1　焊接藥筒環(huán)焊縫超聲檢測方法

1.1　焊接藥筒介紹

　　焊接鋼質(zhì)藥筒是國營753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環(huán)焊機焊接而成的。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，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導致嚴重的后果。焊縫中主要會出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動檢測的要求，結(jié)合成本等因素，采用水浸超聲自動檢測方法。

1.2　環(huán)焊縫超聲正交掃描檢測方案

　　疵病有點狀和線狀兩種。通過對藥筒及環(huán)焊縫的具體分析，采取如圖1所示方案，從兩個方向?qū)缚p進行正交檢測，這樣不易漏檢，也可根據(jù)兩個方向獲得的信息對缺陷進行定性分析。圖1中三個探頭裝在一個探頭架上，全部采用水浸聚焦探頭。整個探頭和藥筒被測部分浸在水中(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，在傳播的同時部分能量以縱波的形式向水中輻射，穿過焊縫的板波到達某一點時，其輻射的縱波能量被探頭2接收。當板波聲束穿過的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時，探頭2接收到的信號變小。

　　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，當在焊道上距入射點一定距離內(nèi)有橫裂紋、氣孔等缺陷時，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(無疵病時，信號幅度為零)。

　　通過對兩組探頭信號的處理與綜合分析，可得出焊道上被測點的焊接情況。這就是檢測的基本原理和方法。

2　自動檢測系統(tǒng)總體設計

　　根據(jù)檢測方案，檢測系統(tǒng)應具有以下功能：

①兩組探頭對同一點先后檢測，并把各自的回波信號進行處理;

②提取回波信號的主要特征以便分析判斷;

③為了獲得整個焊道的信息，藥筒和探頭須有相對運動，使系統(tǒng)對整個圓周的焊縫都能檢測到;

④整個系統(tǒng)由微機進行控制和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)自動做出結(jié)論;

⑤遇到不合格的藥筒報警，并能在不合格的位置自動打標記，以便操作人員進行X射線檢驗核對。

　　根據(jù)以上考慮設計的檢測系統(tǒng)框圖，如圖2所示。微機是監(jiān)控中心，它通過測控及處理電路和各部分有機地聯(lián)合在一起。測控及處理電路包括兩組發(fā)射電路，回波信號預處理電路，物位檢測電路，打標控制電路，狀態(tài)指示電路。數(shù)據(jù)采集電路是用來對處理后的回波信號進行特征提取的，檢測系統(tǒng)總的工作過程是：

①先檢測藥筒是否到位(物位檢測)，不到位則等待，到位給出檢測指示狀態(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后進行放大、檢波、采樣后把數(shù)據(jù)儲存起來。然后單探頭發(fā)射超聲波并把接收到的有用信號經(jīng)過以上處理后儲存起來;

③在微機控制下，步進電機轉(zhuǎn)動一角度，通過傳動系統(tǒng)對應藥筒轉(zhuǎn)動到下一點;

④重復②的檢測，直到藥筒轉(zhuǎn)完一圈，這時整個焊道兩組探頭檢測到的數(shù)據(jù)已經(jīng)儲存起來;

⑤經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后給出結(jié)論，若不合格則報警并在不合格處打標記，需另行處理。然后等待下一發(fā)藥筒到位，重復以上檢測步驟。

3　多輸入-單輸出適配電路

　　正交檢測方案要求對同一點進行兩組探頭測量。為了兩組超聲波不混疊，兩組探頭應先后分別測量，兩個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，為了用一個通道來處理兩路信號(采用單通道探傷儀)，設計了多輸入-單輸出的適配電路。電路框圖如圖3(a)所示，工作原理是：在計算機的控制之下，控制單元首先讓雙探頭發(fā)射，延時一定時間，打開雙探頭多路轉(zhuǎn)換通道，使雙探頭接收到的信號經(jīng)過預處理后，通過多路轉(zhuǎn)換器進入探傷儀進行處理及后期特征提取，然后關閉雙探頭通道，讓單探頭發(fā)射，延時一定的時間后，打開單探頭多路轉(zhuǎn)換通道，讓單探頭接收的疵病信號，經(jīng)過預處理后，通過多路轉(zhuǎn)換器進行后期處理(始波信號通不過)，然后關閉單探頭通道，完成此次的檢測工作 (藥筒轉(zhuǎn)到下一點時重復以上步驟) 。其工作時序圖如圖3 (b)所示?；夭ㄐ盘栔?，1為始波，2為有用信號波，3為干擾信號，干擾信號幅值時大時小，有時不出現(xiàn)，單探頭的疵病信號是隨著藥筒轉(zhuǎn)動而逐漸向始波移動，當移到某一點時幅值大。

4　疵病信號特征提取電路設計

　　對于雙探頭組接收信號，在有疵病時表現(xiàn)為信號幅度下降，波形略有變化(和無疵病信號比較)，其主要特征是幅值，通過分析其頻譜，有疵病時頻譜略有展寬，根據(jù)這一特性，在信號處理電路中，設計了適合于無疵病信號頻譜的帶通濾波器，這樣，當有疵病時，幅值進一步下降。對于單探頭回波信號，當有橫裂紋等疵病時，有疵病信號，其大小與疵病大小有關，所以其特性也是信號的幅值。因此，為了簡化處理電路和減少處理時間，特性提取電路的功能就是要采集有用回波信號的峰值。

　　因為探傷儀處理后的回波信號是時域上變化很快的脈沖信號，信號過去后，為了保持住信號的峰值進行A/D轉(zhuǎn)換，設計了如圖4所示的兩級采保電路。級由分立元件( 高頻三極管和阻容等元件)組成，利用電容充電來采集峰值。信號到來時(SW斷開)，通過D1給C2充電，由于D1的單向?qū)щ娦?，信號過去后，C2兩端的電壓等于信號的峰值，但C2的保持能力差，由集成采樣保持器LF398在級峰保的基礎上采保。所以對采集速度要求不高，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中，不僅有有用信號，還有一些始波及干擾信號存在，所以須根據(jù)超聲波傳播的時間來控制峰保電路，使其保持有用信號的峰值，而使干擾信號不影響其輸出，在下一次采樣前，須使電容C2上的充電放掉(SW接通)，為此設計的控制信號KZ1，KZ2，KZ3的時序如圖5所示。