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钛合金管坯壁厚超声检测方法及机构设计

日期:2017-6-6
来源:中国研磨网《中国研磨》杂志

   ■ 陈盛天 方伟 黄云/文

  重庆三磨海达磨床有限公司 重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心

  摘要

  由于钛合金具有高强度、耐腐蚀、耐热等优点,在工业领域中被广泛应用,特别是钛合金管的使用,因此对钛合金管道进行必要的检测和维护来保证其使用安全也变得越来越重要。目前国内外针对内部结垢问题大都采用的是人工定期拆管检查,这样的检测方式不仅效率低,还增加了企业的成本。超声波测厚技术是检测行业厚度测量工程中的一个重要部分,能够有效且快捷地完成厚度的测量。本文通过对超声耦合系统进行研究,结合钛合金管坯特点、自动超声测厚系统和壁厚砂带修磨装置的关系,对钛合金管坯超声检测机构的机械部分进行了设计。

  1、钛合金管超声波液浸测厚法及耦合系统研究

  1.1 缝管材超声波液浸法测厚基本原理

  超声波液浸法指的是探头发射的声波经过一段液体层后再进入工件的检测方法。图1.1为管材离线超声波液浸法测厚的基本原理。

  当被检管材沿其轴线穿过检测区时,套住管材的容器充满液态耦合剂,超声探头发出与管材轴线垂直的超声波声束,通过耦合剂传播到管材表面上,在管材外表面一部分形成反射波,一部分透射后继续在管体内传播。反射波再通过耦合剂传播至探头后,经声电转化形成外表面回波脉冲,另一部分透射波传播至内下表面时也会形成反射波,其中的一部分又会在内外表面多次反射,进而形成多次回波信号。

  根据超声波脉冲法测厚的基本原理,液浸法所测得的壁厚值h为:

  其中,t1为探头接收到外表面反射回波的时间,t2为探头接收到一次透射回波的时间。

  液浸法检测,探头不直接接触工件,因此对工件表面粗糙度要求不高,探头也不易磨损。并且声波的发射和接收都比较稳定,探测结果重复性好,便于自动化检测的实现。

  1.2超声波耦合系统

  1.2.1耦合剂的选择

  耦合剂必须具备的性质:对晶片和工件的湿润性和中性;适当的粘度、流动性;声特性阻抗与工件的声特性阻抗相近;不会对工件产生腐蚀,无毒;透声性能好,价格低廉。

  水浸检测能够提供均匀的耦合,还能使探头避免摩擦和磨损。鉴于水浸法已成功应用于超声波探伤,有其现实可行性,且水对人体无害,对钛合金无腐蚀性,同时遵从工业应用低成本的原则,我们选择水作为耦合剂。

  1.2.2超声波耦合方式的选择

  在超声波液浸法测厚系统中,探头与工件间的耦合方式分为直接接触法、充液法、局部液浸法和全没液浸法四种。分析可得直接接触法不适用于自动检测,充液法存在摩擦问题,局部液浸法需要良好的密封,因此本文选择如图1.2所示的全没液浸法的耦合方式。

  全没液浸法就是将试件整个浸没在水槽或水箱中的方法,探头用夹具固定,超声波束中心通常应垂直于试件的检测面或地面。

  1.3探头到管坯表面距离的计算

  为了将探头激励信号与被测表面的回波反射信号区分开来,保证探头能够进行有效范围的检测,减少其扫描盲区,要求探头和被检测面之间的距离足够长。当水层厚度较小时,声波在探头与试件间的延迟时间将短于在试件中的延迟时间,在试件后壁回波到达之前将会出现不希望有的二次界面回波。由于实际声场近场区轴线上声压分布较为均匀,声能变化小,若管坯内外表面正好处在近场区内,可以有效提高测量的精度和准确性。因此,必须要设计合理的耦合水层厚度。

  ①衰减对耦合水层厚度S影响的计算

  鉴于底面回波会在管壁中多次反射的缘故,超声检测仪器在设计时通常会设定当第n次所发射的超声波脉冲衰减至0后再发射第n+1次超声波脉冲。因此,两次界面波之间的距离即为超声波脉冲在管壁内反射n次的距离。

  由前述超声波测厚理论可知,脉冲反射法测厚的实质是测量两相邻反射回波之间的经历时间T。因此,若把超声波在管壁内8次反复传播的时间设计为小于等于第一次界面波的返回时间,由T水=T钛, (式中T为超声波在介质中的传播时间,S'为声波传播距离,V为超声波在介质中的传播速度),可得:

  式中,t为管坯平均壁厚。

  整理得:

  ②近场距离N对水层厚度影响的计算

  水的近场距离为:

  钛合金的近场距离为:

  两种介质接触时,钛合金中的近场距离为:

  式中,L为水层厚度。

  因此,从保证测量装置水腔容积和检测装置灵活性的角度出发,探头至管坯表面距离定在S~N是较为合理的选择。

  2、超声波测厚系统的机构设计

  机械系统是整个测厚系统的基础,起着探头支撑固定及传动定位的功能。该系统中机械结构部分主要包括:探头装夹调节部分、耦合部分和工件驱动部分。

  2.1探头调节装置

  管材轧制完成后,必然会存在弯曲现象,造成管材实际轴向中心线与理论中心线不重合。实际检测过程中,管材在水槽中,探头位于管材正上方,理论数据应为探头检测到其正下方点管材壁厚数据。因此,管材弯曲现象会造成实际检测与理论检测数据不符合,这样就要求检测机构有一定自适应退让能力且有对于管材检测段有一定的弯曲修正能力,避免超声探头检测位置偏移需要检测点。

  检测时,探头要在管材正上方移动,为保证实际检测点与理论点尽可能重合,检测装置壳内装有两个导向轮(如图2.1所示),导向轮具有自适应退让能力,保证探头检测位置与理论位置尽量重合。

  本文研制的是钛合金管材壁厚超声波自动检测装置,需要得到管材壁厚分布情况,所以检测过程中探头会固定在检测装置并随其不断移动,因此在探头放入检测装置后,需要调整探头至最佳位置,以便更准确的检测到管材壁厚值。

  2.2耦合部分

  本文选择水作耦合剂,在使用过程中会有尘埃等杂质落入水中,影响超声检测的精确性,因此耦合装置必须方便耦合剂的更换。

  耦合装置如图2.2所示,在进水口处将阀门打开,即可将装置内灌满水。装置底面与水平面有小于1°的夹角,这样方便换水时沉淀物的彻底排出。水槽上方配有红外发射器,在将管件放入水槽后,便于实现对管件的定位。

  2.3驱动部分

  管件在放入料架之后需要通过机械结构将其缓慢放置入检测水槽中,检测完毕后再将其移出水槽;检测过程中探头装夹调节装置需要上下不断地落入和移出水中,而且还需要沿X轴方向作水平移动,另外,管件在水中还需要旋转。因此,驱动部分应包括上料机构、下料机构、管件驱动机构、检测装置升降和平移机构。

  如图2.3中上料机构,点击工控机上上料按钮,上料启动,通过气缸和支撑轴来控制上料架的启动,上料架快速抬起,再次点击后上料架带动管件缓慢落入水中。调节气缸的进气和出气口可控制料架的上下速度。下料架和上料架机构相似,下料架抬起将管件移出时缓慢,落入时快速。

  管件与检测水槽内轴上拖轮接触,在滚动摩擦力的作用下带动其转动。如图2.4,轴的转动通过电机间接控制,拖轮安装在轴上。控制系统中通过将管件需要转动角度换算成一定弧长,再控制电机旋转圈数。

  如图2.5,检测机构和压轮安装在滑板上,通过伺服电机带动滑板的移动,且都通过气缸来控制检测机构和压轮的升降。

  2.4 总体结构

  测厚系统的总体结构如图2.6所示。检测装置、气缸、压轮安装在滑板上,电机可控制滑板使其在X轴方向上作横向移动,两气缸分别控制检测装置和压轮的上下运动。在耦合驱动部分,电机驱动支撑轴1的运动,滚轮安装在轴上,通过滚动摩擦实现管件旋转。

  3、总结

  本文根据超声测厚基本原理和特点,提出了一种钛合金管坯超声波测厚方法,并对测厚系统的探头部分、探头移动部分、耦合剂密封块、工件夹紧和驱动部分以及耦合剂供给部分等机械结构进行了设计。该测厚系统能够有效快捷地完成厚度的测量,弥补了以往人工拆管测厚效率低、成本高的缺点,很好地满足了工业上的要求。

[责任编辑:seven]
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