王 哲 孟 杰 崔西明 康宜華

華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074

0 引言

小管徑筒體是壓力容器主要的受壓元件之一，被廣泛應(yīng)用于核電、航天、軍工等領(lǐng)域［1?2］，由于小徑筒體要求檢測(cè)速度快、精度高，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)難以滿足要求［3］。作為典型小徑筒體的彈藥筒在使用過程中往往需要承受壓力驟變，如果工件存在未檢出的裂紋、夾渣等缺陷會(huì)造成嚴(yán)重后果。本文研究的小管徑彈藥筒的主要特點(diǎn)是曲率大以及筒壁厚度有變化，要求探傷靈敏度高。目前彈藥筒探傷主要采用射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)。高遠(yuǎn)飛等［4］通過圖像處理算法對(duì)X射線獲取的圖片進(jìn)行處理，以判斷藥筒是否合格，該方法對(duì)檢測(cè)人員危害大且成本高，檢測(cè)速度較低。超聲檢測(cè)方法根據(jù)波形可以分為：橫波檢測(cè)法、縱波檢測(cè)法、表面波檢測(cè)法和板波檢測(cè)法［5］?？v波檢測(cè)法主要用于測(cè)厚，表面波檢測(cè)法檢測(cè)深度不足，板波檢測(cè)法較適用于薄壁工件。董曉麗等［6］提出水浸正交超聲板波方法檢測(cè)薄壁藥筒裂紋缺陷，張艷花等［7］提出采用蘭姆波方法檢測(cè)藥筒表面?zhèn)?，但兩種方法的模態(tài)復(fù)雜［8?9］、檢測(cè)最佳參數(shù)選擇困難、檢測(cè)效率低。橫波法通用性最強(qiáng)［10］，是目前特種設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用最多的一種方法［11?12］，探傷靈敏度高，滿足自動(dòng)檢測(cè)需求，因此本文采用超聲橫波對(duì)彈藥筒進(jìn)行檢測(cè)。本文提出了一種基于藥筒下母線入射的恒定折射角方法實(shí)現(xiàn)微細(xì)裂紋檢測(cè)，設(shè)計(jì)了用于藥筒等小徑筒體無損探傷的多工位高速超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)中缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)的特征及規(guī)律，提出了一種掃描信號(hào)濾波報(bào)警算法。

1 小管徑彈藥筒檢測(cè)方法

1.1 小管徑彈藥筒結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)

藥筒作為一種典型的小徑薄壁筒體，壁厚一般在0.8～1.2 mm，長(zhǎng)度一般在175～265 mm（圖1）。該類筒體一般由無縫鋼管制作或者對(duì)坯料多次引伸成形，導(dǎo)致小徑筒體易形成縱向裂紋缺陷，方向與金屬壓延的方向一致，同時(shí)也會(huì)有夾雜物和折疊等缺陷出現(xiàn)。藥筒實(shí)際裂紋深度一般在0.05～0.10 mm，因此本系統(tǒng)要求檢出最小裂紋缺陷深度為0.05 mm。

圖1 5種典型規(guī)格藥筒Fig.1 Five typical cartridges

1.2 基于藥筒下母線入射的恒定折射角檢測(cè)方法

本文中的水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)采用藥筒螺旋前進(jìn)，探頭固定不動(dòng)的檢測(cè)方式，減少了探頭及通道數(shù)量。由于藥筒具有多種規(guī)格且直徑較小，不同直徑藥筒在兩個(gè)固定滾筒之間的高度會(huì)變化，因此需要調(diào)整超聲探頭的姿態(tài)來保證入射角度的恒定。傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)設(shè)備采用超聲探頭垂直入射到管壁，通過調(diào)整探頭偏離鋼管中心軸線的距離來確定入射角度，在對(duì)稱布置的雙探頭模式下，實(shí)際應(yīng)用中容易導(dǎo)致探頭角度變化，難以實(shí)現(xiàn)多工位超聲水箱快速、準(zhǔn)確的標(biāo)定，從而對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)的一致性造成影響。

為此筆者提出基于藥筒下母線入射的恒定折射角檢測(cè)方法（圖2），超聲聚焦探頭傾斜一定角度對(duì)準(zhǔn)鋼管下母線，超聲波經(jīng)過折射后進(jìn)入藥筒內(nèi)壁檢測(cè)內(nèi)外傷，對(duì)于不同規(guī)格的藥筒，不需要改變探頭相對(duì)水箱的姿態(tài)，只通過調(diào)整檢測(cè)水箱的高度，使探頭焦點(diǎn)聚焦于藥筒下母線，就能以較高精度保證水層距離和入射角度的一致。調(diào)整方法簡(jiǎn)便，同時(shí)探頭相對(duì)水箱固定，可以較大程度地減小水箱的體積，保證水循環(huán)的穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)縱向缺陷的純橫波檢測(cè)［13］，以使筒壁中回波波形單一，便于判別缺陷回波，將超聲波入射角選擇在第一臨界角α1和第二臨界角α2之間，即入射角一般選取14.5°～27.3°。對(duì)于縱向缺陷，要能夠掃查到內(nèi)壁上的缺陷（圖3所示為臨界情況）。第一臨界角α1、第二臨界角α2、縱波入射角α3計(jì)算公式如下：

式中，cLW為水中縱波聲速，取1 480 m/s；cLS為鋼中縱波聲速，取5 900 m/s；cTS為鋼中橫波聲速，取3 230 m/s；r R為小徑筒體內(nèi)外半徑之比，取0.95。

由式（3）可知，縱波入射角應(yīng)小于25.8°，綜合理論和實(shí)踐考慮，本文選用17°入射角較為合理。

圖2 檢測(cè)方法示意圖Fig.2 Detection method diagram

圖3 內(nèi)壁縱傷掃查臨界示意圖Fig.3 Internal longitudinal defect scanning diagram

1.3 微缺陷超聲檢測(cè)仿真

為驗(yàn)證基于藥筒下母線入射的恒定折射角檢測(cè)方法能有效檢測(cè)深度0.05 mm的微細(xì)裂紋，通過有限元方法對(duì)壁厚1.0 mm的藥筒進(jìn)行仿真，內(nèi)外裂紋寬度和深度均為0.05 mm。仿真模型選用中心頻率為5 MHz，晶片直徑D為8 mm，焦距f為25 mm的線聚焦探頭，工件的曲率半徑R為20 mm，水層厚度l為25 mm。耦合劑與檢測(cè)工件的材料參數(shù)取值于有限元分析軟件的材料庫。

建立有限元仿真模型（圖4），模型中采用圓弧線作為虛擬探頭，表示發(fā)射和接收信號(hào)的端面。為了縮減網(wǎng)格數(shù)量從而減小計(jì)算量，對(duì)虛擬探頭進(jìn)行了等比例縮小，同時(shí)為了盡量保留聲波與微缺陷相互作用時(shí)的物理規(guī)律，對(duì)樣品區(qū)域尺寸也進(jìn)行相應(yīng)縮減來突出微缺陷的存在［14］。超聲激勵(lì)脈沖信號(hào)采用高斯脈沖，作為法向位移邊界條件加載在虛擬聚焦探頭上。以內(nèi)部微裂紋為例，圖5給出了在仿真開始后1.8μs時(shí)的瞬態(tài)聲場(chǎng)分布，可以看出，聲場(chǎng)大部分能量被筒體界面反射，僅有部分能量透射入筒體，缺陷回波出現(xiàn)在界面波之后，聲場(chǎng)能量能有效被虛擬探頭拾取。

圖4 內(nèi)部微裂紋仿真模型Fig.4 Simulation model with internal micro crack

圖5 t=1.8 μs時(shí)瞬態(tài)聲場(chǎng)示意圖Fig.5 Transient sound field diagram att=1.8 μs

通過仿真得到模型中內(nèi)部微裂紋和外部微裂紋的A掃回波信號(hào)（圖6），內(nèi)外微裂紋均能準(zhǔn)確識(shí)別，且信噪比能達(dá)到要求。由于壁厚較薄，橫波折射進(jìn)入管壁后不斷反射，能量不斷衰減，彈藥筒原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多次缺陷回波。

圖6 管壁內(nèi)外微裂紋回波信號(hào)Fig.6 Echo wave of the internal and external micro cracks

1.4 微缺陷超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)刻有標(biāo)準(zhǔn)傷的樣件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試樣件為A、B、C、D、E 5種規(guī)格彈藥筒。樣件標(biāo)準(zhǔn)傷為縱向分布的長(zhǎng)、寬、深分別為（10±0.5）mm、（0.10±0.010）mm、（0.05±0.005）mm的內(nèi)外微裂紋。

實(shí)驗(yàn)裝置由CTS?5021型超聲儀、超聲聚焦探頭、探頭固定及調(diào)節(jié)裝置以及水箱等部分組成，見圖7。實(shí)驗(yàn)選用中心頻率為5 MHz、晶片尺寸為8 mm×15 mm的線聚焦探頭，探頭入射角為 17°。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental device

圖8 缺陷回波信號(hào)Fig.8 Echo signal of the defect

以A型彈藥筒為例，內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)傷在射頻模式下的A掃回波信號(hào)見圖8，檢測(cè)結(jié)果顯示界面波信號(hào)較穩(wěn)定，內(nèi)外缺陷回波信號(hào)較強(qiáng)，多次反射波對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)缺陷回波的干擾較弱，信噪比大于10 dB。在相同實(shí)驗(yàn)裝置下，更換不同規(guī)格彈藥筒，調(diào)整探頭高度，保證聲程為25 mm，仍能觀察到較高信噪比的標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)看出，對(duì)不同規(guī)格樣管0.05 mm深度的內(nèi)傷和外傷信號(hào)均能準(zhǔn)確檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)探頭也便于調(diào)整。

2 高速超聲檢測(cè)系統(tǒng)

相較于一般工業(yè)管道的超聲在線檢測(cè)，彈藥筒產(chǎn)量大，要求自動(dòng)化檢測(cè)速度快、穩(wěn)定性高。為解決小管徑彈藥筒的大批量自動(dòng)化檢測(cè)需求，基于恒定橫波折射角微裂紋檢測(cè)方法，開發(fā)了一種多工位高速超聲檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及水循環(huán)系統(tǒng)、超聲檢測(cè)儀以及信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了藥筒等小徑筒體上料、檢測(cè)、分選全過程自動(dòng)化。

2.1 檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括機(jī)架、上料組件、推料組件、藥筒超聲檢測(cè)單機(jī)以及自動(dòng)分選組件。系統(tǒng)布局圖見圖9。機(jī)架將各個(gè)組件固定；上料組件中上料傳送帶等距離均分成若干卡槽，相鄰卡槽間距為m，傳送帶逐個(gè)帶動(dòng)經(jīng)排料裝置排好料后的彈藥筒進(jìn)入卡槽中。為保證每個(gè)檢測(cè)單機(jī)對(duì)應(yīng)卡槽排料準(zhǔn)確且停止位置對(duì)準(zhǔn)單機(jī)中心，采用激光測(cè)距傳感器測(cè)量藥筒的位置。因此檢測(cè)單機(jī)中心距d與卡槽間距m滿足：

式中,n為正整數(shù)。

圖9 系統(tǒng)布局示意圖Fig.9 Diagram of the testing system

通過調(diào)整上料機(jī)構(gòu)可以保證多規(guī)格的藥筒準(zhǔn)確進(jìn)入上料傳送帶中的卡槽，隨著上料傳輸帶運(yùn)動(dòng)到推料工位；推料組件利用推桿穩(wěn)定推動(dòng)筒體軸向進(jìn)給進(jìn)入檢測(cè)單機(jī)；檢測(cè)單機(jī)中滾筒帶動(dòng)筒體圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)筒體螺旋前進(jìn)，檢測(cè)單機(jī)中的可調(diào)節(jié)檢測(cè)水箱可隨不同藥筒規(guī)格調(diào)整高度，完成對(duì)螺旋前進(jìn)的藥筒的縱向傷檢測(cè)；檢測(cè)完成后下料組件分選機(jī)構(gòu)完成合格品和不合格品的分選，經(jīng)過下料傳送帶輸送至不同料區(qū)，完成檢測(cè)。當(dāng)彈藥筒尾部離開水箱上部時(shí)，下一根藥筒立即經(jīng)過推料機(jī)構(gòu)推動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)工位，實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)。

高速超聲檢測(cè)系統(tǒng)中多工位檢測(cè)單機(jī)并行工作，配合自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不間斷的高速檢測(cè)。各個(gè)組件相互配合，可以精準(zhǔn)控制檢測(cè)速度、掃查螺距，保證了超聲探傷的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)檢測(cè)節(jié)拍和對(duì)象規(guī)格，改變檢測(cè)速度、工位數(shù)量和調(diào)節(jié)檢測(cè)組件，對(duì)小管徑筒體檢測(cè)具有較高的通用性。本檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)速度要求選擇20通道、10工位的組合方式，檢測(cè)速度可達(dá)1 200件/h。

2.2 檢測(cè)單機(jī)設(shè)計(jì)

由于彈藥筒快速檢測(cè)及快速規(guī)格調(diào)整的要求，設(shè)計(jì)了檢測(cè)單機(jī)裝置（圖10），推桿推動(dòng)彈藥筒在對(duì)滾筒上以小螺距螺旋前進(jìn)，利用壓緊輪減小藥筒的跳動(dòng)，提高信號(hào)檢測(cè)的一致性。通過調(diào)節(jié)水箱升降裝置來適應(yīng)不同規(guī)格的藥筒。

圖10 檢測(cè)單機(jī)Fig.10 Single detection device

2.3 掃描信號(hào)濾波算法

本系統(tǒng)中單通道超聲儀的重復(fù)頻率為1 kHz。彈藥筒相對(duì)超聲探頭螺旋前進(jìn)，即探頭掃描軌跡為螺旋型。檢測(cè)時(shí)工件旋轉(zhuǎn)速度v1（r/min）及前進(jìn)速度v2（mm/s）均可根據(jù)彈藥筒規(guī)格調(diào)整，則單一工件的掃描螺距P（mm/r）為

在實(shí)際檢測(cè)中，為了保證缺陷信號(hào)檢出穩(wěn)定性以及較高的檢測(cè)速度，通過調(diào)整彈藥筒前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)置每種規(guī)格彈藥筒螺距均為2.5 mm，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)均可采集5個(gè)周期信號(hào)?？梢园l(fā)現(xiàn)，掃描周期中的缺陷波形峰值呈現(xiàn)包絡(luò)線形狀，位于中間周期的幅值達(dá)到最大，同時(shí)缺陷信號(hào)周期波形間隔時(shí)間基本相同（圖11）。

超聲檢測(cè)系統(tǒng)存在幾方面的干擾噪聲，主要包括：直線度差的彈藥筒在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)的跳動(dòng)信號(hào)；耦合水中積聚的氣泡形成的干擾；管內(nèi)壁附著的小水珠造成干擾；控制系統(tǒng)和阻抗匹配造成的隨機(jī)噪聲。經(jīng)過多次系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，干擾信號(hào)一般不具備周期性，少數(shù)具備周期性的干擾信號(hào)周期較少。以缺陷信號(hào)具有較好的周期性作為缺陷判別依據(jù)，具體信號(hào)濾波算法如下。

圖11 缺陷信號(hào)及干擾信號(hào)Fig.11 The defect signals and the noise signals

（1）設(shè)置濾波計(jì)算窗長(zhǎng)度為a（采樣點(diǎn)數(shù)），其中窗長(zhǎng)度尾端始終為最新采樣點(diǎn)i+a，即窗的位置為第i采樣點(diǎn)至第i+a采樣點(diǎn)，隨采樣點(diǎn)數(shù)增加而移動(dòng)，如圖12所示。

圖12 信號(hào)加窗示意圖Fig.12 The signal window diagram

（2）設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警閘門高度為b，出現(xiàn)第1個(gè)報(bào)警波形且在i+a采樣點(diǎn)，即Y（i+a）＞b，則繼續(xù)等待。

（3）當(dāng)窗逐點(diǎn)經(jīng)過此報(bào)警波形至離開時(shí)，窗內(nèi)出現(xiàn)報(bào)警波形次數(shù)N＜2，則判斷先出現(xiàn)的報(bào)警波形為干擾信號(hào)，剔除不顯示。

（4）當(dāng)窗逐點(diǎn)經(jīng)過此報(bào)警波形至離開時(shí)，窗內(nèi)出現(xiàn)報(bào)警波形次數(shù)N≥2時(shí)，依次計(jì)算先出現(xiàn)的3個(gè)報(bào)警波形對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)是否近似等距，若不滿足下式：

則判斷最前方信號(hào)為干擾信號(hào)，剔除不顯示；若滿足，則繼續(xù)計(jì)算后續(xù)出現(xiàn)波形是否等間距：

在采樣過程中，報(bào)警波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)之間并不是等差數(shù)列，因此采用近似判斷等距，式中α、β一般取0.95、1.05。

本檢測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)報(bào)警閘門高度設(shè)定為30%，此時(shí)管壁內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)能較好地標(biāo)定。跳動(dòng)造成的短周期干擾信號(hào)，及氣泡或機(jī)械抖動(dòng)造成的沖擊信號(hào)均能較好地濾除，系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的信噪比穩(wěn)定控制在8 dB以上。經(jīng)過測(cè)試，采用此信號(hào)濾波算法后，彈藥筒檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)率從20%降至1%，極大減少了干擾信號(hào)引起的誤報(bào)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

為驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)模式下的可靠性和穩(wěn)定性，以A型藥筒為例，樣件人工缺陷為標(biāo)準(zhǔn)縱向內(nèi)、外矩形刻槽，長(zhǎng)、寬和深度分別為（10±0.5）mm、（0.1±0.01）mm、（0.05±0.005）mm。在第1～9工位（對(duì)應(yīng)1～18通道）放置合格品，在第10工位放置標(biāo)準(zhǔn)傷樣件。結(jié)果如圖13a所示，前9個(gè)工位合格品無報(bào)警信號(hào)，而第10工位出現(xiàn)了內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)傷報(bào)警信號(hào)。且從圖中可以看出，對(duì)應(yīng)每一通道，標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)一致性較好，重復(fù)測(cè)試每一工位后，內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)傷均能準(zhǔn)確檢出。

測(cè)試C型藥筒自然傷樣件，信號(hào)波形如圖13b所示，此自然傷為貫穿窄裂紋，裂紋深度為0.15 mm，可以看出從管口到端部均存在超過報(bào)警閘門的掃描信號(hào)，掃描信號(hào)能準(zhǔn)確反映藥筒裂紋缺陷大小和位置。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)傷樣件、自然傷樣件及其自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)Fig.13 The automatic detection signals of the standarddefect and natural defect

對(duì)藥筒進(jìn)行大批量測(cè)試。由于直徑和長(zhǎng)度的區(qū)別，A、B、C、D、E五種藥筒的自動(dòng)檢測(cè)時(shí)間分別為 7.6 s、9.6 s、12.3 s、13.5 s、14.7 s。分別對(duì) 200根A型藥筒和200根D型藥筒進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，該檢測(cè)系統(tǒng)無漏檢，誤判率僅為1%。

4 結(jié)論

（1）通過分析彈藥筒結(jié)構(gòu)和微細(xì)裂紋缺陷特點(diǎn)，提出了基于藥筒下母線入射的恒定折射角檢測(cè)方法，檢測(cè)精度高，調(diào)整簡(jiǎn)單方便，具有通用性和有效性。

（2）完成了自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了檢測(cè)的快速性和穩(wěn)定性。

（3）根據(jù)缺陷信號(hào)出現(xiàn)的周期性規(guī)律，提出了一種掃描信號(hào)濾波算法，有效減小了誤報(bào)率，提高系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)測(cè)試滿足高速、高精的自動(dòng)化檢測(cè)要求。