小口徑鎂合金彈丸鑼鼓機頭缺陷的超聲檢測

小口徑鎂合金彈丸鑼鼓機頭缺陷的超聲檢測

1超聲波檢測小口徑彈簧彈簧內(nèi)部和表面缺陷的方法小口徑鎂結(jié)合金彈在發(fā)射過程中受到很大的突然壓力。因此,彈殼中存在的氣孔、裂紋、折疊和夾雜等缺陷會產(chǎn)生安全隱患,需對其進行缺陷檢測,以確保其內(nèi)部沒有缺陷才能使用。超聲波檢測具有靈敏度高、穿透能力強、檢驗速度快、設(shè)備簡單輕便和對人體無害等一系列優(yōu)點。因此,本文采用超聲波對小口徑火箭彈彈頭進行缺陷檢測。利用超聲波檢測小口徑火箭彈彈頭內(nèi)部和表面缺陷時,彈頭身管的尺寸、探頭的偏心距和水聲程影響著超聲波在管壁內(nèi)部的傳播路徑,影響超聲波缺陷檢測的靈敏度。本文從以上幾個方面考慮,研究一種小口徑火箭彈彈頭缺陷的超聲波檢測方法,并通過實驗進行驗證。2長波充壓機彈簧身或下其介質(zhì)內(nèi)表達的不同差異水浸式聚焦探頭在聚焦區(qū)域內(nèi)聲束聲能集中,檢測靈敏度高。所以,采用水浸式聚焦探頭對小口徑火箭彈彈頭身管內(nèi)部和表面的缺陷進行檢測。彈頭身管缺陷的檢測原理如圖1所示。檢測時,將探頭偏置,超聲波探頭發(fā)出縱波,以水作為耦合介質(zhì)傳播到彈頭身管下表面,一部分縱波透射到彈頭身管內(nèi)部傳播,進入彈頭身管內(nèi)部的透射波發(fā)生波形變換,分離為折射縱波和折射橫波,2種折射聲波在彈頭身管中的傳播方向不同,且2種折射聲波的折射角都大于聲波入射角。如果管壁內(nèi)部或表面存在缺陷,折射聲波將在缺陷處發(fā)生反射和散射,而反射的部分聲波沿原路返回,并被探頭接收,形成缺陷回波。根據(jù)缺陷回波的有無,判斷管壁內(nèi)部和表面有無缺陷。小口徑火箭彈彈頭身管有其自身的結(jié)構(gòu)特點,檢測時需依據(jù)其尺寸設(shè)定偏心距X,還要考慮水聲程D對折射聲波在其內(nèi)部傳播路徑的影響。2.1偏心距x和x的公式偏心距直接影響著折射聲束在彈頭身管內(nèi)部的傳播路徑,從而影響著檢測效果。當設(shè)定偏心距使得管壁內(nèi)縱波的折射角達到90°,這時的入射角稱為第Ⅰ臨界角αⅠ。當設(shè)定偏心距使得管壁內(nèi)橫波的折射角達到90°,這時的入射角稱為第Ⅱ臨界角αⅡ。它們滿足:sinαC1=sinβ1C21=sinβtC2t(1)sinαⅠ=XⅠR(2)sinαⅡ=XⅡR(3)sinαC1=sinβ1C21=sinβtC2t(1)sinαⅠ=XⅠR(2)sinαⅡ=XⅡR(3)由以上公式得出,在αⅠ和αⅡ時的偏心距XⅠ和XⅡ分別滿足:XⅠ=R?C1C21(4)XⅡ=R?C1C2t(5)XⅠ=R?C1C21(4)XⅡ=R?C1C2t(5)式中βl為縱波折射角;βt為橫波折射角;C2l為縱波在彈頭身管內(nèi)部的傳播速度;C2t為橫波在身管內(nèi)部的傳播速度。當X<XⅠ時,管壁內(nèi)部同時存在折射縱波和折射橫波,當XⅠ<X<XⅡ時,管壁內(nèi)部以折射橫波為主,此時以橫波法檢測彈頭身管缺陷;當X>XⅡ時,探頭發(fā)出的縱波將在管壁下表面處全部反射,管壁內(nèi)部沒有超聲波。2.2檢測法適用條件采用橫波進行檢測時,如果管壁內(nèi)外徑之比較大,那么折射橫波將無法檢測到管壁近內(nèi)表面區(qū)域的缺陷,造成缺陷漏檢,需考慮橫波檢測法的適用條件。在第1臨界角情況下,橫波折射角β1滿足:sinβ1=sinα1C1?C2t(6)sinβ1=sinα1C1?C2t(6)由式(2)和式(6)可推導(dǎo)出:sinβ1=C2tC21(7)sinβ1=C2tC21(7)因此,管壁內(nèi)外半徑之比應(yīng)滿足式(8),才能防止橫波法檢測缺陷時發(fā)生漏檢。rR≤C2tC21(8)rR≤C2tC21(8)2.3最佳超聲程的確定采用水浸式聚焦探頭進行檢測時,在偏心距一定的情況下,水聲程D不影響探頭中心聲束的傳播路徑,但影響邊緣折射聲束在管壁內(nèi)部的形狀和焦點位置,進而影響缺陷的檢測效果。中小直徑薄壁管超聲檢測水浸式聚焦探傷法的最佳水聲程公式為D=F?R2?X2???????√(9)D=F-R2-X2(9)當探頭水聲程為最佳水聲程時,探頭的水中焦點落在彈頭身管水平軸線上,兩側(cè)邊緣聲線入射角呈對稱分布,且小于中心聲線入射角。但實際檢測時,要求既要能檢測管壁內(nèi)部缺陷,又對表面缺陷有較高的檢測靈敏度,那么就需在最佳水聲程的基礎(chǔ)之上進行調(diào)節(jié),以尋求最佳檢測效果。調(diào)節(jié)水聲程使焦點落在彈頭身管水平軸線以上時,管壁內(nèi)部折射聲束焦距隨著水聲程的增大而增大,此時折射聲束焦點有可能落在彈頭身管外表面附近,這樣既能保證有效地檢測管壁內(nèi)部的缺陷,又提高了表面缺陷檢測的靈敏度。3超聲檢測實驗對小口徑的鎂合金火箭彈彈頭試件進行檢測實驗,實驗采用采樣頻率為100MHz的超聲采集卡連接探頭進行數(shù)據(jù)采集。探頭晶片的中心頻率為5MHz,直徑為10mm,焦距為50mm。實驗測試得到超聲波縱波在小口徑火箭彈彈頭中的傳播速度約6100m/s,橫波速度約3080m/s。實驗時將試件水平放置于支架上,置于水中。檢測時,通過絲杠傳動,探頭沿軸線方向移動,每1mm檢測1次。檢測結(jié)束后,試件沿圓周方向旋轉(zhuǎn)10°,重復(fù)軸線方向檢測。試件旋轉(zhuǎn)360°,完成對整個試件的檢測。檢測時,設(shè)定偏心距為6mm,水聲程為30mm。設(shè)定的依據(jù):(1)偏心距為6mm時,依據(jù)推導(dǎo)公式可計算出入射角約17.92°,折射角約36.69°,此時水/彈頭界面的橫波透射率高達約45%?？紤]探頭晶片有一定尺寸,則聚焦聲束到達試件下表面具有一定寬度,而非圖1所示的一根聲束,該偏心距應(yīng)略大于折射波中心聲束剛與試件內(nèi)壁表面相切時的偏心距。(2)依據(jù)中小直徑薄壁管超聲水浸聚焦探傷法的最佳水聲程公式,計算得最佳水聲程為31.4mm,選用水聲程為30.0mm時,探頭聲束的水中焦點落在試件截面水平軸線上方,并靠近水平軸線,理論上能得到細而長的折射聲束在試件管壁內(nèi)部傳播,檢測時干擾信號小,并能提高外表面缺陷的檢測靈敏度。進行超聲檢測實驗前,首先對試件進行了X射線檢測,確定試件缺陷的位置和類型。實驗時,選取了含有內(nèi)部夾雜缺陷、內(nèi)部斜向裂紋缺陷和表面軸向劃痕缺陷的2個試件,而后針對已知缺陷進行超聲實驗,研究缺陷回波特征。3.1聲檢測實驗結(jié)果通過X射線對試件1檢測發(fā)現(xiàn),其內(nèi)部存在一個夾雜缺陷。X射線檢測結(jié)果如圖2所示。針對試件1內(nèi)部夾雜缺陷進行超聲檢測實驗,并采集該缺陷的特征波形,如圖3所示。由采集的波形可看出,試件內(nèi)部夾雜缺陷回波特征明顯,信噪比較高。利用特征信號的峰值作為特征量,采用超聲C掃描成像技術(shù),對試件1的管狀部分進行C掃描重構(gòu),將0～1V的電壓幅值按0～255個灰度劃分,得到如圖4所示的C掃描重構(gòu)結(jié)果。圖4中,灰度值高部分為內(nèi)部夾雜缺陷的位置。3.2超聲檢測實驗試件2存在一個內(nèi)部斜向裂紋缺陷和一個細小的表面軸向劃痕缺陷,X射線檢測結(jié)果如圖5所示。內(nèi)部斜向裂紋較明顯,表面軸向劃痕無法從X射線檢測結(jié)果中看出。針對試件2已知的表面細小軸向劃痕缺陷(人為觀察確定)和其內(nèi)部的斜向裂紋缺陷(通過X射線檢測確定)進行超聲檢測實驗,分別采集2個缺陷的特征波形如圖6所示。由特征波形可看出,試件2中表面軸向劃痕缺陷特征明顯,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷特征相對較低。對試件2的信號特征進行C掃描重構(gòu),得到如圖7所示的C掃描結(jié)果。圖7中,灰度值高部分為存在缺陷的位置。比較試件1和試件2的C掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn),表面軸向劃痕和內(nèi)部夾雜缺陷的灰度值高,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷的灰度值相對較低,表明表面軸向劃痕和內(nèi)部夾雜缺陷回波能量較高,而內(nèi)部斜向裂紋缺陷回波能量相對較小。3.3采用水浸式聚焦接頭檢測小口徑火箭彈曲率半徑小,若采用接觸法進行檢測,由于探頭與試件直接接觸面小,聲波入射到試件內(nèi)部的能量小,使得特征回波信號的信噪比低,且受人為因素的影響大。而采用水浸式聚焦探頭檢測,探頭無需接觸試件的情況下,聲波聚焦于試件內(nèi)部,保證入射到試件內(nèi)部的能量增加,提高信噪比。目前,工廠采用B掃描方式判斷,該方式僅能判斷當前檢測點是否存在缺陷。而本文采用C掃描方式對缺陷信號進行重構(gòu),直觀地顯示出試件內(nèi)部是否存在缺陷,并能準確確定缺陷位置和大小。4痕缺陷檢測靈敏度(1)采用中心頻率為5MHz的水浸式聚焦探頭檢測,可準確檢測出彈頭內(nèi)部存在