CN101178386B - 铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的超声波自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的超声波自动检测系统，其硬件由水接头自动检测装置、单晶水浸聚焦探头、对比试块组成；该检测装置包括工控机、受其控制的电机驱动器及电机、分别连接单晶水浸聚焦探头与工控机的超声波探伤仪，特征是：该检测装置的一台电机带动竖直运动的传动轴，该轴上装有探头调角器，单晶水浸聚焦探头安装在该探头调角器下端，另一台电机带动装有待测水接头的水平转盘，通过调节探头角器来调节探头在水接头腔体内的位置、发射超声波检测水接头钎焊质量。优点是探头结构小巧，检测系统实现自动化控制，检测灵敏度高，操作简便，能快速、准确、直观地自动识别缺陷、计算缺陷面积、给出水接头检测结果展开图。

Description

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的超声波自动检测系统

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术，具体说涉及铜与不锈钢异种金属钎焊水接头的超声波自动检测系统。

背景技术

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头，是三峡电站水轮发电机定子线圈的重要部件，其质量对于电站的安全关系重大。

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头，主要由水接头支撑、衬管、水盒以及焊接钎料构成。为了保证产品的焊接质量，采用预置钎料环(片)真空钎焊进行焊接工艺试验，焊后进行超声检测使之满足《三峡定子线圈水接头验收规范》。

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的钎焊，属于异种金属的连接，其结构紧凑，外形尺寸不规则并带有螺纹结构，技术条件要求对焊接面进行100％扫查，给水接头的钎焊质量检测工作带来很大的困难。由于内部空间非常狭小只有φ29mm，因此必须从水接头工件内部进行检测，这就对探头的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了特殊的要求：需要直径小、晶片小、焦距小，能发现小当量缺陷，具有高检测灵敏度的高频率点聚焦的特殊探头；而铜对声波的衰减较大，要求必须使用低频探头，如何解决这一矛盾，这就对超声检测技术提出了很高的要求，目前国内还无相关检测技术的报道。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能满足对铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头质量检测要求的超声波自动检测系统。

本发明的超声波自动检测系统，由水接头自动检测装置、单晶水浸聚焦探头、对比试块及执行检测任务的计算机程序所组成；水接头自动检测装置，包括有工控机、分别受工控机控制的两个电机驱动器、受各自电机驱动器操纵的两台电机、一端连接单晶水浸聚焦探头而另一端连接工控机的超声波探伤仪，其特征在于：该自动检测装置中的一台电机带动可上下竖直运动的传动轴，该传动轴上装有由水平杆与竖直杆构成的探头调角器，单晶水浸聚焦探头安装在该探头调角器竖直杆的下端，另一台电机带动可在水平面上转动并与探头调角器配合的固定有待测水接头的转盘。

所述单晶水浸聚焦探头，包括有一端敞口的圆柱形壳体、安装并封闭在该壳体敞口上的保护膜片、装于壳体内固定在壳体敞口壁上与该膜片底面紧贴于一体的具有小直径小焦距的压电晶片、未充满壳体腔体并与该压电晶片底面贴合成一体的声波振动阻尼块、设置在壳体封闭底面上的信号电缆插头，以及与该信号电缆插头连接的由该压电晶片的前、后两面的两根压电引线组成的电缆线19。

该电缆线通过该信号电缆插头上的探头电缆线连接超声波探伤仪。

所述单晶水浸聚焦探头中的小直径、小焦距的压电晶片，是尺寸为φ5mm，焦点为φ1mm，焦距为10mm的单晶水晶压电晶片。

所述单晶水浸聚焦探头中声波振动阻尼块，为由市售的颗粒度小于φ1mm的钨合金材料经压制而成，其充填在探头壳体内的体积，占整个探头壳体腔体的80-90％。

所述对比试块，为用于标定系统灵敏度的具有人工缺陷的实际水接头，在该水接头的水盆下部竖直方向上开有一条竖直方向缺陷槽，该槽宽3mm、深度由水盆外径直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置，在与该竖直方向缺陷槽相对的水盆侧壁的外壁上，制有两个直径为φ1.5mm的缺陷孔，孔深由水盆外壁直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置。

所述执行检测任务的计算机程序，由系统初始化、传动控制、数据采集分析、数据管理及结果保存各模块组成。其中：

系统初始化模块，主要包括采集系统、电机驱动系统初始化、各传动轴位置复位、初始化参数保存、待件工件的编号、长、宽等参数的读取程序；

传动控制模块，主要包括驱动系统控制(带正、反向控制)、原点及行程极限检测、传动速度控制程序；

数据采集分析模块，主要包括数据采集、异常数据分析剔除、数据分析程序；

数据管理模块，主要包括检测数据存储、查询、维护功能，记录原始检测数据和缺陷坐标位置，单独提供原始数据及缺陷数量、缺陷面积大小的统计程序；

结果保存模块，包括对检测结果保存、对报表进行后台打印的程序。

使用本发明的执行检测任务的计算机程序，对铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头进行超声波检测的方法，包括以下步骤：

第一步，接通系统电源，打开超声波探伤仪，预热10分钟；

第二步，将对比试块装满去离子水放入自动检测装置的转盘中，调节调角器使单晶水浸聚焦探头伸入对比试块腔体中并使探头与对比试块壁面垂直，使探头的焦点落在对比试块的内壁面上；

第三步，调节自动检测装置中的竖直运动传动轴，使单晶水浸聚焦探头对准对比试块壁面上的直径为φ1.5mm的人工缺陷孔位置，调节超声波探伤仪，使显示在荧光屏屏面水平方位的人工缺陷，在全屏水平长度刻度的80％范围内，缺陷波的高度等于全屏高度刻度的80％，调节超声波探伤仪的衰减器按钮使读数增加3dB，开启电机驱动器接通电源；

第四步，启动执行检测任务的计算机程序，用对比试块对该检测系统的灵敏度进行标定：

步骤1，对系统进行初始化，包括：对采集系统和电机驱动系统初始化、使各传动轴位置复位；

步骤2，超声波探伤仪通过单晶水浸聚焦探头发射超声波，扫描对比试块、采集检测数据；如果该检测系统给出的对比试块的人工缺陷位置、大小，与该对比试块的实际缺陷相同，则对该检测系统灵敏度的标定达到要求；否则重复第二步到第四步，直到该检测系统给出对比试块的人工缺陷位置、大小与对比试块的实际缺陷相同为止；

第五步，执行检测任务对水接头工件进行检测：

先将待检测的水接头内衬管装满去离子水，放置并固定在自动检测装置的转盘上进行检测，依次执行采集检测数据、对检测数据分析、输出检测结果并自动生成检测报告单的工作程序；

第六步，将检测系统给出的检测结果保存到工控机中；

第七步，检测结束，取出完成测试的水接头工件，去除其内衬管中的去离子水；

第八步，放入新的待检水接头工件，重复第五步到第七步进行新水接头工件的检测。

在检测工作中应注意：应在检测结束时或每隔2小时检测一次对比试块，如果检测系统给出的人工缺陷与对比试块的实际人工缺陷不符，应重复第二步到第四步，对整个检测系统灵敏度重新进行标定，并将此前已检测过的水接头工件重新进行检测。

本发明的优点在于：该检测系统的单晶水浸聚焦探头结构小巧，可以置于只有φ29mm狭小空间的水接头腔体内实施内部超声检测，其检测灵敏度高，能够发现φ1.5mm小当量缺陷，并通过装在自动检测装置的探头调角器上可以实现自动化控制；其自动检测装置结构简单、自动化程度高、传动精度高；其对比试块采用了焊接的实际水接头制作而成，人工缺陷包括φ1.5mm平底孔2个，3mm宽竖直槽一个，深度为外径到焊缝位置的深度，能够发现φ1.5mm小当量缺陷，用于标定系统灵敏度，该系统能够满足《三峡定子线圈水接头验收规范》要求；其执行检测任务的计算机程序软件具有模块化、可视化、操作简便、功能多样的特点，本软件实现过程完全自动化，提供友好的人机接口，能够快速、准确、直观，自动识别缺陷、计算缺陷面积、给出水接头检测结果展开图，从而解决了手工检测效率低、缺陷面积不能准确计算的难题。

附图说明

图1为水接头结构示意图

图2为单晶水浸聚焦探头结构示意图，

图3为对比试块示意图

图4为探头调角器示意图

图5为自动检测装置探头调角器与竖直运动传动轴结构示意图

图6为自动检测装置结构示意图

图7为执行水接头检测的计算机程序流程图

图8为检测系统对于对比试块人工缺陷的标定展开图

图9为一个具有大面积缺陷的水接头工件检测结果图

图10为一个具有贯穿性缺陷的水接头工件检测结果图

图11为一个合格水接头工件的检测结果图

图中标记：1—探头前端晶片保护膜片；2—探头壳体内的声波振动阻尼块；3—探头前端保护膜后面的压电晶片；4—探头的图柱形壳体；5—连接超声波探伤仪的探头电缆线，6—晶片焦距；7—超声波传播声束；8—探头调角器竖直杆上的水平面X方向调节旋钮；9—探头调角器水平杆上的水平面Y方向调节旋钮；10—探头调角器水平杆上的水平面上旋转调节旋钮；11—探头夹具；12—调角器垂直杆；13—调角器水平杆；14—Z轴方向运动的传动轴；15—步进电机；16—卡具；17—待检测水接头工件；18—传动圆周运动的转盘；19—连接该压电晶片前、后两面的两根压电引线组成的电缆线；20—φ1.5mm深1.1mm平底孔；21—宽3mm长27mm深1.1mm竖直槽；22—防水处理层；23—焦点，24为设置在探头壳体封闭底面上的信号电缆插头。

具体实施方式

实施例：

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的超声波检测系统，由硬件与软件组成，其中硬件由水接头自动检测装置、单晶水浸聚焦探头、对比试块组成；软件由执行检测任务的计算机程序组成。

硬件中：水接头自动检测装置，包括有工控机、分别受工控机控制的两个电机驱动器15、受各自电机驱动器操纵的两台电机、其中一台电机15带动可上下竖直运动的丝杆(即传动轴)14，该丝杆14上装有由水平杆13与竖直杆12构成的探头调角器，单晶水浸聚焦探头安装在该探头调角器竖直杆12下端的探头夹具11上，另一台电机带动可在水平面上转动并与探头调角器配合的固定有待测水接头工件17的转盘18，超声波探伤仪一端连接工控机、另一端通过探头电缆线5连接单晶水浸聚焦探头。

所述单晶水浸聚焦探头，包括有一端敞口的圆柱形壳体4、安装并封闭在该壳体敞口上的晶片保护膜片1、装于壳体4内固定在壳体敝口壁上与该膜片1底面紧贴于一体的具有尺寸为φ5mm，焦点为φ1mm，焦距为10mm的单晶水晶压电晶片3、未充满壳体4腔体并与该压电晶片3底面贴合成一体的声波振动阻尼块2、设置在壳体4封闭底面上的信号电缆插头24、以及与该信号电缆插头24连接的由该压电晶片3的前、后两面的两根压电引线组成的电缆线19。

超声波探伤仪通过探头电缆线5与单晶水浸聚焦探头的信号电缆插头24连接；图2给出了该单晶水浸聚焦探头的结构示意图。

所述单晶水浸聚焦探头中声波振动阻尼块2，为由市售的颗粒度小于φ1mm的钨合金材料经压制而成，其充填在探头壳体4内的体积占整个探头壳体4腔体的80-90％。

图4给出了该探头调角器结构示意图。图中调节旋钮8，9，可以实现探头夹具11在水平面内前后和左右移动，调节旋钮10可以实现探头在水平面内旋转，整个调角器通过水平杆13安装于传动丝杆14上，在电机15带动下，实现上下运动；传动采用二维传动，一方面实现探头的上下运动，另一方面带动待检水接头工件做圆周运动，见图6所示。

采集系统包括模数转换卡及配套接线和子卡，主要用来将超声波探伤仪检测出的模拟信号转换成数字信号传给工控机；电机驱动器部分包括电机控制卡一张、电机驱动二个，通过水接头专用检测软件系统实现传动的精确控制。

所述对比试块，为用于标定系统灵敏度的具有人工缺陷的实际水接头，在该水接头的水盆下部竖直方向上开有一条竖直方向缺陷槽21，该槽宽3mm、深度由水盆外径直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置，在与该竖直方向缺陷槽21相对的水盆侧壁的外壁上，制有两个直径为φ1.5mm的缺陷孔20，孔深由水盆外壁直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置。

所述执行检测任务的计算机程序，使用Visual C++6.0编写，由系统初始化、传动控制、数据采集分析、数据管理及结果保存模块组成。其中：

系统初始化模块，主要包括采集系统、电机驱动系统初始化、各传动轴位置复位、初始化参数保存、待件工件的编号、长、宽等参数的读取程序；

传动控制模块，主要包括驱动系统控制(带正、反向控制)、原点及行程极限检测、传动速度控制程序；

数据采集分析模块，主要包括数据采集、异常数据分析剔除、数据分析程序；

数据管理模块，主要包括检测数据存储、查询、维护功能，记录原始检测数据和缺陷坐标位置，单独提供原始数据及缺陷数量、缺陷面积大小的统计程序；

结果保存模块，包括对检测结果保存、对报表进行后台打印程序。

使用本发明计算机程序，对铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头进行超声波检测的方法，包括以下步骤：

第一步，接通系统电源，打开超声波探伤仪，预热10分钟；

第二步，将对比试块装满去离子水放入自动检测装置的转盘18中，调节探头调角器使单晶水浸聚焦探头伸入到对比试块腔体中并使探头与对比试块壁面垂直，使探头的焦点落在对比试块的内壁面上；

第三步，调节自动检测装置中的竖直运动传动轴即丝杆14，使单晶水浸聚焦探头对准对比试块壁面上的直径为φ1.5mm的人工缺陷孔位置，调节超声波探伤仪，使显示在荧光屏屏面水平方位的人工缺陷，在全屏水平长度刻度的80％范围内，缺陷波的高度等于全屏高度刻度的80％，调节超声波探伤仪的衰减器按钮使读数增加3dB，开启电机驱动器接通电源；

第四步，启动执行检测任务的计算机程序，用对比试块对该检测系统的灵敏度进行标定，具体操作是：

步骤1，对系统进行初始化，包括：对采集系统和电机驱动系统初始化、使各传动轴位置复位；

步骤2，超声波探伤仪通过单晶水浸聚焦探头发射超声波，扫描对比试块、采集检测数据；如果该检测系统给出的对比试块的人工缺陷位置、大小，与该对比试块的实际缺陷符合，则对该检测系统灵敏度的标定达到要求；否则重复第二步到第四步，直到该检测系统给出对比试块的人工缺陷位置、大小与对比试块的实际缺陷相符合为止；

第五步，执行检测任务对水接头工件进行检测：

先将待检测的水接头工件的内衬管装满去离子水，将水接头工件放置并固定在自动检测装置的转盘18上进行检测，依次执行采集检测数据、对检测数据分析、输出检测结果并自动生成检测报告单的工作程序；

第六步，将检测系统给出的检测结果保存到工控机中；

第七步，检测结束，取出完成测试的水接头工件，去除其内衬管中的去离子水；

第八步，放入新的待检水接头工件，重复第五步到第七步进行新水接头工件的检测。

在检测工作中应注意：应在检测结束时或每隔2小时检测一次对比试块，如果检测系统给出的人工缺陷与对比试块的实际人工缺陷不符，应重复第二步到第四步，对整个检测系统灵敏度重新进行标定，并将此前已检测过的水接头工件重新进行检测。

图7给出了执行检测水接头工件的计算机程序流程图。

图8给出了检测系统对于对比试块人工缺陷的标定展开图。

图中标记的工件编号为05-6-2-2，标示出的缺陷数量139个，有效的缺陷数量18个，有效的缺陷面积＜1％。

图9给出了一个具有大面积缺陷的水接头工件检测结果图。

图中标记的工件编号为6885，标示出的缺陷数量1053个，有效的缺陷数量709个，有效的缺陷面积＜25％。

图10给出了一个具有贯穿性缺陷的水接头工件检测结果图。

图中标记的工件编号为6976，标示出的缺陷数量620个，有效的缺陷数量422个，有效的缺陷面积＜15％。

图11给出了一个合格的水接头工件检测结果图。

图中标记的工件编号为6825，标示出的缺陷数量231个，有效的缺陷数量63个，有效的缺陷面积＜3％。

检测水接头工件合格的标准是：在检测结果的展开图上：标记缺陷的点数纵向占位小于22mm，同时还应满足缺陷占有面积小于20％的规定，其它情况为不合格。

Claims (2)

1.铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的超声波自动检测系统，由水接头自动检测装置、单晶水浸聚焦探头、对比试块组成，并通过计算机程序执行检测任务；其中：

水接头自动检测装置，包括有工控机、分别受工控机控制的两个电机驱动器、受各自电机驱动器操纵的两台电机(15)、一端连接单晶水浸聚焦探头而另一端连接工控机的超声波探伤仪，该自动检测装置中的一台电机带动可上下竖直运动的传动轴(14)，该传动轴(14)上装有由水平杆(13)与竖直杆(12)构成的探头调角器，单晶水浸聚焦探头安装在该探头调角器竖直杆(12)的下端，另一台电机带动可在水平面上转动并与探头调角器配合的固定有待测水接头(17)的转盘(18)；

所述单晶水浸聚焦探头，包括有一端敞口的圆柱形壳体(4)，安装并封闭在该壳体(4)敞口上的保护膜片(1)，装于壳体内固定在壳体(4)敞口壁上、与该保护膜片(1)底面紧贴于一体、具有尺寸为Φ5mm焦点为Φ1mm焦距为10mm的单晶水晶压电晶片(3)，由颗粒度小于Φ1mm钨合金材料压制而成、充填量占壳体(4)腔体80-90％、并与该压电晶片(3)底面贴合成一体的声波振动阻尼块(2)，设置在壳体(4)封闭底面上的信号电缆插头(24)，以及与该信号电缆插头(24)连接、由该压电晶片(3)前、后两面的两根压电引线组成的电缆线(19)；

其特征在于：

所述对比试块，为用于标定系统灵敏度的具有人工缺陷的实际水接头，在该水接头的水盆下部竖直方向上开有一条竖直方向缺陷槽(21)，该槽宽3mm、深度由水盆外径直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置，在与该竖直方向缺陷槽相对的水盆侧壁的外壁上，制有两个Φ1.5mm的缺陷孔(20)，孔深由水盆外壁直到与紫铜内衬管接触的焊缝位置。

2.按照权利要求1所述异种金属真空钎焊水接头的超声波自动检测系统，其特征在于：使用执行检测任务的计算机程序，对铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头进行超声波检测的方法，包括以下步骤：

第一步，接通系统电源，打开超声波探伤仪，预热10分钟；

第二步，将对比试块装满去离子水放入自动检测装置的转盘(18)中，调节调角器使单晶水浸聚焦探头伸入对比试块腔体中，使探头与对比试块壁面垂直，使探头的焦点落在对比试块的内壁面上；

第三步，调节自动检测装置中的竖直运动传动轴即丝杆(14)，使单晶水浸聚焦探头对准对比试块壁面上Φ1.5mm人工缺陷孔(20)的位置，调节超声波探伤仪，使显示在荧光屏屏面水平方位的人工缺陷，在全屏水平长度刻度的80％范围内，缺陷波的高度等于全屏高度刻度的80％，调节超声波探伤仪的衰减器按钮使读数增加3dB，开启电机驱动器接通电源；

第四步，启动执行检测任务的计算机程序，用对比试块对该检测系统的灵敏度进行标定，步骤是：

步骤1，对系统进行初始化，包括：对采集系统和电机驱动系统初始化、使各传动轴位置复位；

步骤2，超声波探伤仪通过单晶水浸聚焦探头发射超声波，扫描对比试块、采集检测数据；如果该检测系统给出的对比试块的人工缺陷位置、大小，与该对比试块的实际缺陷相符合，则对该检测系统灵敏度的标定达到要求；否则重复第二步到第四步，直到该检测系统给出对比试块的人工缺陷位置、大小与对比试块的实际缺陷相符合为止；

第五步，执行检测任务对水接头工件进行检测：

先将待检测水接头工件的内衬管装满去离子水，将水接头工件放置并固定在自动检测装置的转盘(18)上进行检测，依次执行采集检测数据、对检测数据分析、输出检测结果并自动生成检测报告单的工作程序；

第六步，将检测系统给出的检测结果保存到工控机中；

第七步，检测结束，取出完成测试的水接头工件，去除其内衬管中的去离子水；

第八步，放入新的待检测水接头工件，重复第五步到第七步进行新水接头工件的检测。

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