CN106353410A - 一种面向铝合金搅拌摩擦焊件的超声相控阵成像检测装置 - Google Patents

一种面向铝合金搅拌摩擦焊件的超声相控阵成像检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板件的超声相控阵成像检测装置，它包括固定在斜楔块上的超声相控阵探头、超声相控阵电路***、传送带、夹持装置、控制柜和计算机。计算机既能通过控制柜来控制传送带以及夹持装置，又能通过数据线连接超声相控阵***，获取超声相控阵的扫描图像。在获取图像后，计算机上的软件能够对扫描图像进行优化分析以及存储。本发明采用机械化平台并结合超声相控阵装置，具有自动化程度高、连续检测性能好、检测速度快以及劳动强度低等优点，同时引入工业计算机，可以对缺陷进行精确定位和定量检测，满足工业无损检测的需求。

Description

一种面向铝合金搅拌摩擦焊件的超声相控阵成像检测装置
技术领域
本发明属于无损检测装置，具体说涉及一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置。
背景技术
在常规的无损检测方法中，超声检测具有穿透力强、检测灵敏度高、适应性强、使用灵活方便和对人体无害等优点，成为工业无损检测最终要的手段之一。超声相控阵因其灵活的声束控制以及快速成像等性能，受到越来越多的关注，成为超声无损检测领域新近发展起来的研究热点。
虽然铝合金的电弧焊历经半个多世纪的发展，但是焊缝中的气孔、热裂纹等缺陷，接头强度性能的损失，薄壁结构的变形等问题始终未能彻底解决。而搅拌摩擦焊的出现，基本上消除了电弧焊的缺点，其卓越的技术优势、潜在的经济和社会效益已经彰显于航空航天运载工具的推广应用上。
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，它避免了气孔、夹杂、凝固裂纹等缺陷的产生，最先应用于铝合金的焊接，尤其适用于焊接轻金属薄板。然而，当焊接工艺参数选择不合理时，焊缝中会出现紧贴、细微和位向复杂的缺陷，使用常规的超声检测设备时，检测效率比较低且检测效果常常不理想。
发明内容
针对铝合金薄板搅拌摩擦焊件缺陷检测中的问题，本发明提供了一种能够兼顾检测效率与检测效果的超声相控阵成像检测装置，其结构紧凑、自动化程度高，能够在一定程度上满足批量检测的需求。
本发明的技术方案是：一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵检测装置，它是由固定在斜楔块上的超声相控阵探头、超声相控阵电路***、传送带、夹持装置、控制柜和计算机组成的。一方面，计算机通过搭载的检测成像软件给出指令，利用超声相控阵电路***控制超声相控阵探头发射与接收信号，并对数据进行实时采集；另一方面，计算机与控制柜的输入端通过电缆连接，可以控制传送带与夹持装置的移动以满足实际检测的需要。
本发明还有以下技术特征：
所述的超声相控阵探头通过螺丝固定在斜楔块上，利用斜入射的方式可以避开焊缝区波纹的影响，对焊缝区域进行扇形扫查成像，并且对近表面缺陷有良好的发现能力。超声相控探头中晶片数量为32，中心频率10MHz，晶片间距0.31mm，有效孔径9.9mm，斜楔块倾斜的角度在45°～60°为宜，可以准备多个角度的斜楔块以满足不同情况下的需求。
所述超声相控阵电路***由主板、主控板、超声触发板/接收板组成，主板连接着超声相控阵探头，主控板连接着计算机，可以进行数模转换，将信号转变为图像。计算机对每个阵元进行相控发射参数计算，得到相位、频率、幅度等各种参数，将这些参数通过数字信号先下达到各超声发射/接收板，然后超声相控阵探头中各通道产生激励波形，激励各阵元发射超声波。超声波发射后，各阵元接收超声回波信号，经各自接收通道程控放大、带通滤波后，经过超声发射/接收板转换后将数据送入计算机，等待多通道波形显示、后处理等操作。
所述夹持装置和传送带都由计算机通过控制柜进行控制。夹持装置可以在三维方向上移动，在移动时有粗调与精调两种模式，能够保证将夹持装置前端的超声相控阵探头放置在理想位置。夹持装置可以带着探头沿平行于焊缝的方向移动，既能避免手持移动时图像不够稳定，又能减轻检测人员的劳动强度。夹持装置前端与斜楔块固定处可以进行小范围的角度移动，这样一来采用较小的扇扫角度即可检测出不同深度缺陷，保证了检测的准确性。传送带负责将铝合金搅拌摩擦焊薄板件传送到指定位置接收超声相控阵成像，检测结束后又能立刻将下一块板传送到指定的位置，能够在一定程度上满足连续检测工作的需要，有效提高检测效率。
所述计算机上安装有检测成像软件，能够通过超声相控阵电路***控制超声波束的发射与接收、声波的偏转与聚焦、采集缺陷的定位与定量信息、优化缺陷图像以及保存数据。
本发明的工作原理如下：先将铝合金搅拌摩擦焊薄板件放置到传送带上，传送带将其传动到指定位置后停止。计算机控制夹持装置将斜楔块放置在焊接接头的一侧表面，离焊缝中心约5mm并且保持斜楔块的下端面与薄板表面平行。此时，利用软件对超声相控阵电路***预设参数，然后电路***产生脉冲信号，激励超声相控阵探头发射超声波，同时超声相控阵探头接收回波信号，经模数转换后在显示器上显示焊缝扇形图像。根据图像再次调整超声相控阵探头的位置，以保证扇形扫描图像能够覆盖整个薄板焊缝的厚度，避免检测盲区。用计算机将预设参数调整完毕后，控制超声相控阵探头沿平行于焊缝方向匀速而缓慢地，移动，仔细观察计算机显示器上的实时画面，当发现缺陷后，夹持装置停止工作，计算机上的成像软件记录下缺陷的图像与位置并实时保存。当整条焊缝都检测结束后，超声相控阵探头回到起始位置，将下一块铝合金搅拌摩擦薄板件放置在传送带上，重复这一过程，提高检测效率。
本发明的有益效果：提出了一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置，可以在检测过程中实时看到铝合金搅拌摩擦焊薄板件的焊缝图像，图像中包括了缺陷所在的位置，长度等信息。采用斜楔块以及扇形扫描，一方面可以提高图像质量以及检测效率，另一方面检测时重叠覆盖有效避免了缺陷的遗漏。整套装置操作简单，结构紧凑，自动化程度高，能够切实有效地提高铝合金搅拌摩擦焊薄板件的检测效率与准确率。
附图说明
图1为本发明的面向铝合金搅拌摩擦焊件的超声相控阵成像检测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：
如图1所示，面向铝合金搅拌摩擦焊件的超声相控阵成像检测装置，，是由固定在斜楔块1上的超声相控阵探头2、超声相控阵电路***3、传送带(4)、夹持装置5、控制柜6和计算机7组成。
超声相控阵探头通过螺丝与斜楔块连接，采用的扫描方式为扇形扫描，带斜楔块1的扇形扫描可以消除旁瓣的干扰，增大检测范围，还可以实现波形转换，既可以进行纵波检测又可以进行横波检测。超声相控阵探头中晶片数量为32，中心频率10MHz，晶片间距0.31mm，有效孔径9.9mm，斜楔块倾斜的角度在45°～60°为宜，可以准备多个角度的斜楔块以适应不同情况的需求。超声相控阵探头通过外接电缆与超声相控阵电路***相连，超声相控阵电路***由主板、主控板、超声触发板/接收板组成，主板连接着超声相控阵探头，主控板连接着计算机，可以进行数模转换，将超声波信号转变为数字图像。在检测软件上设置参数后，由计算机给出指令，然后超声相控阵电路***发射与接收声波信号，进行实时数据采集与分析。超声相控阵探头、超声相控阵电路***和计算机共同组成超声相控阵***，同时传送带、夹持装置和控制柜又组成了机械传动装置。传送带负责将铝合金搅拌摩擦焊薄板件传送到夹持装置下方以对其进行超声检测，为方便批量检测而设计。夹持装置在传送带的一侧，主要的作用是固定超声相控阵探头和保证其能够稳定匀速地移动。夹持装置可以在三维方向上自由而灵活地移动，在前端与斜楔块固定处可以小范围地改变角度以保证检测时获取最佳的检测角度与图像。同时，夹持装置移动的调控有粗调与精调两种模式，既保证了检测的效率，同时能让超声波束能准确地聚焦在板厚的1/2处。控制柜接收计算机指令对传送带与夹持装置进行控制，方便工作人员的工作。
具体的检测过程如下：先将铝合金搅拌摩擦焊薄板件放置在传送带上，传送带将其传动到超声相控阵探头下方后停止。然后控制夹持装置将斜楔块移动到焊接接头的一侧表面，离焊缝中心约5mm并且保持斜楔块的下端面与薄板表面平行。此时，利用软件对超声相控阵电路***进行参数的预先设定。参数设定完成后启动整个***，电路***会按设定的延迟规律产生脉冲信号，通过线缆激励超声相控阵探头发射超声波，各晶片发出的超声波会合成带有聚焦效果的超声波束进入铝合金搅拌摩擦焊薄板件，经反射后的电信号被探头接收，电路***按设定的延迟规律将电信号合成数字信号传递给计算机，就可以在显示器上观察实时图像。此时需要根据实时图像再次调整夹持装置，尽量让扇形扫描图像覆盖整个薄板焊缝的厚度，避免检测的盲区。之后控制超声相控阵探头沿平行于焊缝方向均匀而缓慢地移动，仔细观察计算机显示器上的实时画面，当发现缺陷后，夹持装置停止工作，计算机上的成像软件会记录下缺陷的图像与位置并实时保存，便于后续的研究。当整条焊缝都检测完毕后，控制超声相控阵探头回到起始位置，以便检测下一块试件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置，它包括固定在斜楔块(1)上的超声相控阵探头(2)、超声相控阵电路***(3)、传送带(4)、夹持装置(5)、控制柜(6)和计算机(7)，其特征在于，所述传送带(4)、夹持装置(5)和控制柜(6)共同构成了机械传动装置，计算机(7)通过控制柜(6)能够控制机械传动装置以实现待检测焊件的自动检测。所述夹持装置(5)前端通过螺丝来固定斜楔块(1)，同时它可以在三维方向上进行移动，以此来调整超声相控阵探头(2)的位置，保证其与焊缝之间的相对位置，以满足实时监测的需求，所述超声相控阵探头(2)、超声相控阵电路***(3)和计算机(7)构成超声相控阵***主体，计算机(7)能够实时调整相关参数以改变超声波束的偏转方向和聚焦位置以获取最佳图像。检测软件安装在计算机(7)上，能够对优化检测图像和保存图像以便进一步的分析。
2.根据权利要求书1所述的一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置，其特征在于：所述超声相控阵探头(2)通过螺丝固定在斜楔块(1)上，超声相控阵探头(2)由32个晶片超声元件构成，斜楔块(1)的倾角可以根据实际情况进行替换。
3.根据权利要求1所述的一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置，其特征在于：所述超声相控阵电路***(3)包括主板、主控板、超声触发板/接收板。
4.根据权利要求1所述的一种面向铝合金搅拌摩擦焊薄板焊件的超声相控阵成像检测装置，其特征在于：所述计算机(7)上安装有检测成像软件，能够通过超声相控阵的电路***控制超声波束的发射与接收、声波的偏转与聚焦、采集缺陷的位置信息、优化缺陷图像以及保存的功能。
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