一种超声检测中精确定位材料上缺陷的方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种超声检测中精确定位材料上缺陷的方法，属于无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002]无损检测已广泛用于金属制品的缺陷检测与质量评价中。金属制品无损检测中获取微小缺陷在材料中的精确位置信息至关重要，是指导材料金相解剖，验证检测工艺有效性的重要依据，是材料制造部门分析缺陷性质，指导产品制造工艺改进的重要参考，也是结构寿命预测、材料无损评价等热点研宄领域中，有效开展材料含缺陷部位取样与力学性能测试，总结缺陷对材料力学性能影响规律，以指导建立材料验收标准和实现结构损伤容限设计等的重要前提。
[0003]超声检测是金属制品上应用最广泛的无损检测技术之一。金属制品超声检测常用方法包括水浸法和接触法。
[0004]水浸法检测时，声波经一定厚度的水层进入和离开被检件。由于声波无形无色且探头与工件表面不接触，因此，要直接获得缺陷在试件上的平面位置有较大难度，特别是水槽较大或试件较大时，操作者更是难以在试件表面对缺陷作出标记。通过水浸超声C扫描检测，虽可生成声束扫描位置信息与超声检测信号相对应的二维平面C扫描图像，但C扫描图像中声束扫描位置的坐标系与被检材料实际坐标系之间缺少精确关联，直接利用C扫描图像进行缺陷定位误差很大。因此，目前，在水浸检测发现缺陷后，通常还会再用接触法进行定位。
[0005]接触法是保持探头端面与工件表面贴合进行缺陷探测的方法，该方法一般是采用手动方式，并是在假设声束轴线与探头中心线重合(对于采用直探头，声束垂直入射检测的情况)，或假设声束轴线与探头端面中心点重合，且声束角度与标称值严格一致(对于用斜探头，声束倾斜入射检测的情况)的前提下进行缺陷定位的:当探测到缺陷时，首先将探头声束对准缺陷，并手工标记探头在探测面上的实际位置，然后，取所标记的探头端面中心点位置作为声束在材料表面的入射点位置，再结合声束在材料中传播的理论角度，以及声束在缺陷、入射点之间往返的时间、速度测量值进行缺陷平面位置、埋深的评定。由于手工标记探头位置普遍存在较大人为偏差，加之实际当中探头所发出声束与假设情况存在角度、位置的偏差，因此，接触法缺陷定位方式仍无法保证精度，给缺陷部位的切割取样及金相分析带来不确定性。
[0006]目前，为进一步提高缺陷定位精度，在用接触法初步定位缺陷，并从材料上切取含缺陷样品后，部分检测工作者利用水浸超声C扫描检测系统采取二次定位缺陷的措施:将含缺陷样品加工成长方体或正方体形，用声波垂直入射缺陷样品上互相垂直的三个表面，根据同一缺陷相对于不同探测面的埋深来定位缺陷。以上方法避免了接触法检测中人工标记探头位置、声束偏离理论位置所带来的缺陷定位误差，且由于声波在缺陷与探测面之间往返的时间、速度一般可准确测量，因此应可获得较高的缺陷定位精度，但该方法需要从缺陷样品的三个不同探测面对同一缺陷进行分别检测与定位，不适合批量操作，效率低，当样品中同时有多个密集相邻缺陷存在时，从不同探测面还将难以准确分辨同一缺陷，容易出错O
【发明内容】
[0007]本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种超声检测中精确定位材料上缺陷的方法，其目的是提供一种金属材料中缺陷三维空间位置的精确定位方法，定位误差可g 0.5_，用于提高无损检测技术研宄中金属材料异常信号部位解剖验证的取样加工精度，提高金属材料制造过程中冶金缺陷解剖分析的取样加工精度，以及提高结构寿命预测、材料无损评价等热点研宄领域中金属材料含缺陷部位力学性能测试的取样加工精度。
[0008]本发明的目的是通过以下技术措施来实现的:
[0009]根据超声检测理论，当探头声束与反射平面垂直且平行离开反射平面时，若反射回波的声压变为原来的一半，则表明探头发射声压的一半移离反射平面。由于探头声束的对称性，若反射平面的边缘平直，则此时探头声束的中心点也正好位于反射平面的边缘。实际当中，超声探伤单元显示屏上的信号幅度与声压成正比，因此可通过观察超声探伤单元显示屏上回波幅度降为原来一半的方式来确定探头声束的中心点位于反射平面的边缘。
[0010]本发明正是利用上述原理，在水浸超声C扫描检测系统中实现了探头声束扫描位置坐标系与被检材料坐标系相精确关联的基础上，进一步利用了普通水浸超声C扫描检测系统所具备的高精度运动控制、C扫描成像、缺陷回找等功能特点来实现材料中缺陷的精确定位。
[0011]结合图1?图3，本发明具体采用以下技术方案有效解决了水浸超声C扫描检测中探头声束扫描位置坐标系与被检材料坐标系之间通常难以精确关联的问题:
[0012]本发明所述超声检测中精确定位材料上缺陷的方法的步骤是:
[0013]步骤一、在一个带有水平旋转工作面的托盘(I)的水平工作面上固定放置一个长方体形规块(2)，在长方体形规块(2)长度方向的一侧固定放置一个限位块(3)，在托盘(I)的水平工作面上再放置一块用于确定检测基准的方形规块(4)，方形规块(4)相邻侧面之间互相垂直，将方形规块(4)的两个相邻侧面中的一个侧面与长方体形规块(2)长度方向的侧面贴合，另一个侧面与限位块(3)靠紧，然后整体放入水浸超声C扫描检测系统的水槽中；
[0014]步骤二、旋转托盘(I)，使托盘(I)水平工作面上的长方体形规块(2)的长度方向与水浸超声C扫描检测系统的水平直线平移轴X平行，然后用水浸超声C扫描检测系统的探头(5)的声束(6)对方形规块(4)的上表面进行水平扫描，探头(5)的声束(6)与方形规块(4)的上表面垂直，扫描方向为以下两个:
[0015]第一个扫描方向:当探头(5)的声束(6)的中心触及并位于方形规块(4)与长方体形规块(2)相贴合的侧面的边缘时，探头(5)的声束(6)的回波高度下降一半，将探头
(5)的声束(6)在该位置处的Y坐标值定义为基准YO；
[0016]第二个扫描方向:当探头(5)的声束(6)的中心触及并位于方形规块(4)与限位块(3)靠紧的侧面的边缘时，探头(5)的声束(6)的回波高度下降一半，将探头(5)的声束
(6)在该位置处的X坐标值定义为基准XO；
[0017]步骤三、在被检材料(7)的水平超声探测面(8)的侧面加工两个互相垂直的竖直面(9)，将被检采来噢(7)放置于托盘(I)的水平工作面上，其中一个竖直面(9)与长方体形规块(2)长度方向的侧面贴合，另一个竖直面(9)与限位块(3)靠紧；
[0018]上述操作可保证被检材料(7)的两个竖直面(9)分别与水浸超声C扫描检测系统的X、Y轴平行，且被检材料(7)的两个竖直面(9)在探头(5)的声束(6)的扫查位置坐标系中的坐标依次为Υ0、Χ0，即实现了探头(5)的声束(6)的扫描位置坐标系与被检材料(7)的坐标系之间的精确关联；
[0019]步骤四、用探头(5)的声束(6)对被检材料(7)的水平超声探测面(8)进行水平扫描，得到扫描位置信息与超声检测信号相对应的二维平面C扫描图像，确定图像中的缺陷信号位置，利用水浸超声C扫描检测系统的缺陷回找功能将探头(5)的声束(6)定位至水平超声探测面(8)上方与缺陷信号相对应的位置处，记录探头(5)的声束(6)在该位置处的X、Y坐标值X’、Y’，将该坐标值与基准Χ0、YO相减，取差值Λ X、Λ Y分别作为该缺陷信号位置相对被检材料(7)上两个竖直面(9)的距离，进一步从超声探伤单元读取缺陷相对超声探测面(8)的埋深，最后将读取的埋深与ΔΧ、△ Y相组合构成缺陷在被检材料中的三维空间位置坐标，该步骤是在实现探头声束扫描位置坐标系与被检材料坐标系之间精确关联的基础上，进一步利用水浸超声C扫描检测系统的所具备的高精度运动控制、C扫描成像、缺陷回找等功能特点实现了被检材料中缺陷三维坐标位置的精确定位。
[0020]采用本发明所提供技术方案进行超声检测中材料上缺陷定位的优点和有益效果是:
[0021]1、有效实现了超声探头声束扫描位置坐标系与被检材料坐标系之间的精确关联，并充分利用了常见水浸超声C扫描检测系统所具备的高精度运动控制、C扫描成像、缺陷回找等功能特点，使得材料中缺陷的定位误差可5 0.5mm，无论与水浸法、接触法超声检测中依靠人工标记探头位置的方式相比，还是与超声C扫描检测中直接依靠超声C扫描图像进行缺陷定位的方式相比，均使得缺陷的定位误差大幅缩小；
[0022]2、仅从一个探测方向即可测定材料中缺陷的三维空间位置，加