金属板材的自动化超声检测系统的研制

周原

摘 要：为提高航空金属合金板材超声探伤的效率和准确性，并可以更加清晰直观的显示探伤结果，设计并制造了一种自动化扫描系统。该系统可以移动至板材贮存车间，自动完成金属板材的原位超声检测，并保存B扫和C扫图像。目前该设备在实际运用中取得了良好的效果。

关键词：超声检测；金属板材；航空；自动化；原位检测

中图分类号：TH878.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）28-0011-02

Abstract： In order to improve the efficiency and accuracy of ultrasonic flaw detection for aeronautical metal alloy sheet， and to display the inspection result more clearly and intuitively， an automatic scanning system is designed and manufactured. The system can be moved to the plate storage workshop， automatically complete the in-situ ultrasonic detection of the metal plate， and save the B-scan and C-scan images. At present， the equipment has achieved good results in practical use.

Keywords： ultrasonic testing； metal sheet； aeronautical； automation； in-situ testing

1 概述

鋁合金、钛合金等金属板材具有密度小、强度高、耐腐蚀性好、加工性能优良等优点，被大量用于航空器蒙皮、粱、肋、桁条等结构件的制造。随着大飞机项目的开展，越来越多的金属板材被采购用于制造飞机零部件，对金属板材进行的入厂验收成为了保证飞行器安全的第一道关口。

超声波探伤是一种利用超声波在物体内部传播时如果遇到裂纹、气泡等缺陷时会发生反射和折射的原理，通过探测器读取反射波的强度和间隔，来判断缺陷的深度和形式。所以超声波探伤是检测原材料内部缺陷最常用的方法之一。

目前各大飞机制造厂对金属板材的入厂无损检测大多采用手动A型超声波扫描的方式进行验收，由于单块金属板材的尺寸一般在3m×1.6mm左右，这种检测方式的效率比较低。当需检测大量金属合金原材料时，低效率的无损检测手段会导致大量原材料堆积，无法进入生产环节，严重影响生产计划的开展。同时，探伤人员需在移动探头的同时监视仪器上的波形显示，注意力被分散，且长时间检测容易视力疲劳，可能造成检测结果判断疏漏或者不能达到100%检测率。且由于板材面积大，需不断搬动设备，对检测造成不方便。为了确保材料检验的准确性，就需要研制一种可以方便移动至检测现场的自动化检测设备。

2 检测手段现状

目前，我国对金属板材的自动化检测主要使用固定式超声探伤设备[1]，这种设备的效率较高，在检测时将几十上百个探头固定在板材上方，当板材通过探头时检测设备记录该板材的检测数据并检测是否存在缺陷。这种检测方式有着检测速度快、效率高、检测精度高等优势。但是这种设备结构复杂，价格昂贵，占用场地较大，需配置大型工装设备搬动金属板材进行检测。

现场检测一般采用手工检测，无损探伤人员使用手持式便携超声检测设备在板材表面逐行检查最终获得检测数据。这种检测方式存在较大的人为误差风险，检测效率低，劳动强度大，单位时间检测面积小，漏检可能性大和随机性大，容易造成威胁工程质量的隐患。

因此，研制一种针对小批量大尺寸中厚金属板材的现场自动化检测设备，以克服便携式设备自动化程度低、劳动强度大、漏检率高，大型自动设备投资大、检测地点固定等缺点的自动检测设备是十分必要的。[1-5]

3 系统组成和检测原理

系统组成：

整个系统包括控制终端、电脑主机、多通道探伤仪、扫查系统、系统检测软件以及耦合系统等主要部分。多通道探伤仪安装于扫查机械系统上，通过光纤专用控制线路使其相互连接通信。整个系统采用便携式、模块化设计，可以移动到其它地点进行金属板的原位自动化检测，系统示意图如下（图1）。

3.1 机械系统

扫查机械系统如图1所示，主要由纵向滚动模组、横向滑动模组、探头夹具、耦合系统等几部分组成。运动模组采用线性模组实现探头平面方向的横向、纵向两种方向的运动。且该设备可以在600mm-1500mm的范围内调节检测宽度，以适应被测板材的宽度。而纵向移动则是由履带式前进机构完成。经计量该设备在横向重复定位精度小于1mm，纵向定位精度小于2mm。

由于扫查过程中会出现金属板材两端的盲区，探头上下运动模组装有两个探头，在纵向上相隔固定距离，以完成对两端盲区的检测，系统软件将检测结果融合于统一的检测图中。

在垂直方向上为确保探头与被测表面间的耦合，采用机械式的导柱确保探头下压方向垂直与板材表面；为了更好的耦合，探头与板材之间应存在一定的压力，为此在导柱和探头夹具的结合处安装了弹簧调节装置用以调整探头与工件表面压力，保证检测过程中的藕合可靠性，确保检测效果。当设备无需进行扫描时（即非扫描移动（空程或悬停）时），探头与被检表面脱离接触。

3.2 超声探伤仪

使用南通友联公司生产的MCH型系列数字探伤仪。这种探伤设备可以与控制计算机联合使用。该设备以数字化控制和数据采集与处理、波形显示为核心。可实现闸门调节、探伤灵敏度调节，声速设置、零点调校、深度定位等功能，并且各通道均能独立完成探伤功能。

3.3 软件控制

检测系统软件可根据用户需求定制，设计采用模块化设计，各功能模块相互独立，以提高系统稳定性。同时也为今后系统升级预留了接口。检测系统软件具有如下功能：

（1）探伤信息输入

现场探伤检测开始时，可进行检测人员、检测时间、工件名称、工件信息、编号等探伤信息的输入与修改。

（2）探傷工艺设定

根据检测标准，测试和设置探伤所需的各项参数，如探头零点、角度、前沿等的测试，不同规格工件探伤的灵敏度、声程标度、声程范围、延时、波门参数等的设置，探伤工艺可保存和调用。

（3）探伤检测操作

调用已制作的探伤工艺，对实际工件进行探伤操作，分析并显示检测结果，并记录探伤数据。

探伤界面可同时显示单通道的A扫描波形，显示真实回波信号的幅值，每个通道设立扫查增益调节功能，可独立调节。根据检测位置信息，连续显示各通道模拟测量数据（门内最高回波幅值的连续记录）以及对应的数字报警信息（超标回波的同步报警）的图像。

每个工件探伤开始时，需输入工件详细信息；探伤结束时，可记录工件信息及所有实时A扫波形数据以及检测过程中发现的缺陷数据如位置坐标和缺陷当量，根据A扫波形及扫查装置的反馈信号，探伤软件将实时计算出整个板材检测的C扫和B扫图像。

（4）探伤数据分析

制作专业的离线分析软件，具有探伤数据检索（日期、人员、工件编号）、打开、回放、分析判断、打印、删除等功能。

4 使用效果

为了验证设备性能，按ASTM 127制作了一块材料为7050-T6状态的对比试块，并在对比试块上预埋了4个？椎1.2mm的平底孔，这四个孔的埋深分别为60mm、50mm、40mm以及30mm，其扫查图像如下（图2）

从该图的下半部分的C扫描图像中可以看出4个预埋缺陷均被检查发现，当在软件中逐一点开缺陷部位的A扫描图像后，可以读出缺陷的当量和埋深（图2）。

经过现场检验设备能力以及对比手动扫查结果的信息，自动化可移动超声检测系统满足了日益发展的生产节奏需求，探伤过程达到了相关技术文件的要求。自动化可移动超声检测系统的研制及应用，更新了上飞公司板材入厂复验的手段。

5 结束语

该设备的依据AMS、大客及支线等相关规范的要求进行设计，可确定缺陷的位置、埋深，提高了探伤的智能化程度，同时避免了操作者人为原因造成的评判差异，该设备的数据存储功能还能保证检测数据的可追溯性。

自动化可移动超声检测系统的研制及应用，为上飞公司的金属板材入厂复验提供了可靠的质量保证和检测效率保障。在支线飞机即将批量生产、大客飞机研制进入攻坚阶段的背景下，保证大批量金属板材入厂复验的效率和准确性，能显著减轻公司的物流压力，同时为上飞公司节约了人力成本、创下了显著的经济效益。

参考文献：

[1]石增强，程洪杰，谢建，等.大型圆筒件超声检测系统设计[J].无损检测，2005，27（9）：475-478.

[2]杜文正，黄先祥，谢建，等.导弹发射筒超声自动探伤系统设计[J].兵工学报，2009，30（3）：346-349.

[3]康楠.中厚钢板超声自动探伤车关键技术的研究[D].天津大学，2006.

[4]刘松平，刘菲菲，李乐刚，等.自动化无损检测技术及其应用[J].航空制造技术，2009，4：26-31.

[5]孙渝兰.钢板超声波自动探伤在重钢中板厂的应用[J].自动化与仪器仪表，2009，3：56-57.