CN102854248B - 薄片工件环形焊缝的超声波检测*** - Google Patents

Abstract

本发明为薄片工件环形焊缝的超声波检测***，探头安装架的摆臂中部的回转销插在限位臂的纵向导向槽内，沿导向槽滑动调节摆臂前端位置，蝶形螺母紧固之。装于摆臂前端的导杆下端固接套装探头夹持器的转臂。探头夹持器包括插装探头的夹持套筒和套于转臂的滑动套筒，滑动套筒在转臂上的平移和转动调节探头位置和入射角。旋转工作台的旋转轴上端处于水箱内、固定带有定位凸沿的安装盘并配有定位环。超声波探伤卡具有4个超声工作通道、单通道采样频率100MHz。探头为高频窄脉冲水浸点聚焦探头。本发明工件装夹牢固、同心度高、装卸方便，探头定位精度高且稳定。可检测厚3mm的薄片工件上宽2mm的窄焊缝，可识别当量尺寸0.5mm以上的微小缺陷。

Description

薄片工件环形焊缝的超声波检测***

技术领域

本发明涉及超声波检测技术，具体为一种薄片工件环形焊缝的超声波检测***。

背景技术

超声波探伤是属于无损检测中主要的一种。从超声波反射波的位置和波形即可得到金属内部缺陷的深度和缺陷的性质。目前，超声波无损探伤广泛地应用于锻件、铸件和焊接件的质量检测。

使用超声波检测时要让超声波探头的超声波束扫描整个工件或整条焊缝。故对于环形焊缝的工件需要专门的装夹工件的旋转工作台，在检测工作开始前，调整探头与被测工件的相对位置，使超声波束聚焦在焊缝上。还需调整探头角度和增益，使第一界面超声波回波幅值达到要求。检测时超声波探伤卡发出的脉冲信号加到超声探头上，探头发射出的超声波通过液体介质（水）入射到被检工件上并在工件被测部位内部传播，经过底部界面或其内缺陷的反射，产生回波。与此同时，同步控制电路控制工作台带动被测工件匀速旋转，使工件被测部位平稳匀速在超声波探头下通过，探头接收超声回波并传回超声波探伤卡，在计算机中分析缺陷类型。

目前的超声检测***多为检测棒材、钢管、齿轮、铁路钢轨及火车轮毂等大型、中厚型零件，检测的零件的厚度一般在8mm以上，对于工件的检测精度要求不高，只要检测出大于当量尺寸2mm的缺陷即可。又由于目前在超声检测中界面波与底波较易区分，缺陷波也容易识别，频率为2.5—5MHz的普通探头均可完成检测。

对于汽车离合器从动盘等薄片工件多用高能束焊接，如电子束焊接或激光焊接，因工件薄（厚度仅为3mm）、焊缝窄（宽度仅2mm）、且要求检测出大于当量尺寸0.5mm的微小缺陷，普通夹具定位精度不够，且超声波检测时易出现上下界面反射波混叠，界面回波与缺陷回波难以识别等现象。影响超声波对薄片工件高能束焊缝的准确检测。

因此需要研制一种适合于高能束焊接的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其探头和环形焊缝的定位精确，超声波入射角度准确稳定，待测薄片工件的装卸方便安装稳定，旋转同心度高，以完成汽车离合器从动盘等薄片工件环形焊缝的在线超声波检测。

发明内容

本发明的目的是设计一种薄片工件环形焊缝的超声波检测***，包括计算机、超声波探伤卡、超声波探头，还有探头安装架、旋转工作台和水箱。探头安装架上探头夹持器可实现在X轴与Y轴方向上的平移和360度旋转，方便调节探头位置和角度；旋转工作台实现对工件的夹持、定心及旋转运动。从而能保证对薄片环形焊缝稳定可靠的超声波检测。

本发明设计的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，包括计算机、超声波探伤卡、超声波探头，还有探头安装架、旋转工作台和水箱；计算机连接超声波探伤卡和同步控制电路，超声波探伤卡连接探头，向探头发送超声波脉冲并接收探头得到的回波信号，同步控制电路则连接控制旋转工作台的电机电路，探头安装于探头安装架上的探头夹持器上。旋转工作台安装于水箱内。

本发明的探头安装架包括摆臂、限位臂、导杆、转臂和探头夹持器。摆臂和限位臂的一端分别铰接于水箱一侧，摆臂和限位臂的前端伸向水箱顶面内，限位臂上有沿臂纵向的导向槽，摆臂中部固定有回转销，摆臂的回转销插在限位臂的导向槽内，回转销沿导向槽滑动，即可调节摆臂前端在水箱顶面的位置，回转销上端有蝶形螺母，紧固蝶形螺母固定摆臂和限位臂的相对位置，使摆臂前端定位。导杆上端插在摆臂前端的导杆孔内，导杆下端固接1或2根转臂，每根转臂上套装1或2个探头夹持器。

所述探头夹持器包括夹持套筒和滑动套筒，两个套筒的横截面相互垂直，夹持套筒的筒壁上有固定探头的探头紧固螺钉，探头***夹持套筒后探头紧固螺钉旋入顶紧探头固定之。滑动套筒与转臂配合，滑动套筒沿转臂滑动可调节探头夹持器与中心的距离，适应不同直径的环形焊缝，滑动套筒围绕转臂转动，可调节夹持套筒中心线与铅垂线的角度，从而调节探头发出的超声波束在待测工件焊缝表面的入射角。滑动套筒的筒壁上有固定滑动套筒与转臂的相对位置的夹持器紧固螺钉，滑动套筒位置调节后、夹持器紧固螺钉旋入顶紧转臂、固定滑动套筒于转臂。在夹持套筒外壁还固定有罩扣在探头下方的保护架，保护架为网制，以避免工件装卸时碰撞探头。

本发明的旋转工作台包括旋转轴、安装盘和电机，旋转轴下端可转动地穿过水箱底与电机相连接，旋转轴与水箱底之间密封，电机安装于水箱底下方。旋转轴上端处于水箱内、固定安装盘。安装盘上有与旋转轴同心的突起的定位凸沿，定位凸沿为环形凸起，内径大于安装盘的中心孔孔径。

为了便于不同尺寸的待测工件定位，安装盘的定位凸沿外径等于或小于待测工件的内径，并配有多个不同尺寸的定位环，定位环的内径与安装盘的定位凸沿外径相等，每个定位环外径与某种待测工件内径相等，根据待测工件选择安装对应的定位环，定位环装于安装盘上、套在定位凸沿外，待测工件套装在定位环，其中心与工作台旋转轴保持同轴。

为了进一步稳定待测工件并使之与安装盘一起转动，安装盘还配有2～6个压杆，每个压杆包括相互垂直的竖杆和横杆，其竖杆与旋转轴平行、穿过位于定位盘的定位环内的安装盘的定位凸沿内的压杆孔，弹簧套在安装盘下方的竖杆上、位于竖杆底端的螺母和安装盘之间。压杆上部的横杆在安装盘上方，横杆前端有向下的凸起，弹簧的张力使压杆向下移动、横杆前端的凸起压在待测工件上。调节竖杆底端的螺母可调节弹簧张力。压杆将待测工件压于安装盘上。

本***为了提高超声波检测的分辨率、灵敏度和信噪比，所用超声波探伤卡为具有4个超声工作通道、单通道采样频率100MHz的超声波探伤卡。为了适合识别微小缺陷、提高分辨率和信噪比并适应自动检测，所用探头为高频窄脉冲水浸点聚焦探头，其频率为10MHz～15MHz，晶片直径5～10mm，焦距20～35mm，且具有回波形状单峰性、脉冲宽度为70ns～150ns和相对带宽大于50%的频率特性。

与现有技术相比，本发明薄片工件环形焊缝的超声波检测***的优点为：1、其旋转工作台的安装盘上有定位盘和压杆，待测薄片工件装夹牢固、与旋转轴同心度高，稳定性好、振动小，且装夹、拆卸方便，适用于电子束或激光束等高能束焊接的薄片工件环形焊缝的在线超声波检测；2、探头安装架的摆臂和限位臂实现回转定位，摆臂调节定位角度精度可达0.1度，蝶形螺母固定锁死摆臂和限位臂，以保证检测中探头定位的稳定；3、旋转工作台的安装盘和工件处于水箱中，采用液浸法进行超声检测，探头在耦合剂水中不与工件直接接触，超声波的发射与接收比较稳定，探头不易磨损，寿命长，易于实现自动化在线检测；4、采用高频宽带窄脉冲水浸聚焦探头，可检测厚度仅为3mm的薄片工件上宽度仅2mm的窄焊缝，分辨率和信噪比高，可识别当量尺寸0.5mm的微小缺陷；5、计算机控制超声波探伤卡和旋转工作台的电机运行，以满足采集同步的要求，响应快、精度高；6、计算机的超声波检测缺陷可视化软件可分别将不同闸门检测到的焊缝缺陷的位置信息实时显示在电脑屏幕上，再使用超声检测缺陷智能分析软件根据缺陷回波数据确定缺陷的性质，且检测结果可在显示屏实时显示或在其它输出设施上输出，完成在线检测；7、***整体结构紧凑、体积小，电机、减速器及其他传动装置均置于水箱下部，外观整体性强。

附图说明

图1为本薄片工件环形焊缝的超声波检测***实施例的安装了旋转工作台和探头安装架的水箱俯视图；

图2为本薄片工件环形焊缝的超声波检测***实施例的安装了旋转工作台和探头安装架的水箱侧视图；

图3为图1中探头安装架的俯视图；

图4为图1中探头安装架的侧视图；

图5为图1中探头安装架的探头夹持器的放大示意图；

图6为图1中旋转工作台侧视图；

图7为图1中旋转工作台俯视图；

图8为本薄片工件环形焊缝的超声波检测***实施例的控制电路框图。

图内标号为：1、水箱，11、水箱底，2、探头安装架，21、摆臂，22、蝶形螺母，23、限位臂，24、转臂，25、保护架，26、探头夹持器，261、夹持器紧固螺钉，262、滑动套筒，263、探头紧固螺钉，264、夹持套筒，27、导杆，3、旋转工作台，31、安装盘，311、定位凸沿，32、旋转轴，33、压杆，34、定位环，35、工件，4、机架，5、水阀。

具体实施方式

本薄片工件环形焊缝的超声波检测***实施例，包括计算机、超声波探伤卡、超声波探头，还有探头安装架、旋转工作台和水箱；如图8所示计算机连接超声波探伤卡和同步控制电路，超声波探伤卡连接探头，向探头发送超声波脉冲并接收探头得到的回波信号，同步控制电路则连接控制旋转工作台的电机电路，探头安装于探头安装架上的探头夹持器上。旋转工作台安装于水箱内。

本例安装了旋转工作台3和探头安装架2的水箱1结构图如图1和2所示。水箱1安装于机架4上。

本例的探头安装架2结构如图1至5所示，包括摆臂21、限位臂23、导杆27、转臂24和探头夹持器26。摆臂21和限位臂23的一端分别铰接于水箱1一侧，摆臂21和限位臂23的前端伸向水箱1顶面内，限位臂23上有沿臂纵向的导向槽，摆臂21中部固定有回转销，摆臂21的回转销插在限位臂23的导向槽内，回转销沿导向槽滑动，调节摆臂前端在水箱顶面的位置，回转销上端有蝶形螺母22，紧固蝶形螺母22固定摆臂21和限位臂23的相对位置。导杆27上端插在摆臂21前端的导杆孔内，导杆27下端固接2根转臂24，探头夹持器26套装于转臂24。水箱底11有排水孔，其上安装有阀5，便于放水。

本例探头夹持器26如图5所示，包括夹持套筒264和滑动套筒262，两个套筒的横截面相互垂直，夹持套筒264的筒壁上有探头紧固螺钉263，用以固定插在夹持套筒264内的探头。滑动套筒262与转臂24配合，滑动套筒262沿转臂24滑动，探头夹持器26与中心的距离不同适应不同直径的环形焊缝，本例每根转臂安装1个探头夹持器26，如图4中左侧的探头夹持器26表示用于较小直径环形焊缝的探头夹持器26，左侧的探头夹持器26表示用于较大直径环形焊缝的探头夹持器26。滑动套筒262围绕转臂24转动，即可调节夹持套筒264中心线与铅垂线的角度，从而调节探头发出的超声波束在待测工件焊缝表面的入射角。滑动套筒262的筒壁上的夹持器紧固螺钉261用于固定滑动套筒262与转臂24的相对位置。在夹持套筒264外壁还固定有罩扣在探头下方的保护架25，保护架25用不锈钢丝制作，以避免工件装卸时碰撞探头。

本例旋转工作台3如图6所示，包括旋转轴32、安装盘31、压杆33和电机，旋转轴32下端可转动地穿过水箱底11与电机相连接，旋转轴32与水箱底11之间密封，电机、减速器及其他传动装置安装于水箱底11下方机架4上。旋转轴32上端处于水箱1内、固定安装盘31。安装盘31上有与旋转轴同心的突起的定位凸沿331，定位凸沿331为环形凸起，内径大于安装盘31的中心孔孔径。安装盘31的定位凸沿331外径小于待测工件35的内径，为适合安装不同尺寸的工件迅速定心，配有多个不同尺寸的定位环34，定位环34的内径与安装盘31的定位凸沿331外径相等，每个定位环34外径与某种待测工件35内径相等，根据待测工件35选择安装对应的定位环34，定位环34装于安装盘31上、套在定位凸沿331外，待测工件35套装在定位环34外，并由压杆33压紧于安装盘31上。

本例在安装盘31上有三个均匀分布的压杆33，每个压杆33包括相互垂直的竖杆和横杆，其竖杆与旋转轴32平行、穿过位于安装盘31的定位凸沿331内的安装盘31上的压杆孔，弹簧套在安装盘31下方的竖杆上、位于竖杆底端的螺母和安装盘31之间。压杆33上部的横杆在安装盘31上方，横杆前端有向下的凸起，弹簧的张力使横杆前端的凸起压在待测工件上。

本例所用超声波探伤卡为具有4个超声工作通道、单通道采样频率100MHz的超声波探伤卡。

本例所用探头为高频宽带窄脉冲水浸聚焦探头，表1列出了本例所用A或B探头的主要参数指标和频率特性测试结果（以欧洲标准学会颁布的EN12668-2:2001《无损检测-超声检查设备的表征及验证-探头》作为测试标准，并结合其它国际标准进行测试），表1中还将普通探头C的参数作为对比列出。

表1超声波探头主要参数及测试结果一览表

探头编号	A	B	C
				晶片直径(mm)	6	6	14
焦距(mm)	30	30	20
				探头形式	水浸聚焦	水浸聚焦	水浸聚焦
聚焦形式	点聚焦	点聚焦	点聚焦
				带宽	宽带窄脉冲	宽带窄脉冲	宽脉冲
脉冲宽度(ns)	76	148	692
				低端频率(MHz)	5.54	8.51	4.32
高端频率(MHz)	18.58	15.12	5.53
				中心频率(MHz)	12.01	11.82	4.92
标称频率(MHz)	15	10	5
				相对带宽	109.35%	55.94%	24.49%
灵敏度(dB)	-55.04	-34.58	-51.94

由表1可知本例的探头的回波形状呈现单峰性；探头A、B的脉冲宽度仅有76ns和148ns远小于普通探头C的脉冲宽度692ns；而相对带宽却有109.35%和55.94%，远宽于普通探头C相对带宽的24.49%；具备该特性的探头更有利于区分界面回波与缺陷回波，有效地提高了本超声检测***的分辨率、灵敏度和信噪，在检测中可表现出优秀的探伤分辨率和数据的再现能力。

在实际检测中由于从动盘厚度薄，界面回波与缺陷回波易混叠，使得缺陷难以识别。为了提高距离分辨率，超声脉冲的持续时间应越短越好，示波屏上显示的脉冲宽度应小于两个缺陷在示波屏的声程差，显然高频窄脉冲探头的距离分辨率更高。

探头发射的超声脉冲频率并不单一，而是具有一定带宽。由傅里叶分析可知，一个脉冲相当于无限多个不同频率、持续时间无限的谐波在脉冲持续时间内叠加而成，而在持续时间外彼此抵消，脉冲持续时间越短，包含的谐波频率越宽。窄脉冲包含的不同频率谐波都有自己的近场、远场和轴线上的声压分布规律，在近场区内不同频率谐波的声压叠加时，峰谷值相互抵消，使得近场区的声压–距离曲线趋于平滑，非常有利于近场区的检测。实际检测中，窄脉冲探头的检测都在近场区进行，可有效降低盲区、提高分辨力。而且缺陷回波中的各个谐波变化将造成频谱的变化，从而提供更多判断缺陷大小、方位和性质的信息。所以从探头的频率特性可知高频窄脉冲探头更适合薄片环形高能束焊缝缺陷（从动盘的电子束焊缝缺陷检测）检测。

将专用高频窄脉冲探头应用在薄片工件环形高能束焊缝缺陷（离合器从动盘）的实际检测中，检测结果显示高频窄脉冲探头可有效检测当量尺寸约为0.4mm和0.5mm以上的微小缺陷，满足检测要求。而普通探头在检测时出现上下界面反射波混叠，界面回波与缺陷回波难以识别等现象，仅能检测当量尺寸为1.5mm以上的明显缺陷。显然本发明的高频窄脉冲探头性能好，检测微小缺陷能力强，更适合于薄片工件环形高能束焊缝的超声自动检测。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.薄片工件环形焊缝的超声波检测***，包括计算机、超声波探伤卡、超声波探头，还有探头安装架、旋转工作台和水箱；计算机连接超声波探伤卡和同步控制电路，超声波探伤卡连接探头，向探头发送超声波脉冲并接收探头得到的回波信号，同步控制电路则连接控制旋转工作台的电机电路，探头安装于探头安装架上的探头夹持器上；旋转工作台安装于水箱内；其特征在于：

所述探头安装架（2）包括摆臂（21）、限位臂（23）、导杆（27）、转臂（24）和探头夹持器（26）；摆臂（21）和限位臂（23）的一端分别铰接于水箱（1）一侧，摆臂（21）和限位臂（23）的前端伸向水箱（1）顶面内，限位臂（23）上有沿臂纵向的导向槽，摆臂（21）中部固定有回转销，摆臂（21）的回转销插在限位臂（23）的导向槽内，回转销沿导向槽滑动，调节摆臂(21）前端在水箱顶面的位置，回转销上端有蝶形螺母（22），紧固蝶形螺母（22）固定摆臂（21）和限位臂（23）的相对位置；导杆（27）上端插在摆臂（21）前端的导杆孔内，导杆（27）下端固接1或2根转臂（24），每根转臂（24）上套装1或2个探头夹持器（26）。

2.根据权利要求1所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述探头夹持器（26）包括夹持套筒（264）和滑动套筒（262），两个套筒的横截面相互垂直，夹持套筒（264）的筒壁上有用以固定插在夹持套筒（264）内的探头的探头紧固螺钉（263）；滑动套筒（262）与转臂（24）配合，滑动套筒（262）沿转臂（24）滑动或围绕转臂（24）转动，滑动套筒（262）的筒壁上有用于固定滑动套筒（262）与转臂（24）的相对位置的夹持器紧固螺钉（261）。

3.根据权利要求2所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述夹持套筒（264）外壁还固定有罩扣在探头下方的保护架（25）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述旋转工作台（3）包括旋转轴（32）、安装盘（31）和电机，旋转轴（32）下端可转动地穿过水箱底（11）与电机相连接，旋转轴（32）与水箱底（11）之间密封，旋转轴（32）上端处于水箱（1）内、固定安装盘（31），安装盘（31）上有与旋转轴同心的突起的定位凸沿（331），定位凸沿（331）为环形凸起，内径大于安装盘（31）的中心孔孔径；电机安装于水箱底（11）下方。

5.根据权利要求4所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

安装盘（31）的定位凸沿（331）外径等于或小于待测工件（35）的内径，还配有多个定位环（34），定位环（34）的内径与安装盘（31）的定位凸沿（331）外径相等，每个定位环（34）外径与某种待测工件（35）内径相等，与待测工件（35）对应的定位环（34）装于安装盘（31）上、套在定位凸沿（331）外，待测工件（35）套装在定位环（34）外。

6.根据权利要求5所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述安装盘（31）还配有2～6个压杆（33），每个压杆（33）包括相互垂直的竖杆和横杆，其竖杆与旋转轴（32）平行、穿过位于定位盘（31）的定位凸沿（331）内的安装盘（31）上的压杆孔，弹簧套在安装盘（31）下方的竖杆上、位于竖杆底端的螺母和安装盘（31）之间；压杆（33）上部的横杆在安装盘（31）上方，横杆前端有向下的凸起，弹簧的张力使横杆前端的凸起压在待测工件（35）上。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述水箱（1）安装于机架（4）上，电机、减速器及传动部件安装于水箱底（11）下方机架（4）上。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述超声波探伤卡为具有4个超声工作通道、单通道采样频率100MHz的超声波探伤卡。

9.根据权利要求8所述的薄片工件环形焊缝的超声波检测***，其特征在于：

所述探头为高频窄脉冲水浸点聚焦探头，其频率10MHz～15MHz，晶片直径5mm～10mm，焦距20mm～35mm，且具有回波形状单峰性、脉冲宽度为70ns～150ns和相对带宽大于50%的频率特性。

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