破碎機用鑄鐵與鋼襯板釬焊層釬著狀態(tài)的超聲檢測

熊鴻建,涂 俊,鄔冠華,吳 偉,高鴻波

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點試驗室，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所, 上海 201600)

破碎機用鑄鐵與鋼襯板釬焊層釬著狀態(tài)的超聲檢測

熊鴻建1,涂 俊2,鄔冠華1,吳 偉1,高鴻波1

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點試驗室，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所, 上海 201600)

針對釬焊件焊接時存在的夾雜和未融合等缺陷，采用超聲水浸C掃描的方法對釬著率進行評價。利用信號處理和圖像處理的知識，采用不同的閾值對釬焊層的回波進行處理，生成不同閾值的C掃圖像，計算釬著率。通過解剖的方法來驗證各種C掃描成像中的釬著率，得出最佳閾值系數(shù)。結果表明：超聲信號經(jīng)Hilbert變換后,釬焊層回波幅值采用閾值為-6 dB成像時，所得的釬著率最接近實際值。

超聲水浸C掃；釬焊；閾值；Hilbert

破碎機襯板是破碎機上的關鍵零部件，其性能和使用壽命直接影響到破碎機的工作效率和生產(chǎn)成本。耐磨襯板由耐磨鑄鐵和鋼釬焊制成，其表面是可抵抗外部沖擊的耐磨鑄鐵件，基體是高韌性的鋼板。兩者通過冶金結合時，這種疊層復合材料就具有硬質合金的高硬度、高耐磨性和鋼的高強度、高韌性等優(yōu)良性能，其克服了兩者的弱點，即使外部斷裂之后仍然可以使用，因而在破碎機上得到廣泛應用[1-4]。

為獲得優(yōu)質釬縫，釬焊中采用的一般方法為：使液態(tài)釬料充分地流入并致密地填滿全部釬焊間隙，并與母材基體金屬進行很好的物理化學作用，從而在冷凝結晶后得到合乎要求的釬焊接頭。為保證釬焊件質量，必須檢測釬焊缺陷及其分布特征，計算釬著率，剔除殘次品。傳統(tǒng)的釬焊質量控制方法是破壞性抽樣檢驗(即解剖工件)，屬于破壞性檢測，方法落后，受檢率極低，因而不能全面反映產(chǎn)品質量；而手工超聲檢測依靠人工判斷缺陷位置和大小，人為因素太多，存在釬著率中區(qū)域測量和計算困難等問題[5-9]。

特征掃描成像技術主要用于復合材料的檢測與評價。C掃描采取特征檢測的方法，利用計算機全波列采集檢測信號提取和存儲超聲波形的各種特征，包括上升時間、下降時間、脈沖周期和頻譜特性等，經(jīng)信號處理后，按多種特征進行成像顯示[10-16]。采用超聲水浸聚焦掃查可以獲得穩(wěn)定的信號、縮小盲區(qū)，便于實現(xiàn)聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率的要求，且便于自動檢測，減少人為因素。筆者采用超聲C掃信號的特征成像對鑄鐵與鋼襯板釬焊層的釬著情況進行檢測和評價，采用超聲回波不同閾值對釬焊層的原始數(shù)據(jù)和希爾伯特(Hilbert)變換后的特征成像進行釬著率的估算評定[17]，且利用金相分析的方法對解剖后的工件進行了釬著率評定準確性的驗證。

1 檢測對象、檢測系統(tǒng)和檢測參數(shù)

試驗對象為巧克力型的工件，形狀及尺寸如圖1所示，巧克力塊材料為耐磨鑄鐵，底板材料為碳鋼，耐磨鑄鐵和鋼板采用釬焊方式結合。

圖1 工件尺寸和實物照片

采用OLYMPUS 5077型超聲發(fā)射和接收儀，配10 MHz水浸聚焦探頭(探頭晶片直徑6 mm，焦距30 mm，焦點大小2 mm);采用3027數(shù)據(jù)采集卡、機械掃描架組成的超聲水浸掃查系統(tǒng)，以及超聲特征掃描成像系統(tǒng)，配套軟件在windows 7環(huán)境下運行，借助于ICY、MICRO-MANAGE軟件開發(fā)的。系統(tǒng)可實現(xiàn)A掃、B掃、C掃，數(shù)據(jù)采集處理、圖像處理、缺陷評價分析等功能。

試驗選用的超聲信號采集參數(shù)為：掃描速度，6 000 mm·min-1；掃描步距,1 mm；信號采樣率，125 MHz；掃查時的增益選為35 dB。

2 釬焊層掃描特征成像結果及分析

對工件進行超聲全面掃查，生成釬焊層的C掃圖。試驗對工件分別進行了從鋼板面和從鑄造面的掃查。超聲從鋼板面入射時，在釬焊層深度所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(a)所示；超聲從鑄造面入射時，在釬焊層深度所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(b)所示；超聲從鋼板面入射時，在工件底部(鑄造面)所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(c)所示；超聲從鑄造面入射時，在工件底部(鋼板面)所呈現(xiàn)的C掃圖像如圖2(d)所示。

圖2 從工件的不同方向入射時得到的超聲C掃圖

從上述特征成像的結果可知：底波檢測效果不如釬焊層檢測，鑄造面入射的檢測成像不如鋼板面。

圖3 焊接結合不良與良好部位示意

如圖3所示，工件上白色的區(qū)域是釬焊層較高回波對應焊接結合不良的區(qū)域，工件上藍色的區(qū)域是釬焊層較低回波對應釬著良好的區(qū)域。

Hilbert變換是一種常用的信號處理方法，筆者采用對生成波形進行Hilbert變換形成包絡(如圖3中紅色波形)，然后由包絡波形進行C掃成像。

釬焊件的釬著程度不一樣，在C掃圖像中呈現(xiàn)的幅值不一樣高。對釬焊層的回波設定不同的閾值，低于閾值的釬焊層回波幅值設置為0;高于閾值的部分保留數(shù)據(jù)，就能得出不同閾值的C掃圖像。試驗通過對C掃圖和Hilbert C掃圖設置不同的閾值進行成像，得出最適合的成像閾值。處理后的C掃圖和Hilbert C掃圖的幅值偽彩圖如圖4所示，可以看出，C掃圖最大的幅值是56，Hilbert C掃圖最大的幅值是90。

圖4 原始C掃和Hilbert C掃偽彩圖

3 缺陷尺寸超聲測量金相定標及驗證

巧克力型工件線切割端口示意如圖5所示；切割后的斷口依次編號為m1,m2,n1,n2，如圖6所示。

圖5 工件實物切割與釬焊層C掃成像切割示意

圖6 工件各斷口實物照片

對端口進行打磨拋光，得出的部分缺陷金相圖像如圖7所示。

圖7 工件部分缺陷的金相圖

不同閾值生成的C掃圖中，找出對應切割的部位，量取缺陷的長度和缺陷最左端到最右端的距離如圖8所示，C掃圖像量取尺寸的結果如表1，2所示。

圖8 超聲C掃尺寸量取與Hilbert成像尺寸量取

由表1中數(shù)據(jù)可見，在焊縫出現(xiàn)缺陷的最左端到焊縫缺陷結束的最右端的宏觀缺陷尺寸數(shù)據(jù)中，采用常規(guī)C掃進行閾值成像，閾值為-5.421 dB時的尺寸相差百分比最小，為5.12%；由表2中數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過Hilbert變換后，生成的 C掃圖在閾值為-6 dB時的尺寸相差百分比最小，為3.1%。圖9為計算用閾值與測量誤差的關系曲線，從圖9中也可看出，此兩閾值最接近實際的宏觀缺陷首尾尺寸。

表1 缺陷尺寸超聲特征掃描檢測幅度定標 mm

表2 缺陷尺寸超聲特征掃描(Hilbert)檢測幅度定標 mm

由上述的表格數(shù)據(jù)中，選取兩組最好的閾值附近的值進行微觀單個缺陷的金相長度和C掃圖尺寸的比較，得出的數(shù)據(jù)如表3所示。

從上述數(shù)據(jù)中可看出，C掃圖閾值為-4.86 dB時的尺寸相差最?。籋ilbert C掃圖閾值為-6 dB時的尺寸相差最小。

圖9 計算用閾值dB與測量誤差的關系曲線

表3 典型缺陷金相尺寸與超聲成像尺寸 mm

根據(jù)C掃圖和Hilbert C掃圖處理后的最大幅值，采用了幾種閾值。對C掃圖選取的釬焊層幅值閾值-11.44,-8.94,-7.00,-5.42,-4.08,-2.92,-1.9 dB；對Hilbert C掃圖選取的釬焊層幅值閾值-15.56,-13.06,-11.13,-9.54,-8.20,-7.04,-6.00,-5.11,-4.28,-3.52,-2.83 dB。所呈現(xiàn)的效果圖和釬著率情況如圖10所示，利用插值算法，最后計算出來的釬著率如圖11和表4所示。

表4 利用插值算法計算出的釬著率(釬著良好率)

圖10 C掃和Hilbert C掃的閾值釬著率

圖11 采用插值算法計算出的不同閾值釬著率

4 結論

利用超聲特征掃描對鑄鐵和鋼板釬焊件的釬焊結合面處掃查成像，并通過設置不同的閾值對釬焊層處回波進行閾值截取，然后進行成像。由于超聲波在工件中的衰減與厚度有關，所以在對釬焊層處成像時，從工件厚度較薄的鋼板層入射時，釬焊層處的C掃成像效果更好更清晰，利于評價；通過試驗，釬焊層回波閾值選為-4.86 dB時，釬焊層C掃成像尺寸最接近金相尺寸，相差5.12%；而波形經(jīng)過Hilbert變換后，Hilbert變換后波形釬焊層回波閾值取-6 dB時，釬焊層Hilbert變換后C掃成像尺寸最接近金相尺寸，相差3.1%；

從原始波形和Hilbert變換后波形C掃成像尺寸和誤差比較綜合來看，超聲A掃波形經(jīng)Hilbert變換后，釬焊層回波閾值選-6 dB成像，是最佳的成像參數(shù)，即此時釬著率是89.9%。

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Ultrasonic Testing of the Leaching Status of Braze Welding of Cast Iron and Steel for Crushers

XIONG Hong-jian1, TU Jun2, WU Guan-hua1, WU Wei1, GAO Hong-bo1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China;2.Shanghai Aerospace Precision Machinery Research Institute, Shanghai 201600, China)

For brazing welding in the presence of inclusion and incomplete fusion defects, water ultrasonic C scanning method was used to evaluate the rate of brazing leaching. Signal processing and image processing knowledge by different thresholds were used to deal with the echo of the solder layer, thus generating different threshold C scan images, and the brazing rate was calculated. The dissection method was employed to verify various C imaging of the brazing rate, and the best threshold coefficient was obtained. The results show that while using the ultrasonic C scan images by Hilbert transform at the threshold for -6 dB imaging, the resulting brazing rate is much closer to the actual value.

Immersed ultrasonic C-scan; Brazing; Threshold; Hilbert

2016-08-22

上海航天科技創(chuàng)新基金資助項目

熊鴻建(1990-)，男，碩士研究生，主要從事超聲特征掃、無損評價、數(shù)字射線成像工作。

熊鴻建，E-mail：ndt_xiong@163.com。

10.11973/wsjc201702004

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0013-05