为：
Figure BDA0003015321760000044
通过对比补偿后的底面回波幅值Pb3与P2的关系，检测出不等壁厚锥形环锻件倾斜截面沿轴向方向晶粒不均匀现象。
接上述技术方案，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图具体步骤为：
将超声波检测信号底面回波幅值按照超声探头在环锻件上方的对应扫查位置，绘制出底面回波幅值B扫图，各检测位置超声信号底面回波幅值为Pij，将回波幅值大小按色阶显示于B扫图中底面回波幅值Pij的变化情况反映环锻件对应位置晶粒分布情况。
本发明还提供了一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测系统，包括水箱，其内装有超声耦合剂；水箱内设有旋转平台，旋转平台上设有定位机构，用于夹紧不等壁厚的锥形环锻件；旋转平台驱动锥形环锻件绕固定圆心旋转；
水箱上方设有超声探头扫查装置，该超声探头扫查装置包括超声探头、机械手、工控机和角度测量器，超声探头通过探头夹具安装于机械手的执行端，机械手安装于三轴扫查架上，机械手的旋转轴上安装有角度测量器；工控机发送控制信号控制机械手带动超声探头按预定路径扫查；
该系统还包括超声检测仪，与超声探头连接，采集超声探头的超声信号，并上传。
接上述技术方案，探头夹具为三爪卡盘。
接上述技术方案，该系统还包括处理器，该处理器与工控机、超声检测仪无线连接，该处理器读取超声探头的位置信息和超声波检测信号，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域和不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域并显示。
本发明产生的有益效果是：本发明采用完全水浸法超声检测，通过超声自动检测系统控制不等壁厚锥形环锻件平稳旋转，且通过超声探头扫查装置可实现超声探头任意角度入射精确控制和步进扫查。
本发明所提出的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声检测方法，根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，通过绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，实现不等壁厚锥形环锻件晶粒组织自动检测。
进一步地，本发明所提出的距离衰减补偿方法，根据截面尺寸厚度，按照距离衰减系数进行补偿，可以消除不等壁厚对底波损失的影响，可实现不等壁厚锥形环锻件轴向和径向全区域晶粒组织分布检测，对环锻件内部晶粒组织粗大和分布不均有良好的检测效果，检测效率高，可应用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的不等壁厚锥形环锻件超声扫查示意图。
图2是本发明的不等壁厚锥形环锻件超声检测信号示意图。
图3是本发明的底面回波B扫成像示意图。
图4是本发明的不等壁厚锥形环锻件自动检测装置俯视图。
图5是本发明的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声检测系统图。
图中：1-水箱、2-三爪卡盘、3-旋转平台、4-环锻件、5-超声探头、6-机械手、7-超声检测仪、8-工控机、9-电脑、10-角度测量器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，包括以下步骤：
S1、根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将不等壁厚锥形环锻件划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域；
S2、将不等壁厚锥形环锻件置于超声耦合剂中，超声探头垂直入射等壁厚检测区域的表面进行晶粒组织检测；
S3、根据不等壁厚检测区域的上下表面倾斜角度，计算超声探头入射角度，使超声波垂直不等壁厚检测区域的底面入射和反射；
S4、根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，并检测出不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域。
环锻件晶粒组织超声自动检测方法如图1所示，超声探头沿环锻件轴向方向进给扫查，环锻件每旋转一周，超声探头步进一个单位。根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将检测区域划分为等壁厚环锻件晶粒组织检测和不等壁厚环锻件晶粒组织检测。
不等壁厚锥形环锻件A到B范围为等壁厚区域，其晶粒组织检测方法为：
超声检测信号如图2所示，超声发射初始波P0入射工件表面后，超声探头首先接收到工件上表面界面回波P1，经过上表面垂直入射工件内部，在工件底面垂直反射，接收底面反射回波P2。根据散射定律式，可以得出超声波频率、衰减和晶粒尺寸的关系式如下[1]：
Figure BDA0003015321760000071
式中，d(um)为平均晶粒尺寸，δ(dB/mm)为衰减系数，f(Hz)为超声频率，K为材料系数，n为不同散射类型的系数，一般为-4～0。根据底面多次反射回波幅值，可计算该区域材料的衰减系数为：
Figure BDA0003015321760000072
式中，h为零件检测位置的厚度，mm；PA、PB为第1、2次底面回波幅值。
由公式(1)和(2)可知，金属材料晶粒尺寸与超声信号底面回波幅值有直接对应关系，即当超声波频率一定时，金属材料的平均晶粒尺寸越大，超声波衰减程度越大，底面回波幅值越小。因此，当环锻件材料晶粒组织均匀时，底面反射回波为正常幅值P2；当工件材料组织不均匀或晶粒组织粗大，超声波能量衰减增大，底面反射回波幅值为P2′，底面回波幅值损失量为PΔ＝P2-P2′，根据探头检测位置底部幅值损失量PΔ，可判定该位置深度方向平均晶粒尺寸情况。
如图3所示，将超声检测信号底面回波幅值按照探头在环锻件上方的对应扫查位置，绘制出底面回波幅值B扫图，各检测位置超声信号底面回波幅值为Pij，将回波幅值大小按色阶显示于B扫图中，根据底面回波幅值Pij的变化情况，可反映出环锻件对应位置晶粒分布情况，因此该方法可快速检测出环锻件晶粒分布不均匀的位置，并做出标记。通过提取晶粒分布不均匀位置的超声检测信号，可通过公式(1)进一步计算该位置材料的平均晶粒尺寸。
不等壁厚锥形环锻件B到C为不等壁厚倾斜截面区域，其晶粒组织检测方法为：
环锻件截面BC段上表面倾斜角为θ1，下底面的倾斜角为θ2，通过改变探头入射方向，使超声波透过上表面的折射角为β＝|θ1-θ2|，此时声波可垂直入射底面并原路反射回来。若采用纵波检测环锻件，假设声波的入射角为α<α1，其中第一临界角
Figure BDA0003015321760000081
根据Snell折射定律，纵波入射角与折射角满足
Figure BDA0003015321760000082
因此纵波入射角应设置为：
Figure BDA0003015321760000083
式中，水的纵波声速为cL1，材料的纵波声速为cL2,材料的横波声速为cS2。
若采用横波检测环锻件，超声入射角需满足条件：α1<α<α2，其中第二临界角
Figure BDA0003015321760000091
此时入射角应该设置为：
Figure BDA0003015321760000092
如图2所示，超声发射初始波P0入射工件表面后，超声探头首先接收到界面回波P2，经过表面折射进入工件内部，在工件下表面垂直反射，当工件材料晶粒组织均匀时，反射回波为P2；在环锻件旋转过程中，探头沿径向方向检测，工件厚度不变，底面反射回波位置不变，当检测到晶粒组织粗大时，声波散射衰减增大，底波幅值降低，则出现图示小回波P2′，回波幅值下降PΔ。在探头沿轴向步进移动时，工件厚度增加，超声波传播距离增加，底面反射回波时间增加，底波后移且幅值减小，则出现图示小回波P3，若该位置晶粒组织粗大发生散射衰减，声压回波幅值下降TΔ，出现小回波P3′。
进一步可补偿探头轴向步进造成的距离衰减，超声波传播距离衰减补偿方法为：
不等壁厚锥形环锻件AB段内外半径分别为R1和R2，环锻件壁厚为h0＝R2-R1；环锻件BC段壁厚hx随步进距离x变化，初始位置B处的环锻件厚度h1＝h0cosθ2，因此不等壁厚步进距离x处的环锻件壁厚为：
hx＝h1+xsinβ
超声波在同种材料中，由于传播距离增加，超声能量逐渐衰减，通过厚度h0的同种材料晶粒均匀试块，可标定超声波在材料中传播时，因传播距离造成的衰减，定义为距离衰减系数
Figure BDA0003015321760000093
根据距离衰减系数δ0对不同深度位置的底面反射回波进行增益补偿[3]，不同厚度h0与hx底波回波声程差为：
Δ＝hx-h0
对于厚度为hx的检测位置，底面回波P3补偿公式为：
Figure BDA0003015321760000101
通过对比补偿后的底面回波幅值Pb3与P2的关系，可以检测出环锻件BC倾斜截面沿轴向方向晶粒不均匀现象，可消除传播距离增加，导致的底面回波衰减的影响。
实施例2
为了实现上述方法，本发明的一个实施例中，如图4、5所示，构建了一个不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测系统，包括用于收集超声耦合剂的水箱1，水箱1底部设有旋转平台3，旋转平台3上设有用于固定不等壁厚的环锻4的夹紧机构，该夹紧机构可实现环锻件平稳转动。本发明实施例中夹紧机构选用三爪卡盘2，通过三爪卡盘2夹紧锥形环锻件4，旋转平台3驱动环锻件4在固定圆心旋转。
水箱1上方设有超声探头扫查装置，包括超声探头5、机械手6、工控机8和角度测量器10，超声探头5通过探头夹具安装于机械手6执行端，机械手6安装于三轴扫查架上，机械手6旋转轴上安装有角度测量器10；工控机8发送控制信号，控制机械手6带动超声探头5按预定路径扫查，进而实现超声探头5沿环锻件4轴向方向步进扫查和多角度入射。超声探头扫查装置和环锻件旋转平台联动控制，实现超声探头沿环锻件步进式扫查和超声检测软件底面回波B扫成像，进而实现不等壁厚锥形环锻件晶粒组织全覆盖检测。
根据上述实施例搭建的系统，利用不等壁厚环锻件晶粒组织检测方法进行检测。根据环锻件4截面形状，计算各区域超声波入射角度，保证超声波垂直入射环锻件4底面并反射，通过机械手6控制超声探头5按预设角度旋转，角度测量器10实时显示入射角度，实现超声波底面垂直入射。工控机8发送控制指令，控制旋转平台3转动，带动环锻件4旋转，通过工控机8预设程序，实现旋转平台3和机械手6联动，实现环锻件4旋转每一周，超声探头5沿轴向步进一个单元。通过控制程序，依次完成环锻件4不同角度倾斜截面全覆盖扫查。工控机8控制旋转平台3旋转和机械手6联动扫查，实现环锻件4全覆盖自动检测。电脑9上安装有超声检测软件，包括超声信号处理与晶粒组织评估功能，可实现超声信号底波B扫实时绘制与监控。通过该装置可以实现不同尺寸厚度的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声无损检测与评估，该装置结构简单，检测效率高，有很好的工业应用价值。
该系统还包括超声检测仪7、处理器(本发明实施例选用电脑9)，处理器中可以安装执行根据上述超声自动检测方法编制的超声检测软件，超声检测仪7采集超声探头5的超声信号，实时传输至电脑9，工控机8将旋转平台3的角度信息和机械手6的位置信息通过以太网实时传输至电脑9。电脑9上安装有超声检测软件，超声检测软件读取超声探头5的位置信息和超声检测信号，通过底波B扫绘制方法，将超声探头5采集的底波信号幅值实时显示在电脑9上，并与超声探头5的位置对应，底波B扫图可观察环锻件4轴向和径向各位置晶粒组织分布情况。平均晶粒度计算方法可提取晶粒分布不均匀区域超声信号，对该区域晶粒度进一步评估。通过该系统可实现环锻件4晶粒组织全区域实时检测，检测方法简单，检测效率高。
实施例3
本实施例的不等壁厚锥形环锻件内半径R1＝223mm，外半径R2＝255mm，外表面倾斜角为θ1＝20°，内表面的倾斜角为θ2＝50°，环锻件AB段高度为55mm，BC段高度为120mm，材料为TC2钛合金，纵波声速6163m/s，液体声速为1480m/s。
该实施例中，不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法具体包括以下步骤：
Step1：将环锻件4检测区域划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域，AB段等壁厚区域，探头垂直上表面入射，BC段不等壁厚区域，按超声波底面垂直入射方法，计算超声探头纵波折射角度为β＝30°，则纵波入射角α＝6.9°；
Step2：根据环锻件4的内外半径，计算环锻件BC段壁厚随步进距离x的变化值hx＝20.57+0.5x(mm)，按标准试块距离衰减系数δ0，对hx厚度位置的超声检测底波信号进行衰减补偿，进而消除截面尺寸厚度对底波幅值的影响；
Step3：将环锻件4放置于水箱1内，通过三爪卡盘2固定夹紧环锻件4，实现环锻件4圆心定位，准备开始检测；
Step4：根据环锻件4几何尺寸，设定环锻件4边缘位置为超声探头检测初始位置，通过工控机8设定运动控制程序，AB段超声探头垂直入射，BC段通过机械手6和角度测量器10调整入射角为α＝6.9°；
Step5：根据工控机8的控制程序，旋转平台3驱动环锻件4平稳旋转，机械手6带动超声探头5按预设路径运动，即环锻件4旋转一周，超声探头5步进一个单元；
Step6：超声检测仪7将超声信号实时传输至电脑9，工控机8将探头位置信息通过以太网传输至电脑9，超声检测软件读取超声检测信号和探头位置信号，绘制底波B扫图，对底波损失严重位置做出标记；
Step7：重复步骤Step5～Step6，直到超声探头5移动到环锻件4最底部位置，完成环锻件4全区域晶粒组织检测。
本发明采用完全水浸法超声检测，可实现超声探头多自由度旋转扫查，不等壁厚锥形环锻件定位夹紧装置可实现环锻件定位、夹紧与平稳旋转，超声探头扫查装置通过多自由度机械手实现超声探头任意角度入射精确控制和步进扫查。
所提出的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声检测方法，根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，通过绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，实现不等壁厚锥形环锻件晶粒组织自动检测。
根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将不等壁厚锥形环锻件划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域；等壁厚检测区域根据底面回波幅值损失量，评估检测区域晶粒尺寸；不等壁厚检测区域，根据环锻件截面倾斜角度，计算超声探头入射角度，进而保证超声波垂直底面入射和反射。所提出的距离衰减补偿方法，根据截面尺寸厚度，按照距离衰减系数进行补偿，可以消除不等壁厚对底波损失的影响，可实现不等壁厚锥形环锻件轴向和径向全区域晶粒组织分布检测，对环锻件内部晶粒组织粗大和分布不均有良好的检测效果，检测效率高，可应用性强。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据不等壁厚锥形环锻件截面形状尺寸，将不等壁厚锥形环锻件划分为等壁厚检测区域和不等壁厚检测区域；
将不等壁厚锥形环锻件置于超声耦合剂中，超声探头垂直入射等壁厚检测区域的表面进行晶粒组织检测；
根据不等壁厚检测区域的上下表面倾斜角度，计算超声探头入射角度，使超声波垂直不等壁厚检测区域的底面入射和反射；
根据底面反射回波幅值与晶粒组织的对应关系，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域，并检测出不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域。
2.根据权利要求1所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，根据截面尺寸厚度，按照距离衰减系数进行补偿，消除不等壁厚对底波损失的影响。
3.根据权利要求1所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，不等壁厚锥形环锻件平稳转动，超声探头沿环锻件步进扫查和多角度入射。
4.根据权利要求1所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，对等壁厚检测区域进行晶粒组织检测的方法具体为：
超声发射初始波P0入射等壁厚检测区域表面后，超声探头首先接收到环锻件上表面界面回波P1，经过上表面垂直入射环锻件内部，在环锻件底面垂直反射，再接收底面反射回波P2；根据散射定律式，得出超声波频率、衰减和晶粒尺寸的关系式如下：
Figure FDA0003015321750000021
式中，d为平均晶粒尺寸，单位um，δ为衰减系数，单位dB/mm，f为超声频率，单位Hz，K为材料系数，n为不同散射类型的系数；
根据底面多次反射回波幅值，计算该区域材料的衰减系数：
Figure FDA0003015321750000022
式中，h为环锻件检测位置的厚度，单位mm；PA、PB为第1、2次的底面回波幅值；
当环锻件的晶粒组织均匀时，底面反射回波为正常幅值P2；当环锻件的晶粒组织不均匀或晶粒组织粗大，超声波能量衰减增大，底面反射回波幅值为P2′，底面回波幅值损失量为PΔ＝P2-P2′，根据超声探头检测位置底部幅值损失量PΔ判定该位置深度方向平均晶粒组织尺寸情况。
5.根据权利要求1所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，若环锻件的锥形面的截面上表面倾斜角为θ1，下底面的倾斜角为θ2，通过改变超声探头入射方向，使超声波透过上表面的折射角为β＝|θ1-θ2|，此时超声波可垂直入射底面并原路反射回来；
若采用纵波检测环锻件，假设超声波的入射角为α<α1，其中第一临界角
Figure FDA0003015321750000023
根据Snell折射定律，纵波入射角与折射角满足
Figure FDA0003015321750000024
因此纵波入射角应该设置为：
Figure FDA0003015321750000025
式中，水的纵波声速为cL1，环锻件材料的纵波声速为cL2,环锻件材料的横波声速为cS2；
若采用横波检测环锻件，超声波入射角需满足条件：α1<α<α2，其中第二临界角
Figure FDA0003015321750000031
此时入射角应该设置为：
Figure FDA0003015321750000032
6.根据权利要求5所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，若不等壁厚检测区域的壁厚hx随步进距离x变化，不等壁厚检测区域初始位置处的环锻件厚度h1＝h0cosθ2，因此不等壁厚步进距离x处的环锻件壁厚为：
hx＝h1+xsinβ
通过厚度h0的同种材料晶粒均匀试块标定超声波在材料中传播时，因传播距离造成的衰减，定义距离衰减系数
Figure FDA0003015321750000033
根据距离衰减系数δ0对不同深度位置的底面反射回波进行增益补偿，不同厚度h0与hx底波回波声程差为：
Δ＝hx-h0
对于厚度为hx的检测位置，底面回波P3补偿公式为：
Figure FDA0003015321750000034
通过对比补偿后的底面回波幅值Pb3与P2的关系，检测出不等壁厚锥形环锻件倾斜截面沿轴向方向晶粒不均匀现象。
7.根据权利要求1所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测方法，其特征在于，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图具体步骤为：
将超声波检测信号底面回波幅值按照超声探头在环锻件上方的对应扫查位置，绘制出底面回波幅值B扫图，各检测位置超声信号底面回波幅值为Pij，将回波幅值大小按色阶显示于B扫图中底面回波幅值Pij的变化情况反映环锻件对应位置晶粒分布情况。
8.一种不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测系统，其特征在于，包括水箱，其内装有超声耦合剂；水箱内设有旋转平台，旋转平台上设有定位机构，用于夹紧不等壁厚的锥形环锻件；旋转平台驱动锥形环锻件绕固定圆心旋转；
水箱上方设有超声探头扫查装置，该超声探头扫查装置包括超声探头、机械手、工控机和角度测量器，超声探头通过探头夹具安装于机械手的执行端，机械手安装于三轴扫查架上，机械手的旋转轴上安装有角度测量器；工控机发送控制信号控制机械手带动超声探头按预定路径扫查；
该系统还包括超声检测仪，与超声探头连接，采集超声探头的超声信号，并上传。
9.根据权利要求8所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测系统，其特征在于，探头夹具为三爪卡盘。
10.根据权利要求8所述的不等壁厚锥形环锻件晶粒组织超声自动检测系统，其特征在于，该系统还包括处理器，该处理器与工控机、超声检测仪无线连接，该处理器读取超声探头的位置信息和超声波检测信号，绘制环锻件各位置底面回波幅值B扫图，标记底波幅值损失严重区域和不等壁厚锥形环锻件晶粒尺寸粗大和分布不均匀区域并显示。
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