采用計(jì)算機(jī)控制和微型組合探頭實(shí)現(xiàn)汽車全自動(dòng)探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、探傷原理與工藝參數(shù)的確定

1.1探傷原理

汽車后橋由沖壓成形的半橋殼、后蓋、法蘭盤、半軸套管等幾部分焊接而成。先由兩個(gè)半橋殼對(duì)接形成后橋殼，然后再由后橋殼與半軸套管用環(huán)焊縫焊接成橋殼體，環(huán)焊縫與對(duì)接縱縫成丁字交叉。

后橋材料為20號(hào)鋼，所有焊縫均采用CO2自動(dòng)焊接，環(huán)焊縫為搭接形式（見圖 1），可能出現(xiàn)的缺陷大多為根部未焊透和保護(hù)不當(dāng)引起的氣孔，其中根部未焊透對(duì)疲勞壽命影響最大。由于環(huán)焊縫與對(duì)接縱縫形成丁字形接頭，按照常規(guī)探傷方法，由于縱縫的阻礙引起幾何形狀突變，不利于探頭與工件表面的貼合，在焊縫表面實(shí)施自動(dòng)探傷比較困難。若采用水浸法，則不利于在線連續(xù)生產(chǎn)。由圖1可知，在后橋軸頭套管內(nèi)有一環(huán)形平面，環(huán)的寬度為9 mm，將探頭貼在此環(huán)上，從后橋內(nèi)壁向上發(fā)射超聲波來探測(cè)焊縫，若發(fā)射的超聲波包住整個(gè)焊接接頭斷面，旋轉(zhuǎn)后橋且探頭不動(dòng)，則可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)超聲波探傷，其原理如圖 1 所示，圖中a，b 和 c點(diǎn)為假設(shè)缺陷處，數(shù)字為超聲波聲軸線投影法確定的缺陷深度（單位為 mm）。

圖 1探傷原理及缺陷回波定位法示意圖

1.2探頭參數(shù)的選擇

1.2.1K值

由于后橋環(huán)縫位置的幾何形狀和尺寸的限制，滿足自動(dòng)探傷要求的位置狹小，為了保證探傷的可靠性，采用多探頭多方位掃查方式。探頭設(shè)計(jì)成組合探頭形式，后橋頭每邊采用4只探頭，兩邊共8只探頭同時(shí)檢測(cè)，每個(gè)組合探頭中的探頭以圓心為對(duì)稱點(diǎn)，相隔90°均布。探頭掃查方向如圖 2 所示，1號(hào)探頭向斜下方掃查焊縫，另外3只探頭從斜上方掃查環(huán)焊縫。兩端的組合探頭呈對(duì)稱布置。斜探頭入射角β由后橋環(huán)縫位置的幾何尺寸確定，其原則是超聲波束要包絡(luò)整個(gè)焊縫斷面，如圖1所示。計(jì)算可得［1］K1，3=1。28，K2，4=2。03。

1.2.2探頭頻率f

根據(jù)超聲波檢測(cè)理論，要減小超聲波通過介質(zhì)時(shí)的衰減和避免林狀回波干擾，應(yīng)采用波長較長的波型和較低頻率的超聲波為宜，要檢測(cè)出尺寸很小的缺陷，則希望超聲波波長要短，綜合考慮各方面的因素并經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定f=5 MHz的晶片，以保證較高的探傷靈敏度。

1.3探傷介質(zhì)確定

由于后橋材料為碳鋼，且經(jīng)探傷后要進(jìn)行機(jī)械加工，因此選用20號(hào)機(jī)油作為探傷耦合介質(zhì)，自動(dòng)探傷時(shí)，由油泵均勻連續(xù)地供給機(jī)油介質(zhì)，在組合探頭上設(shè)有出油孔，靠近各個(gè)分探頭，保證在探頭和被測(cè)表面之間形成均勻油膜。 ［page］

1.4組合探頭設(shè)計(jì)

專用微型組合探頭是接收和發(fā)射超聲波的換能器，其設(shè)計(jì)是根據(jù)工件的特定尺寸、位置以及保證橋殼探傷可靠的要求綜合構(gòu)思的。組合探頭采用銅質(zhì)基體（耐蝕性好），探頭內(nèi)設(shè)計(jì)有耦合劑通道，與探傷工件表面接觸處鑲有0。3 mm厚的硬質(zhì)合金片，保證組合探頭不被磨損。組合探頭由液壓缸驅(qū)動(dòng)，由位移傳感器控制行程，組合探頭與工件的接觸由彈性元件施力，模擬人工探傷時(shí)，給予探頭的接合力約為8 N，這樣既保證探頭與工件的緊密結(jié)合，又使探頭具有柔性可以與探傷表面隨動(dòng)，從而提高可靠性。

2、探傷系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

車橋環(huán)焊縫自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)主要由HKD-8型8通道數(shù)字化超聲波探傷儀，專用微型組合探頭，橋殼定位旋轉(zhuǎn)機(jī)床，液壓系統(tǒng)，電液控制箱，打標(biāo)機(jī)，586計(jì)算機(jī)，激光打印機(jī)及報(bào)警裝置組成，探傷節(jié)拍為每件探傷時(shí)間小于3。5 min，能進(jìn)行橋殼環(huán)縫超標(biāo)缺陷的判定，定位打標(biāo)記，檔案記錄，傷波形記錄和實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。

2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.2.1HKD-8數(shù)字探傷儀

HKD-8數(shù)字探傷儀具有8通道，能獨(dú)立發(fā)射和接收超聲波，各通道都能獨(dú)立完成探傷功能，又能任意組合，輪替進(jìn)行探傷掃查，具有如下功能：a。 系統(tǒng)參數(shù)和探傷工藝的設(shè)定以及傷波等三類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和恢復(fù)；b。 聲速設(shè)置，零點(diǎn)校準(zhǔn)，K值校準(zhǔn)及缺陷深度定位；c。 探傷靈敏度及報(bào)警閘門的調(diào)節(jié)；d。 對(duì)閘門內(nèi)回波進(jìn)行讀數(shù)監(jiān)視及聲光分級(jí)報(bào)警；e。 超標(biāo)缺陷的自動(dòng)打標(biāo)記及探傷結(jié)果的自動(dòng)存儲(chǔ)；f。 整條環(huán)縫探傷波形的360°全景顯示及存儲(chǔ)；g。 探傷報(bào)告的建立、記錄和打??；h。 實(shí)時(shí)顯示回波波高、位置以及回波峰值包絡(luò)選擇。

探傷儀采用人機(jī)對(duì)話方式操作，各參數(shù)可通過鼠標(biāo)選擇調(diào)整。

2.2.2橋殼夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)床

機(jī)床完成橋殼的定位及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，同時(shí)支撐和送給探傷探頭，機(jī)床以橋殼兩端軸套管的外表面為定位和夾持基準(zhǔn)。工件的旋轉(zhuǎn)采用交流伺服電機(jī)變頻控制來調(diào)節(jié)橋殼的旋轉(zhuǎn)速度。由液壓站供給動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)探頭的進(jìn)退，同時(shí)供給探傷耦合劑。探頭的探傷位置由位置傳感器和壓力傳感器給定，工件的上下由人工完成，也可增加機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下工件。機(jī)床上設(shè)計(jì)有缺陷定位打標(biāo)裝置，采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)，使用長效油性記錄筆，根據(jù)計(jì)算機(jī)指令標(biāo)記出缺陷相應(yīng)位置。

2.3儀器控制系統(tǒng)

儀器控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)探傷和手動(dòng)探傷程序，手動(dòng)探傷主要用于系統(tǒng)的調(diào)整和人工探傷，設(shè)置有“急?！焙汀皬?fù)位”按鈕，同時(shí)，通過變頻調(diào)速器可設(shè)定和調(diào)整探傷工件的旋轉(zhuǎn)速度。全自動(dòng)探傷由計(jì)算機(jī)控制，在計(jì)算機(jī)程序中設(shè)置有虛擬控制盤和各功能按鈕，可單獨(dú)控制探傷工序中的每一動(dòng)作，還可選擇探傷儀通道，全屏幕觀察該通道號(hào)探傷波形，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探傷過程，提高探傷的準(zhǔn)確性。全自動(dòng)探傷程序用于連續(xù)探傷生產(chǎn)。

2.4多通道數(shù)字探傷儀

探傷儀由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)同步控制，并采用鍵盤按照人機(jī)對(duì)話的形式進(jìn)行操作。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出同步脈沖信號(hào)觸發(fā)發(fā)射電路，產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖加在超聲探頭上，探頭收到的脈沖超聲波轉(zhuǎn)換成微弱信號(hào)，由接收放大器放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后經(jīng)顯示卡至顯示器上，實(shí)時(shí)或凍結(jié)顯示器波脈沖［2］，多通道探傷儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率范圍 為0。5～10 MHz；最高重復(fù)頻率為 5 kHz；衰減量為 119 dB，0。5 dB步進(jìn)（小檔）和5 dB步進(jìn)（大檔）；動(dòng)態(tài)范圍為 26 dB；垂直線性不大于4 %（2。5 MHz）；水平線性不大于4 %；脈沖延遲 0～302。0 mm；測(cè)量范圍為 38。01～304。1 mm；采樣頻率為 40 MHz；分辨率不小于28 dB；對(duì)200 mm深度-2平底孔2。5p20Z靈敏度不小于46 dB；5p14Z靈敏度不小于36 dB；每通道都有傷波閘門，其范圍可從0 %～100 %，以紅色亮線顯示，水平方向表示時(shí)間，垂直方向表示范圍，同時(shí)具有聲、光報(bào)警方式，并在工件上實(shí)時(shí)標(biāo)記缺陷位置。

3、測(cè)試及使用結(jié)果

目前，汽車后橋的超聲波探傷系統(tǒng)還沒有明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，借用YB1082-92標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探傷系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其綜合性能指標(biāo)達(dá)到了YB4082-92規(guī)定的合格值。同時(shí)對(duì)實(shí)際車橋模擬缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，缺陷檢出率為100 %，圖 3 為某車橋檢測(cè)整條焊縫的波形記錄和缺陷位置、長度及波高的檔案記錄，缺陷為未焊透 （圖中CH1～CH4 為探頭號(hào)，α為車橋的旋轉(zhuǎn)角度）。

本系統(tǒng)采用了車橋橋頭內(nèi)孔探傷的新方法實(shí)現(xiàn)了汽車后橋環(huán)焊縫的全自動(dòng)探傷?！安捎靡惑w化設(shè)計(jì)的微型組合探頭，采用機(jī)油耦合，彈性施力，使得聲耦合條件穩(wěn)定。檢測(cè)過程中聲束入射條件穩(wěn)定，保證了探傷的穩(wěn)定和高靈敏度。同時(shí)，該系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了缺陷的評(píng)判、定位以及記錄的自動(dòng)化，也實(shí)現(xiàn)了探傷報(bào)告的實(shí)時(shí)編寫，該系統(tǒng)已投入使用。

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