1　焊接藥筒環(huán)焊縫超聲檢測(cè)方法

1.1　焊接藥筒介紹

　　焊接鋼質(zhì)藥筒是國(guó)營(yíng)753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環(huán)焊機(jī)焊接而成的。在焊接處，筒底厚度為2.6 mm，筒體厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm寬的環(huán)形焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時(shí)，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。焊縫中主要會(huì)出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)的要求，結(jié)合成本等因素，采用水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)方法。

1.2　環(huán)焊縫超聲正交掃描檢測(cè)方案

　　疵病有點(diǎn)狀和線狀兩種。通過(guò)對(duì)藥筒及環(huán)焊縫的具體分析，采取如圖1所示方案，從兩個(gè)方向?qū)缚p進(jìn)行正交檢測(cè)，這樣不易漏檢，也可根據(jù)兩個(gè)方向獲得的信息對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。圖1中三個(gè)探頭裝在一個(gè)探頭架上，全部采用水浸聚焦探頭。整個(gè)探頭和藥筒被測(cè)部分浸在水中(圖中未畫出水)。

　　圖1(a)中，探頭1是發(fā)射探頭，發(fā)射的縱波在水中傳播斜入射到藥筒筒體，在鋼板中產(chǎn)生A1模式的板波。板波沿垂直于焊縫的方向傳播，在傳播的同時(shí)部分能量以縱波的形式向水中輻射，穿過(guò)焊縫的板波到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，其輻射的縱波能量被探頭2接收。當(dāng)板波聲束穿過(guò)的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時(shí)，探頭2接收到的信號(hào)變小。

　　圖1(b)中，探頭3發(fā)射的縱波斜入射到焊縫上，在焊縫中產(chǎn)生表面波，沿焊縫方向傳播，當(dāng)在焊道上距入射點(diǎn)一定距離內(nèi)有橫裂紋、氣孔等缺陷時(shí)，表面波沿焊縫方向反射，反射回波的部分能量以縱波的形式向水中輻射，被探頭3接收形成缺陷反射回波信號(hào)(無(wú)疵病時(shí)，信號(hào)幅度為零)。

　　通過(guò)對(duì)兩組探頭信號(hào)的處理與綜合分析，可得出焊道上被測(cè)點(diǎn)的焊接情況。這就是檢測(cè)的基本原理和方法。

2　自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)檢測(cè)方案，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

①兩組探頭對(duì)同一點(diǎn)先后檢測(cè)，并把各自的回波信號(hào)進(jìn)行處理;

②提取回波信號(hào)的主要特征以便分析判斷;

③為了獲得整個(gè)焊道的信息，藥筒和探頭須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)對(duì)整個(gè)圓周的焊縫都能檢測(cè)到;

④整個(gè)系統(tǒng)由微機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)做出結(jié)論;

⑤遇到不合格的藥筒報(bào)警，并能在不合格的位置自動(dòng)打標(biāo)記，以便操作人員進(jìn)行X射線檢驗(yàn)核對(duì)。

　　根據(jù)以上考慮設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)框圖，如圖2所示。微機(jī)是監(jiān)控中心，它通過(guò)測(cè)控及處理電路和各部分有機(jī)地聯(lián)合在一起。測(cè)控及處理電路包括兩組發(fā)射電路，回波信號(hào)預(yù)處理電路，物位檢測(cè)電路，打標(biāo)控制電路，狀態(tài)指示電路。數(shù)據(jù)采集電路是用來(lái)對(duì)處理后的回波信號(hào)進(jìn)行特征提取的，檢測(cè)系統(tǒng)總的工作過(guò)程是：

①先檢測(cè)藥筒是否到位(物位檢測(cè))，不到位則等待，到位給出檢測(cè)指示狀態(tài);

②垂直于焊縫的雙探頭組發(fā)射超聲波，接收探頭接收到信號(hào)后進(jìn)行放大、檢波、采樣后把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)。然后單探頭發(fā)射超聲波并把接收到的有用信號(hào)經(jīng)過(guò)以上處理后儲(chǔ)存起來(lái);

③在微機(jī)控制下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)藥筒轉(zhuǎn)動(dòng)到下一點(diǎn);

④重復(fù)②的檢測(cè)，直到藥筒轉(zhuǎn)完一圈，這時(shí)整個(gè)焊道兩組探頭檢測(cè)到的數(shù)據(jù)已經(jīng)儲(chǔ)存起來(lái);

⑤經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后給出結(jié)論，若不合格則報(bào)警并在不合格處打標(biāo)記，需另行處理。然后等待下一發(fā)藥筒到位，重復(fù)以上檢測(cè)步驟。

3　多輸入-單輸出適配電路

　　正交檢測(cè)方案要求對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行兩組探頭測(cè)量。為了兩組超聲波不混疊，兩組探頭應(yīng)先后分別測(cè)量，兩個(gè)回波的后期處理基本相同，而工廠現(xiàn)有CTS-23型單通道探傷儀，為了用一個(gè)通道來(lái)處理兩路信號(hào)(采用單通道探傷儀)，設(shè)計(jì)了多輸入-單輸出的適配電路。電路框圖如圖3(a)所示，工作原理是：在計(jì)算機(jī)的控制之下，控制單元首先讓雙探頭發(fā)射，延時(shí)一定時(shí)間，打開雙探頭多路轉(zhuǎn)換通道，使雙探頭接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)入探傷儀進(jìn)行處理及后期特征提取，然后關(guān)閉雙探頭通道，讓單探頭發(fā)射，延時(shí)一定的時(shí)間后，打開單探頭多路轉(zhuǎn)換通道，讓單探頭接收的疵病信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后期處理(始波信號(hào)通不過(guò))，然后關(guān)閉單探頭通道，完成此次的檢測(cè)工作 (藥筒轉(zhuǎn)到下一點(diǎn)時(shí)重復(fù)以上步驟) 。其工作時(shí)序圖如圖3 (b)所示?；夭ㄐ盘?hào)中，1為始波，2為有用信號(hào)波，3為干擾信號(hào)，干擾信號(hào)幅值時(shí)大時(shí)小，有時(shí)不出現(xiàn)，單探頭的疵病信號(hào)是隨著藥筒轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸向始波移動(dòng)，當(dāng)移到某一點(diǎn)時(shí)幅值大。

4　疵病信號(hào)特征提取電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)于雙探頭組接收信號(hào)，在有疵病時(shí)表現(xiàn)為信號(hào)幅度下降，波形略有變化(和無(wú)疵病信號(hào)比較)，其主要特征是幅值，通過(guò)分析其頻譜，有疵病時(shí)頻譜略有展寬，根據(jù)這一特性，在信號(hào)處理電路中，設(shè)計(jì)了適合于無(wú)疵病信號(hào)頻譜的帶通濾波器，這樣，當(dāng)有疵病時(shí)，幅值進(jìn)一步下降。對(duì)于單探頭回波信號(hào)，當(dāng)有橫裂紋等疵病時(shí)，有疵病信號(hào)，其大小與疵病大小有關(guān)，所以其特性也是信號(hào)的幅值。因此，為了簡(jiǎn)化處理電路和減少處理時(shí)間，特性提取電路的功能就是要采集有用回波信號(hào)的峰值。

　　因?yàn)樘絺麅x處理后的回波信號(hào)是時(shí)域上變化很快的脈沖信號(hào)，信號(hào)過(guò)去后，為了保持住信號(hào)的峰值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了如圖4所示的兩級(jí)采保電路。級(jí)由分立元件( 高頻三極管和阻容等元件)組成，利用電容充電來(lái)采集峰值。信號(hào)到來(lái)時(shí)(SW斷開)，通過(guò)D1給C2充電，由于D1的單向?qū)щ娦?，信?hào)過(guò)去后，C2兩端的電壓等于信號(hào)的峰值，但C2的保持能力差，由集成采樣保持器LF398在級(jí)峰保的基礎(chǔ)上采保。所以對(duì)采集速度要求不高，它的保持特性很好，滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。

　　由于單、雙探頭組的回波信號(hào)中，不僅有有用信號(hào)，還有一些始波及干擾信號(hào)存在，所以須根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)控制峰保電路，使其保持有用信號(hào)的峰值，而使干擾信號(hào)不影響其輸出，在下一次采樣前，須使電容C2上的充電放掉(SW接通)，為此設(shè)計(jì)的控制信號(hào)KZ1，KZ2，KZ3的時(shí)序如圖5所示。