CN1865981A - 铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法，包括下述步骤：首先选取与被测铝合金板相同厚度、相同型号的铝合金试件，按照检测步骤制作标准N_v－P曲线，接收探头接收穿过被测铝合金板检测部位的超声信号以后，经宽频带放大器放大，再由超声信号采样装置将采样信号输入计算机中，利用频谱分析软件对采样的超声信号进行快速离散傅立叶变换获得超声信号幅频图，按照公式计算幅频图上有效频带范围内的相对有效谱功率P，在N_v－P标准曲线上，根据计算出的P值即可查出对应的夹杂物体积百分数N_v。利用上述对超声检测信号进行频谱分析的方法，实现了对铝合金0.8mm以下细小夹杂物的无损检测。

Description

铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金细小夹杂物检测方法，特别是铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法。

背景技术

铝合金是用来制造航空、航天器的重要材料。但是国产的铝合金板材，常常存在不同程度的夹杂物缺陷。夹杂物对合金的性能、产品质量和生产加工过程带来严重危害。

文献“铝合金熔炼与铸造，广东科技出版社，罗启全编，2002.”述及到：线度达到0.02～0.03mm以上的夹杂物对铝合金性能的影响主要有以下几点：

1.割断金属和合金的组织，使零件产生渗漏，并成为产生腐蚀的根源，降低合金的力学性能，特别是疲劳性能、冲击韧性和延伸率；

2.降低液态金属的流动性；

3.恶化切削加工性能；

4.促使铸件在加工过程中开裂；

5.使合金在热处理过程起泡。

公知的检测铝合金夹杂物的方法是直接通过高频示波器上显示的超声检测信号波形的幅值来直观判断夹杂物的大小，对于检测大尺寸的夹杂物时，是有较高灵敏度的，但当夹杂物尺寸在0.8mm以下时，虽然超声检测信号波形中包含了夹杂物信息，但仅从超声检测信号波形的幅值已很难判断出来。

发明内容

为了克服现有技术无法对铝合金板材0.8mm以下的细小夹杂物进行无损检测的不足，本发明提供一种铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法，包括下述步骤：

1)选取与被测铝合金板相同厚度、相同型号的铝合金试件，在铝合金试件上选取三个检测部位A、B、C，对其分别进行超声检测，将采样得到的超声信号输入计算机进行快速离散傅立叶变换，从而获得检测部位A、B、C的超声信号幅频图，按照公式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 计算各幅频图上有效频带范围内的相对有效谱功率P，)在检测部位A、B、C分别选取II-II截面、I-I截面、III-III截面三个截面制作金相磨片，对三个截面上进行测量并统计夹杂物的尺寸及数量，然后计算出三个截面的夹杂物面密度，再运用牛顿-柯特斯公式计算出有效检测空间的夹杂物体积百分数N_V，根据N_V与P之间的对应关系，制作标准N_V-P曲线，并对曲线进行拟合，拟合的指数曲线如下：

                     P＝2×10^-2exp(-aNv)

式中，系数a根据实际标准N_V-P曲线导出；

2)调整被测铝合金板在夹具中的位置，使发射探头和接收探头对称地置于被测铝合金板检测部位的两侧；

3)启动超声信号发射仪发出电脉冲信号，激励发射探头发射超声波，穿过被测铝合金板的超声信号为接收探头接收后，经宽频带放大器放大，再由超声信号采样装置将采样信号输入计算机中，利用频谱分析软件对采样的超声信号进行快速离散傅立叶变换获得超声信号幅频图；

4)按式λ/D＜1，fe＝c/λ来确定谐波频率fe，然后按式Δfe＝fe±0.15fe确定有效频带宽度Δfe；

式中λ为超声波长，D为被检材料的平均晶粒直径，c为超声纵波在被测铝合金板中的声速；

5)利用获得的超声信号幅频图，按照公式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 计算有效频带范围内的相对有效谱功率P；

式中x(k)为离散傅立叶变换函数；x(n0)为有效频谱宽度的下限位置谱线幅值；x(n1)为有效频谱宽度的上限位置幅值；

6)在N_V-P标准曲线上，根据计算出的P值即可查出对应的夹杂物体积百分数N_V。

本发明的有益效果是，由于采用谱分析的方法，将采样得到的超声检测信号波形进行快速离散傅立叶变换获得超声信号幅频图，通过计算幅频图上有效频段内的相对谱功率可实现对铝合金0.8mm以下细小夹杂物的检测。

附图说明

图1是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法用检测装置示意图。

图2是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法用N_V-P曲线。

图3是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法被测铝合金板检测区域及截面位置示意图。

图4是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法被测铝合金板检测区域A超声信号的频谱图。

图5是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法被测铝合金板检测区域B超声信号的频谱图。

图6是本发明铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法被测铝合金板检测区域C超声信号的频谱图。

图中，1-超声信号发射仪，2-发射探头，3-计算机，4-弹簧压盖，5-弹簧，6-夹具，7-铝合金板，8-接收探头，9-宽频带放大器，10-高频示波器，11-超声信号采样装置，13-II-II截面，14-I-I截面，15-III-III截面。

具体实施方式

参照图1～3。被检测的铝合金板7放置在夹具6中，发射探头2和接收探头8对称地置于铝合金板7的两边，调整弹簧压盖4通过弹簧5、发射探头2和接收探头8对铝合金板7施加10Kg的压力，在发射探头2、接收探头8与铝合金板7的接触面用20号机油作耦合剂，以保证探头与探测面之间良好接触。

检测时，超声信号发射仪1发出幅值为650V，宽度为2μs的电脉冲信号，激励发射探头2发射超声波。穿过铝合金试板7的超声信号被接收探头8接收后，输入宽频带放大器9放大。宽频带放大器的频带宽度为0～80MHz。放大后的超声信号，一方面输入高频示波器10显示，另一方面输入超声信号采样装置11进行采样。将采样信号输入计算机3后，可利用频谱分析软件进行快速离散傅立叶变换获得采样信号幅频图。

具体步骤如下：

制作标准N_V-P曲线：选取与被测铝合金板相同厚度、相同质量的铝合金试件，在铝合金试件上选取三个检测部位A、B、C，按步骤1～4获得各部位有效谱功率P，在检测部位A、B、C分别选取II-II截面13、I-I截面14、III-III截面15三个截面制作金相磨片，对三个截面上进行测量并统计夹杂物的尺寸及数量，然后计算出三个截面的夹杂物面密度；再运用牛顿-柯特斯公式计算出有效检测空间的夹杂物体积百分数N_V。

1.调整铝合金试件在夹具6中的位置，使发射探头2和接收探头8，对称地置于铝合金试件检测部位的两侧；

2.启动超声信号发射仪1发出电脉冲信号，激励发射探头2发射超声波。穿过铝合金试件的超声信号为接收探头8接收后，经宽频带放大器9放大，再由超声信号采样装置11将采样信号输入计算机3中，利用频谱分析软件对采样的超声信号进行快速离散傅立叶变换获得超声信号幅频图；

3.按式λ/D＜1，fe＝c/λ来确定谐波频率fe。式中λ为超声波长；D为被检材料的平均晶粒直径；c为超声纵波在铝合金试件中的声速。然后按式Δfe＝fe±0.15fe确定有效频带宽度Δfe；

4.利用获得的超声信号幅频图，按式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 计算有效频带范围内的有效谱功率P。式中x(k)为离散傅立叶变换函数；x(n0)为有效频谱宽度的下限位置谱线幅值；x(n1)为有效频谱宽度的上限位置幅值；

由于夹杂物的大小不等，故根据射线检测标准，将不同的夹杂物按下式换算成当量夹杂物。

$N=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{N}_i---\left(1\right)$

式中，N为当量夹杂物的数量；P_i为当量系数；N_i为不同尺寸的夹杂物数量。

根据N_V与P之间的对应关系，制作标准N_V-P曲线，并对曲线进行拟合，拟合的指数曲线如下：

                P＝2×10^-2exp(-aNv)                           (2)

式中，系数a根据实际标准N_V-P曲线导出。

当被测铝合金板的厚度、型号不同时，要重新制作N_V-P标准曲线；超声信号发射仪1发出的电脉冲信号及发射探头2、接收探头8选用不同参数时重新制作N_V-P标准曲线。

实际测量时，按步骤1～4进行，将铝合金试件换成被测铝合金板即可，然后在N_V-P标准曲线上，根据计算出的P值即可查出对应的夹杂物体积百分数。

应用实施例：

对厚度14mm的铝合金板进行了检测。发射探头2和接收探头8晶片直径均为10mm，中心频率均为10MHz。

对三个部位A、B、C沿板厚方向进行了检测，对接收到三个超声信号进行了快速离散傅立叶变换，其对应的幅频图如图4～6所示。

经实际测量被检材料的晶粒平均直径D为0.148mm，按式λ/D＜1，fe＝c/λ来确定谐波频率fe，可算出fe＝42MHz；按式Δfe＝fe±0.15fe确定有效频带宽度Δfe，则对应的有效频带范围为35MHz～48MHz，即 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 式中，x(n0)为35MHz位置谱线幅值；x(n1)为48MHz位置谱线幅值。结合图4～6，按式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 便可计算出三个波形在有效频带范围内的有效谱功率P，如表1所示。

表1.有效频带范围内的有效谱功率

检测部位	A	B	C
				有效频谱功率×10-2	1.462	2.945	1.643

在N_V-P曲线上找出有效谱功率所对应的夹杂物体积百分数，表2所示。

表2.在基准曲线上查出检测部位夹杂物体积百分数

检测部位	A	B	C
				夹杂物体积百分数(％)	0.195	0.141	0.186

对三个检测部位解剖后，求出的夹杂物的体积百分数如表3所示。

表3.将试件解剖后测得的夹杂物体积百分数

检测部位	A	B	C
				夹杂物体积百分数(％)	0.192	0.139	0.188

比较表3、表4可以看出，检测值与实测值吻合较好。

Claims (1)

1、一种铝合金细小夹杂物的超声频谱检测方法，包括下述步骤：

1)选取与被测铝合金板相同厚度、相同型号的铝合金试件，在铝合金试件上选取三个检测部位A、B、C，对其分别进行超声检测，将采样得到的超声信号输入计算机进行快速离散傅立叶变换，从而获得检测部位A、B、C的超声信号幅频图，按照公式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 计算各幅频图上有效频带范围内的相对有效谱功率P，在检测部位A、B、C分别选取II-II截面、I-I截面、III-III截面三个截面制作金相磨片，对三个截面上进行测量并统计夹杂物的尺寸及数量，然后计算出三个截面的夹杂物面密度，再运用牛顿-柯特斯公式计算出有效检测空间的夹杂物体积百分数N_V，根据N_V与P之间的对应关系，制作标准N_V-P曲线，并对曲线进行拟合，拟合的指数曲线如下：

                P＝2×10^-2exp(-aNv)

式中，系数a根据实际标准N_V-P曲线导出；

2)调整被测铝合金板在夹具中的位置，使发射探头和接收探头对称地置于被测铝合金板检测部位的两侧；

3)启动超声信号发射仪发出电脉冲信号，激励发射探头发射超声波，穿过被测铝合金板的超声信号为接收探头接收后，经宽频带放大器放大，再由超声信号采样装置将采样信号输入计算机中，利用频谱分析软件对采样的超声信号进行快速离散傅立叶变换获得超声信号幅频图；

4)按式λ/D＜1，fe＝c/λ来确定谐波频率fe，然后按式Δfe＝fe±0.15fe确定有效频带宽度Δfe；

式中λ为超声波长，D为被检材料的平均晶粒直径，c为超声纵波在被测铝合金板中的声速；

5)利用获得的超声信号幅频图，按照公式 $p=\underset{k=n_0}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2$ 计算有效频带范围内的相对有效谱功率P；

式中x(k)为离散傅立叶变换函数；x(n0)为有效频谱宽度的下限位置谱线幅值；x(n1)为有效频谱宽度的上限位置幅值；

6)在N_V-P标准曲线上，根据计算出的P值即可查出对应的夹杂物体积百分数N_V。

Images