CN113686961A - 曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法及系统 - Google Patents

曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，包括步骤：首先根据曲面零件的几何特征，制作相同曲率的凸面和凹面标准试块；采用水浸相控阵全聚焦系统检测曲面试块，绘制缺陷定量判定DAC三维曲面；将待测曲面零件浸入水中，采用相同参数检测待测曲面零件的相应曲面区域，获得全矩阵数据并生成全聚焦图像，根据缺陷出现的位置在曲面极坐标系中找到在缺陷距离‑幅值DAC曲线中的标定值，若缺陷回波幅值超过缺陷距离‑幅值DAC曲面高度，则判定该缺陷尺寸超过标定尺寸，记录该缺陷位置和尺寸。本发明有效解决了曲面零件超声全聚焦缺陷回波幅值不均匀，缺陷定量评价困难等问题。

Description

曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法及系统
技术领域
本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，适用于不同曲率凸面/凹面几何特征的金属零件缺陷定量检测。
背景技术
随着航空航天、风电轴承、石油化工等工业快速发展，对复杂曲面零部件的需求越来越多，这些具有曲面形状的零部件的质量无损检测对设备可靠性和寿命安全有重要作用。超声相控阵由多个阵元组成，可接收多角度反射回波信号，具有更高的检测灵敏度和适应性，对于曲面零件的超声检测具有优势。但是，采用超声相控阵检测曲面构件时，由于各阵元在曲面界面的声束入射角不同，造成曲面内部的声场分布不均匀，不同圆心角位置的声场强度不同，因此缺陷幅值存在差异，目前尚未对曲面全聚焦声场的测量和校准展开研究，因此曲面全聚焦成像的缺陷定量评估难度更大。
目前针对复杂曲面构件，一般采用超声相控阵柔性探头或者曲面阵列探头，此类探头采用接触式检测，存在耦合条件不稳定，检测效率低等问题，无法实现超声自动化检测。因此，如何开发水浸超声相控阵全聚焦缺陷定量检测方法，实现工业自动化快速检测是急需解决的问题。在超声检测中，通常采用缺陷距离-幅值(DAC)曲线来描述缺陷距离、幅值和当量尺寸的关系，用于对缺陷的定量检测。同一当量的缺陷随着深度的增大，其缺陷幅值逐渐递减，因此，将同一当量尺寸的缺陷在不同深度的反射回波幅值连成一条曲线，可用于判定缺陷在不同深度位置的当量尺寸。对于曲面零件的超声全聚焦检测，缺陷不仅在深度方向有衰减，在圆周方向也存在衰减，因此，传统的DAC曲线缺陷定量评估方法无法应用于曲面零件的检测，曲面零件的超声定量检测难度更大。目前关于全聚焦缺陷尺寸的评价尚未有具体可行的方法，因此难以实现工业应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种检测灵敏度更高，检测结果更加直观，且可以实现具有不同曲率凸面/凹面截面几何特征的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，包括以下步骤：
用相同材料制作与待测曲面零件上的凸面或者凹面相同的曲面标准试块，且在同一曲面标准试块上加工n个相同的曲面和缺陷，每个缺陷与相应曲面圆心的距离根据实时精度递增；
将曲面标准试块放置于旋转平台上，使曲面标准试块中的其中一个曲面与旋转平台同圆心并绕圆心旋转，将超声相控阵探头移动至曲面标准试块中心轴线上方，使超声相控阵探头距离曲面圆弧中心点为一定水层高度，分别对曲面标准试块上的n个缺陷进行标定，得到用于缺陷当量判定的缺陷距离-幅值DAC曲线；
将待测曲面零件浸入水中，采用相同参数检测待测曲面零件的相应曲面区域，获得全矩阵数据并生成全聚焦图像，根据缺陷出现的位置在曲面极坐标系中找到在缺陷距离-幅值DAC曲线中的标定值，判定缺陷尺寸当量，若缺陷回波幅值超过缺陷距离-幅值DAC曲面高度，则判定该缺陷尺寸超过标定尺寸，记录该缺陷位置和尺寸。
接上述技术方案，标定时，具体根据待测曲面零件材料属性和曲面曲率，选择合适的超声相控阵探头和检测参数，探头阵列宽度覆盖曲面待测区域，水层高度h满足：
Figure BDA0003215708490000021
H为最大检测深度，c1为水中的声速，c2为金属零件中的声速。
接上述技术方案，假设待测曲面零件包括多个凸面和多个凹面几何特征，凸面和凹面的圆弧段对应圆心角为
Figure BDA0003215708490000031
标定过程包括：
利用旋转平台驱动曲面标准试块绕曲面圆心旋转，步进度数为θ0，从最左端的-
Figure BDA0003215708490000032
旋转至右端的
Figure BDA0003215708490000033
每旋转θ0采集一次全矩阵数据，总共获得其中一个缺陷在相应圆弧线上不同位置的N组全矩阵数据
Figure BDA0003215708490000034
记录该圆弧线上的一组缺陷最大幅值数据；
依次检测曲面标准试块上的n个缺陷，依次获得n个不同深度的缺陷在相应圆弧线上的最大幅值数据，完成曲面极坐标系内所有网格点位置的缺陷幅值检测；
将曲面极坐标系所有网格点的缺陷幅值进行插值运算和曲面拟合，得到在圆心角和极半径两个方向的缺陷当量判定的缺陷距离-幅值DAC三维曲面。
接上述技术方案，分别在曲面标准试块上深度为2mm到8mm，间隔1mm的位置加工缺陷，按照航空检测标准与要求，加工缺陷当量尺寸为0.8mm，缺陷数量为n＝7个。
接上述技术方案，根据检测深度范围H，在间隔H/n的深度位置加工n个直径与待测曲面零件上曲面直径相同的横通孔缺陷。
本发明还提供了一种水浸超声全聚焦检测系统，其特征在于，用于实现上述曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，该水浸超声全聚焦检测系统包括计算机、超声相控阵检测仪、超声相控阵探头和装有耦合剂的水箱；超声相控阵检测仪通过超声相控阵探头采集全矩阵数据，传输至计算机；
该系统还包括旋转平台，其上设置有四爪卡盘，用于曲面标准试块和待测曲面零件的固定和对心，通过旋转平台驱动曲面标准试块或者待测曲面零件绕圆心旋转；其中，曲面标准试块为用相同材料制作的、具有与待测曲面零件上的凸面或者凹面相同的曲面，且在同一曲面标准试块上加工n个相同的曲面和缺陷，每个缺陷与相应曲面圆心的距离根据实时精度递增。
本发明所达到的有益效果：本发明所提出的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，可实现不同曲率凸面/凹面几何特征金属零件超声全聚焦成像和缺陷尺寸定量检测。根据凸面和凹面圆弧半径，设计了带有人工缺陷的曲面标准试块，所提出的曲面标准试块旋转检测方法，可采集缺陷在圆弧线上不同位置的一系列缺陷幅值，大大节省缺陷加工数量，避免了一个试块上多个缺陷超声信号的相互干扰问题；所提出缺陷标定方法，可覆盖曲面极坐标系的所有网格点；所提出的曲面全聚焦缺陷尺寸判定DAC三维曲面，可判定曲面零件不同深度和不同圆心角的二维极坐标系内任意位置的缺陷当量尺寸。该方法有效解决了曲面全聚焦成像缺陷回波幅值不均，缺陷定量检测困难等问题。
附图说明
图1是本发明的水浸超声全聚焦检测系统；
图2是本发明的曲面区域极坐标网格划分示意图；
图3是本发明的曲面标准试块设计示意图；
图4是本发明的曲面标准试块旋转检测示意图；
图5是本发明的具体实施例中某异型环锻件尺寸图；
图6是本发明的具体实施例中设计的曲面标准试块尺寸图；
图7是本发明的具体实施例中缺陷定量判定DAC三维曲面图。
图中：1-计算机、2-超声相控阵检测仪、3-超声相控阵探头、4-水箱、5-曲面标准试块、6-四爪卡盘、7-旋转平台。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，通过建立曲面极坐标系，在圆心角和极半径两个方向上标定人工缺陷，利用全聚焦实验测量缺陷最大幅值，用于绘制缺陷定量判定的距离-幅值(DAC)三维曲面。具体方法如下：首先根据曲面零件的几何特征，制作相同曲率的凸面和凹面标准试块；采用水浸相控阵全聚焦系统检测曲面试块，通过旋转曲面试块获取圆弧线上一系列缺陷最大幅值，按照此方法依次获取缺陷在圆心角和极半径两个方向的最大幅值数据集，运用数据插值和三维曲面拟合，绘制用于缺陷定量判定的DAC三维曲面。本发明利用DAC三维曲面，可实现曲面零件在周向和径向极坐标系内任意位置的缺陷当量尺寸判定，有效解决了曲面零件超声全聚焦缺陷回波幅值不均匀，缺陷定量评价困难等问题，对于曲面零件超声自动化工业检测具有重要的应用价值。
如图1所示，本发明实施例采用的水浸超声全聚焦检测系统包括计算机1、超声相控阵检测仪2、超声相控阵探头3和装有耦合剂的水箱4；超声相控阵检测仪2通过超声相控阵探头3采集全矩阵数据，传输至计算机1中储存，利用超声检测软件实现全聚焦成像并提取缺陷位置的最大幅值。旋转平台7上设置有四爪卡盘6，用于曲面标准试块5和待测曲面零件的固定和对心，曲面标准试块5上加工了人工缺陷；通过旋转平台7驱动曲面标准试块5绕圆心旋转，可采集缺陷在不同圆心角的圆弧线上一系列回波幅值。利用计算机、超声相控阵检测仪和超声相控阵探头采集全矩阵超声信号并进行全聚焦成像。
本发明所提出的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)：根据待测曲面零件材料属性和曲面曲率，选择合适探头和检测参数，所述探头阵列宽度需覆盖曲面待测区域，水层高度h需满足：
Figure BDA0003215708490000061
H为最大检测深度，c1为水中的声速，c2为金属零件中的声速；
步骤(2)：假设待测曲面零件包括多个凸面(半径分别为ri,i＝1,2,3)和多个凹面(半径分别为Ri,i＝1,2,3)几何特征，凸面和凹面的圆弧段对应圆心角为
Figure BDA0003215708490000062
分别制作相同材料和相同曲率的凸面和凹面的曲面标准试块；如图6所示，如具有相同凸面的曲面标准试块包括n个相同凸面，且每个凸面对应一个深度的缺陷，可将缺陷制作成通孔。具有相同凹面的曲面标准试块包括n个相同凹面，且每个凹面对应一个深度的缺陷。每个曲面标准试块上的缺陷深度根据测量精度依次递增或者递减。
步骤(3)：将曲面标准试块放置于旋转平台上，使曲面标准试块与旋转平台同圆心，将超声相控阵探头移动至曲面标准试块中心轴线上方，使探头距离曲面圆弧中心点的水层高度为h；
步骤(4)：采用超声相控阵设备检测曲面标准试块，采集曲面标准试块该位置的全矩阵数据，利用全矩阵数据进行全聚焦成像，提取图像中缺陷位置的最大幅值，记录该缺陷的极坐标位置为(ρ1,θ)，该位置缺陷的最大幅值为
Figure BDA0003215708490000063
步骤(5)：如图4所示，在保证其他检测参数不变的前提下，利用旋转平台驱动曲面标准试块绕圆心旋转，步进度数为θ0，从最左端的-
Figure BDA0003215708490000064
旋转至右端的
Figure BDA0003215708490000065
每旋转θ0采集一次全矩阵数据，总共获得该缺陷在半径ρ1圆弧线上不同位置的N组全矩阵数据
Figure BDA0003215708490000066
所有的数据是在相同的增益条件下采集，采用全聚焦成像获取半径为ρ1圆弧线上的一组缺陷最大幅值数据，即
Figure BDA0003215708490000067
步骤(6)：重复步骤(3-5)依次检测n个曲面标准试块，依次获得n个不同深度的圆弧线上缺陷的最大幅值数据
Figure BDA0003215708490000068
即完成曲面极坐标系内所有网格点位置的缺陷幅值；
步骤(7)：将曲面极坐标系所有网格点的缺陷幅值进行插值运算和曲面拟合，得到在圆心角和极半径两个方向的缺陷当量判定DAC三维曲面；
步骤(8)：将待测曲面零件浸入水中，采用相同参数检测零件凸面和凹面区域，获得全矩阵数据并生成全聚焦图像，根据缺陷出现的位置(ρi,θx)，在极坐标系中找到DAC曲线标定值，判定缺陷尺寸当量，若缺陷回波幅值超过DAC曲面高度，则判定该缺陷尺寸超过标定尺寸，记录该缺陷位置和尺寸。
上述超声相控阵全聚焦成像算法是通过超声检测软件采集全矩阵数据，将所有发射-接收阵元组合在依次在聚焦点进行幅值叠加，为现有技术，在这里不再详述。
作为本发明的优选方案，步骤(2)中,曲面标准试块的设计方法如下：
如图2所示，在曲面待测区域建立极坐标系并划分网格，分别测量曲面极坐标系不同深度圆弧线上网格点的声压值，即可完成曲面全聚焦声场的测量；
如图3所示，为测量曲面极坐标系网格点的声压值，需采集相同缺陷在各网格点位置的最大幅值。采用与待测曲面零件相同的材料设计曲率为r的凸面标准试块和曲率为R的凹面标准试块，根据检测深度范围H，在间隔H/n的深度位置加工n个直径为d的横通孔缺陷。该方法可保证每个缺陷的独立检测，避免多个缺陷在一个试块内的信号相互干扰，影响缺陷幅值标定精度；另外通过试块旋转检测，可检测缺陷在圆弧线上不同圆心角度位置的缺陷幅值，节省圆弧线上缺陷加工的数量。人工缺陷横通孔直径d根据该零件的检测标准和要求确定。
作为本发明的优选方案，步骤(7)中，极坐标系内缺陷当量判定DAC三维曲面绘制方法如下：
步骤(2)-(6)，在统一增益条件下，采集了曲面区域极坐标系内所有网格点的缺陷回波幅值，获得n个不同深度圆弧线上缺陷的最大幅值数据
Figure BDA0003215708490000071
首先，为保证曲线的光滑性，采用3次样条差值法，对极坐标二维数据
Figure BDA0003215708490000081
进行插值，扩充缺陷幅值数据量，提高曲面拟合精度。然后，将插值后的极坐标缺陷幅值数据
Figure BDA0003215708490000082
进行曲面拟合，得到缺陷定量判定DAC三维曲面，拟合的DAC三维曲面覆盖待测曲面零件的曲面极坐标区域，包含圆心角和极半径两个方向的信息。
本发明的另一实施例中，如图5所示，该实施例的目标航空发动机机匣环锻件，该曲面零件存在大量凹面倒角待测区域，其凹面半径为R＝5mm，凹面圆弧对应的圆心角为
Figure BDA0003215708490000083
材料为高温合金，耦合剂为水。
步骤(1)：针对R＝5mm小尺寸凹面圆弧，选择16阵元，频率10MHz，阵元间距为0.25mm的小型线性相控阵探头，最大检测深度H＝8mm，水层高度h＝5mm；
步骤(2)：如图6所示，采用待测曲面零件相同的材料，制作凹面标准试块，分别在深度为2mm到8mm，间隔1mm的位置加工缺陷，按照航空检测标准与要求，加工缺陷当量尺寸为0.8mm，缺陷数量为n＝7个；
步骤(3)：将曲面标准试块5放置于旋转平台7上，使曲面标准试块5与旋转平台7同圆心，超声相控阵探头3移动至曲面标准试块5凹面圆弧中心上方，使探头距离曲面圆弧中心点的水层高度为h＝5mm；
步骤(4)：采用超声相控阵检测仪2检测曲面标准试块5，采集曲面标准试块该位置的全矩阵数据，记录缺陷偏离中心轴线的圆心角，利用全矩阵数据计算该位置的全聚焦图像，该缺陷的极坐标位置为(ρ1,θ)，则该位置缺陷的最大幅值记录为
Figure BDA0003215708490000084
步骤(5)：如图3所示，在保证其他检测参数不变的前提下，利用旋转平台驱动曲面标准试块绕圆心旋转，步进度数为2.5°，从最左端的-22.5°旋转至右端的22.5°。每旋转2.5°采集一次全矩阵数据，总共获得该缺陷在半径ρ1圆弧线上不同位置的N＝19组全矩阵数据，所有的数据是在相同的增益条件下采集，采用全聚焦成像获取半径为ρ1圆弧线上的一组缺陷最大幅值数据，即
Figure BDA0003215708490000091
步骤(6)：重复步骤(3)-(5)依次检测曲面标准试块7个缺陷，依次获得7个不同深度圆弧线上缺陷的最大幅值数据
Figure BDA0003215708490000092
如下:1所示，即完成曲面极坐标系内所有网格点位置的缺陷幅值采集，统计于表1中：
表1：曲面极坐标系内各位置缺陷幅值数据
Figure BDA0003215708490000093
步骤(7)：如图7所示，采用3次样条差值法，将曲面极坐标系所有网格点的缺陷幅值进行三维曲面插值和曲面拟合，得到在缺陷当量判定DAC三维曲面，此三维曲面包含缺陷在圆心角和极半径两个方向的信息；
步骤(8)：将待测曲面零件浸入水中，采用相同参数检测零件凹面区域，获得全矩阵数据并生成全聚焦图像，提取缺陷最大幅值，根据缺陷出现的位置(ρi,θx)，在极坐标系中找到DAC曲线标定值，判定缺陷尺寸当量，若缺陷回波幅值超过DAC曲面高度，则判定该缺陷尺寸超过标定尺寸，记录该缺陷位置和尺寸。
综上，本发明采用水浸超声全聚焦检测方法检测曲面零件，通过设计凸面和凹面标准试块，制作极坐标系内曲面区域的缺陷判定DAC三维曲面，可实现复杂曲面零件的缺陷定量检测与评估，检测灵敏度高，容易实现工业自动化检测与评价。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
用相同材料制作与待测曲面零件上的凸面或者凹面相同的曲面标准试块，且在同一曲面标准试块上加工n个相同的曲面和缺陷，每个缺陷与相应曲面圆心的距离根据实时精度递增；
将曲面标准试块放置于旋转平台上，使曲面标准试块中的其中一个曲面与旋转平台同圆心并绕圆心旋转，将超声相控阵探头移动至曲面标准试块中心轴线上方，使超声相控阵探头距离曲面圆弧中心点为一定水层高度，分别对曲面标准试块上的n个缺陷进行标定，得到用于缺陷当量判定的缺陷距离-幅值DAC曲线；
将待测曲面零件浸入水中，采用相同参数检测待测曲面零件的相应曲面区域，获得全矩阵数据并生成全聚焦图像，根据缺陷出现的位置在曲面极坐标系中找到在缺陷距离-幅值DAC曲线中的标定值，判定缺陷尺寸当量，若缺陷回波幅值超过缺陷距离-幅值DAC曲面高度，则判定该缺陷尺寸超过标定尺寸，记录该缺陷位置和尺寸。
2.根据权利要求1所述的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，其特征在于，标定时，具体根据待测曲面零件材料属性和曲面曲率，选择合适的超声相控阵探头和检测参数，探头阵列宽度覆盖曲面待测区域，水层高度h满足：
Figure FDA0003215708480000011
H为最大检测深度，c1为水中的声速，c2为金属零件中的声速。
3.根据权利要求2所述的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，其特征在于，假设待测曲面零件包括多个凸面和多个凹面几何特征，凸面和凹面的圆弧段对应圆心角为
Figure FDA0003215708480000012
标定过程包括：
利用旋转平台驱动曲面标准试块绕曲面圆心旋转，步进度数为θ0，从最左端的
Figure FDA0003215708480000021
旋转至右端的
Figure FDA0003215708480000022
每旋转θ0采集一次全矩阵数据，总共获得其中一个缺陷在相应圆弧线上不同位置的N组全矩阵数据
Figure FDA0003215708480000023
记录该圆弧线上的一组缺陷最大幅值数据；
依次检测曲面标准试块上的n个缺陷，依次获得n个不同深度的缺陷在相应圆弧线上的最大幅值数据，完成曲面极坐标系内所有网格点位置的缺陷幅值检测；
将曲面极坐标系所有网格点的缺陷幅值进行插值运算和曲面拟合，得到在圆心角和极半径两个方向的用于缺陷当量判定的缺陷距离-幅值DAC三维曲面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，其特征在于，分别在曲面标准试块上深度为2mm到8mm，间隔1mm的位置加工缺陷，按照航空检测标准与要求，加工缺陷当量尺寸为0.8mm，缺陷数量为n＝7个。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，其特征在于，根据检测深度范围H，在间隔H/n的深度位置加工n个直径与待测曲面零件上曲面直径相同的横通孔缺陷。
6.一种水浸超声全聚焦检测系统，其特征在于，用于实现权利要求1中所述的曲面零件超声全聚焦缺陷定量检测方法，该水浸超声全聚焦检测系统包括计算机、超声相控阵检测仪、超声相控阵探头和装有耦合剂的水箱；超声相控阵检测仪通过超声相控阵探头采集全矩阵数据，传输至计算机；
该系统还包括旋转平台，其上设置有四爪卡盘，用于曲面标准试块和待测曲面零件的固定和对心，通过旋转平台驱动曲面标准试块或者待测曲面零件绕圆心旋转；其中，曲面标准试块为用相同材料制作的、具有与待测曲面零件上的凸面或者凹面相同的曲面，且在同一曲面标准试块上加工n个相同的曲面和缺陷，每个缺陷与相应曲面圆心的距离根据实时精度递增。
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