CN101246002A - 测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜及其设计方法、检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜及其设计方法、及使用该探头的超声波检测装置和检测方法，其中所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过耦合剂和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过耦合剂和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处；通过探头移动，通过接收到回波与否判断焊缝熔深起止位置从而断定熔深，采用该发明所涉及到的超声波探头声透镜有效检测超声波的能量将较高，检测装置信噪比得到较大提高，有效降低检测结果误差，提高检测精度。

Description

测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜及其设计方法、检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波探头声透镜，还涉及了声透镜的设计方法，以及测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测装置和检测方法。

背景技术

目前，很多汽车变速箱总成中采用多联齿轮方式进行动力传动，多联齿轮之间多采用电子束焊接或者激光焊接(如图4所示)。因此，如何检测电子束或者激光焊缝熔深成为控制产品质量的关键。传统的检测方法是金相法，即从每一批产品中任意抽取几件产品解剖，然后进行金相检测，此方法尽管检测有效，但费时费力且浪费严重。

随着技术的发展，采用超声波对多联齿轮电子束或激光焊缝熔深进行检测，检测效率大大提高，检测成本明显下降。

而传统的超声波探头的声透镜忽视了超声波入射界面的特殊形状，而是按照平面入射界面采用球面聚焦超声波探头声透镜。如图6所示的多联齿轮径截面分析可见，超声波自内凹球面超声波探头声透镜传播至水钢结合面，纵波入射声束A、B、C均会在界面发生纵波全反射，形成纵波反射声束A’、B’、C’，进入到多联齿轮内部并传播至熔合点O的超声波纵波仅为入射声束I。换句话说，能够起到检测作用的仅仅是靠近入射声束I极小范围内的部分入射声束。因此，此时有效检测超声波的能量极低，检测装置信噪比较低，容易受检测环境干扰，导致检测精度极大下降，失去超声波检测的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种依据入射面的具体形状设计专门聚焦超声波探头声透镜，使得绝大部分超声波纵波能够折射进入多联齿轮内，并顺利聚焦于熔合点的测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜。

本发明所要解决的另一技术问题是提供上述超声波探头声透镜的设计方法。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种使用上述探头的测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测装置以及检测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜，所述超声波探头声透镜沿多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处。

上述的超声波探头声透镜的设计方法，其步骤是：以被检齿轮的中心为原点，建立坐标系；

从熔合点引齿轮内壁圆的切线，这样就得到两条线段；两条线段之间所夹的齿轮内壁部分就表示有纵波折射的所有入射纵波所能透过的全部区域；将这两条线段之间所夹的齿轮内壁圆弧等分成若干份，将各点分别与熔合点连接，得到多对两两对称的线段和中间一条与坐标系纵轴重合的线段，代表超声波折射后的纵波入射声束；通过解析图分别测量出坐标系纵轴一侧超声波纵波入射声束水钢界面钢中的多个折射角β_z(z＝1，2...5)，钢中以及水中超声波纵波声速已知，根据下式：

$\frac{C_{z1}}{\sin {\mathrm{\β}}_1}=\frac{C_{r1}}{\sin {\mathrm{\α}}_1}---\left(1\right)$

式中：

C_z1：水钢界面钢中折射声束声速；

C_r1：水钢界面水中入射声束声速；

β₁：水钢界面钢中声束折射角；

α₁：水钢界面声束在水中入射角；

分别求出超声波水钢界面水中入射角α_r(r＝1，2...5)，分别将水钢界面水中入射声束γ_α(α＝1，2...5)一一画出，坐标系纵轴另一侧的入射声束γ_β‘(β＝1，2...5)分别与γ_α(α＝1，2...5)沿坐标系纵轴对称；依据超声波探头支架的具体尺寸，选取声透镜距离齿轮内壁的距离L，并在此距离处作水平辅助线，与水钢界面水中入射声束γ₁相交，交点A₁作为最靠近坐标系纵轴的一对水钢界面水中声束入射线所对应的声透镜上的一点；因为压电换能器发射出的超声波可认为垂直入射入超声波探头声透镜内部，且由于超声波探头声透镜厚度较薄，因此超声波在超声波探头声透镜内传播途径与坐标系纵轴平行；过A₁作与坐标系纵轴平行的辅助线ν，表示声束在超声波探头声透镜内的传播途径；辅助线ν与γ₁之间的夹角为δ₁，声波在超声波探头声透镜与水界面从超声波探头声透镜内折射入水中，折射角为ξ₁，声波在超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内的入射角φ₁，此三者之间的关系由图2：

                δ₁+ξ₁＝Φ₁                    (2)

根据式(1)可得：

$\frac{C_{r2}}{\sin {\mathrm{\Φ}}_1}=\frac{C_{z2}}{\sin {\mathrm{\ξ}}_1}---\left(3\right)$

式中：

C_r2：超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内入射声束声速；

C_z2：超声波探头声透镜与水界面水中折射射声束声速；

Φ₁：超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内声束入射角；

ξ₁：超声波探头声透镜与水界面声束在水中折射角；

水中及超声波探头声透镜中声速已知，根据式(3)得出超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波在水中折射角ξ₁后，即可作超声波探头声透镜与水界面过A₁点的法线λ₁，λ₁为与γ₁之间成ξ₁夹角的直线，亦即超声波探头声透镜在A₁点的半径方向，因为超声波探头声透镜径截面曲线是按坐标系纵轴对称的，所以作λ₁沿坐标系纵轴对称线，此对称线与λ₁的交点即为过A₁点的圆弧圆心O₁，以O₁为圆心，以O₁A₁为半径作圆弧，与γ₂交于A₂，在点A₂重复以上步骤。最终可以采用曲线拟合的方法近似求出超声波探头声透镜在径截面的曲线方程，该曲线沿坐标系纵轴对称分布；

分析多联齿轮轴截面超声波入射情况，因为在此截面内，水钢结合界面为平面，所以符合超声波平面入射条件，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面的曲线方程按照球面聚焦方式处理为最佳，以下为超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面内曲线方程推导；

齿轮内壁至熔合点的等效水距离：

$t_{\mathrm{WQ}}=\frac{t_{\mathrm{Fe}}}{C_{\mathrm{Fe}}}\·C_W$

式中：

t_Fe：超声波在钢中的传播距离(齿轮内壁至熔合点的距离)；

C_W：水中纵波声速；

C_Fe：钢中纵波声速；

则聚焦探头水中声学焦距为：

                f_ac＝t_W+t_WQ

式中：t_W：超声波在水中的传播距离；

根据几何焦距与声学焦距之间的关系：

$f_{\mathrm{op}}=\frac{f_{\mathrm{ac}}}{(1-\frac{f_{\mathrm{ac}}^2}{N^2})}$

式中：f_op：几何焦距。

确定超声波探头声透镜的几何半径：

                r＝f_op(1-n)

式中：

r：超声波探头声透镜几何半径；

n：超声波在超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内的折射率；

因此，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面上得曲线为以r为半径的圆弧。

分别确定下超声波探头声透镜在多联齿轮径截面和轴截面的曲线方程后，可以得到整个超声波探头声透镜与水结合面的曲面方程，通过数控加工中心可以将所需要的特殊曲面加工出。

测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测装置，包括垂直固定的游标卡尺，所述游标卡尺的游标上固定安装有超声波探头安装架，所述超声波探头安装架上垂直固定安装有依据测量多联齿轮设计的安装有超声波探头声透镜的超声波探头，内部盛装有水且水内水平放置有齿轮的水槽，所述超声波探头的探头支架与所述齿轮的轴线重合，所述超声波探头的信号线电连接有探伤仪；所述超声波探头包括探头支架，所述探头支架上设有开口朝向多联齿轮中心孔内壁的安装孔，所述安装孔内安装有超声波元件，所述超声波元件包括靠近中心孔内壁的超声波探头声透镜，位于所述超声波探头声透镜底面的压电晶片，位于所述压电晶片底面的阻尼块，以及固定所述超声波探头声透镜、压电晶片和阻尼块的元件外壳；所述探头支架内设有信号线孔，所述信号线孔安装有用于连通所述压电晶片和超声波探伤仪信号线。

测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测方法，步骤是：将待检多联齿轮置于底部水平的水槽内，然后将依据测量多联齿轮设计的安装有超声波探头声透镜的超声波探头安装于水平放置的垂直固定式游标卡尺游标之上，并将超声波探头置于待检测多联齿轮内孔中，通过调节游标实现超声波探头的上下移动，超声波探伤仪与超声波探头通过信号线连接；

调节超声波探头起始位置于焊缝熔深以下，由于存在内外齿结合面界，因此会产生超声波反射，此时可以在超声波探伤仪显示屏上读出该界面的超声反射波；调节游标，使得超声波探头上升，注意观察超声波探伤仪显示屏，当焊缝界面超声波反射波消失时，记录此时游标卡尺的具体读数Y₁，继续调节游标，超声波探头上升，观察超声波探伤仪显示屏，当超声波聚焦点越出焊接区域，由于存在其他超声波反射界面，所以会在超声波探伤仪显示屏上显示出超声波反射回波，记录此时游标卡尺的具体读数Y₂，所以焊缝熔深H＝Y₂-Y₁。

由于采用了上述技术方案，测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜，所述超声波探头声透镜沿多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处；因此有效检测超声波的能量将较高，检测装置信噪比得到较大提高，有效降低检测结果误差，提高检测精度。

由于采用了上述技术方案，测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测装置，包括垂直固定的游标卡尺，所述游标卡尺的游标上固定安装有超声波探头安装架，所述超声波探头安装架上垂直固定安装有依据测量多联齿轮设计的安装有超声波探头声透镜的超声波探头，内部盛装有水且水内水平放置有齿轮的水槽，所述超声波探头的探头支架与所述齿轮的轴线重合，所述超声波探头的信号线电连接有探伤仪；所述超声波探头包括探头支架，所述探头支架上设有开口朝向多联齿轮中心孔内壁的安装孔，所述安装孔内安装有超声波元件，所述超声波元件包括靠近中心孔内壁的超声波探头声透镜，位于所述超声波探头声透镜底面的压电晶片，位于所述压电晶片底面的阻尼块，以及固定所述超声波探头声透镜、压电晶片和阻尼块的元件外壳；所述探头支架内设有信号线孔，所述信号线孔安装有用于连通所述压电晶片和超声波探伤仪信号线；本装置结构简单、通用性强、操作方便，由于超声波探头可在多联齿轮内孔中沿齿轮轴线运动，因此可以对不同焊缝深度的多联齿轮进行检测。

附图说明

图1是本发明实施例超声波探头声透镜的立体图，呈马鞍状。

图2是本发明实施例多联齿轮径截面超声波传播路线解析图；图中：Θ、熔合点；ε、ε’、熔合点至齿轮内壁圆切线；φ₁、超声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波探头声透镜内的入射角；υ₁、超声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)内传播线；γ₁、超声波在水钢界面水中入射声束；λ₁、超声波探头声透镜在A₁点的径线；γ₂、超声波在水钢界面水中入射声束；ψ、齿轮内壁；δ₁、辅助线(超声波在超声波探头声透镜内传播线)与γ₁之间的夹角；α₁、超声波水钢界面水中入射角；β₁、超声波水钢界面钢中折射角；ξ₁、超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波在水中折射角。

图3是本发明实施例多联齿轮轴截面超声波传播路线示意图；图中：10、待检测焊缝；11、超声波探头；12、多联齿轮之1#齿轮；13、多联齿轮之2#齿轮；14、超声波波线。

图4是本发明实施例测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头的结构原理图；

图中：1、信号线保护管；2、探头支架；3、超声波探头声透镜；4、压电晶片；5、外壳；6、阻尼块；7、走线用沉头孔；8、外螺纹；9、信号线。

图5是本发明实施例超声波检测装置的结构示意图；图中：15、探伤仪16、垂直固定式游标卡尺；17、超声波探头安装架；18、待测多联齿轮19、水槽；11、超声波探头。

图6是背景技术多联齿轮径截面超声波传播路线示意图。

具体实施方式

如图1所示，测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜，所述超声波探头声透镜沿多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处。

本发明中超声波探头声透镜采用环氧树脂加工，环氧树脂中的声速可通过有关资料查得。当超声波传播至水钢结合面时，容易发生波形转换，即当纵波入射角大于第一临界角时(约为14°)，发生纵波全反射，只有横波折射进入多联齿轮内部，当纵波入射角大于第二临界角时(约为26°)将出现横波全反射，此时根本没有超声波进入到齿轮内部。为减少波形转换给检测带来的不必要干扰，采用超声波纵波对焊缝熔深检测。

当超声波的入射面为特殊形状曲面时，需要依据入射面的具体形状设计专门聚焦超声波探头声透镜，使得绝大部分超声波纵波能够折射进入多联齿轮内，并顺利聚焦于熔合点，因此有效检测超声波的能量将较高，检测装置信噪比得到较大提高，有效降低检测结果误差，提高检测精度，这也是本发明的最终目的所在。

本发明严格按照超声波的传播规律，模拟出超声波的传播途径，采用作图解析法将超声波探头声透镜在多联齿轮径截面的若干特征点找出，采用插值方式将超声波探头声透镜在径截面的曲线方程拟和出。由于在轴截面上，超声波入射符合平面入射，因此可按照球聚焦方式处理。以下为超声波探头声透镜在径截面的曲线方程推导。

具体过程：

以被检齿轮的中心为原点，建立如图2所示坐标系。

从熔合点引齿轮内壁圆ψ的切线，这样就得到两条线段ε和ε’。两条线段之间所夹的齿轮内壁部分就表示有纵波折射的所有入射纵波所能透过的全部区域。将这两条线段之间所夹的齿轮内壁圆弧等分成10份，将各点分别与熔合点Θ连接，得到5对两两对称的线段和中间一条与坐标系纵轴Z重合的线段，代表超声波折射后的纵波入射声束。通过解析图分别测量出超声波水钢界面钢中5个折射角β_z(z＝1，2...5)，钢中以及水(耦合剂)中超声波纵波声速已知，根据下式：

$\frac{C_{z1}}{\sin {\mathrm{\β}}_1}=\frac{C_{r1}}{\sin {\mathrm{\α}}_1}---\left(1\right)$

式中：

C_z1：水钢界面钢中折射声束声速；

C_r1：水钢界面水中入射声束声速；

β₁：水钢界面钢中声束折射角；

α₁：水钢界面声束在水中入射角。

分别求出超声波水钢界面水中入射角α_r(r＝1，2...5)，分别将水钢界面水中入射声束γ_α(α＝1，2...5)一一画出，另外5束入射声束γ_β‘(β＝1，2...5)分别与γ_α(α＝1，2...5)沿坐标系纵轴(Z)对称。依据超声波探头支架的具体尺寸，选取声透镜距离齿轮内壁的距离L，并在此距离处作水平辅助线，与水钢界面水中入射声束γ₁相交，交点A₁作为最中间一对水钢界面水中声束入射线(即γ₁与其沿坐标系纵轴Z对称的入射声束)所对应的声透镜上的一点。因为压电换能器发射出的超声波可认为垂直入射入超声波探头声透镜内部，且由于超声波探头声透镜厚度较薄，因此超声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)内传播途径与坐标系纵轴Z平行。过A₁作与坐标系纵轴Z平行的辅助线ν，表示声束在超声波探头声透镜(环氧树脂)内的传播途径。辅助线ν与γ₁之间的夹角为δ₁，声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面从超声波探头声透镜(环氧树脂)内折射入水中，折射角为ξ₁，声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波探头声透镜内的入射角φ₁，此三者之间的关系由图2：

            δ₁+ξ₁＝Φ₁                (2)

根据式(1)可得：

$\frac{C_{r2}}{\sin {\mathrm{\Φ}}_1}=\frac{C_{z2}}{\sin {\mathrm{\ξ}}_1}---\left(3\right)$

式中：

C_r2：超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波探头声透镜内入射声束声速；

C_z2：超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面水中折射射声束声速；

Φ₁：超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波探头声透镜内声束入射角；

ξ₁：超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面声束在水中折射角。

水中及超声波探头声透镜(环氧树脂)中声速已知，根据式(3)得出超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波在水中折射角ξ₁后，即可作超声波探头声透镜与水界面过A₁点的法线λ₁，λ₁为与γ₁之间成ξ₁夹角的直线，亦即超声波探头声透镜在A₁点的半径方向，因为超声波探头声透镜径截面曲线是按坐标系纵轴Z对称的，所以作λ₁沿坐标系纵轴Z对称线，此对称线与λ₁的交点即为过A₁点的圆弧圆心O₁，以O₁为圆心，以O₁A₁为半径作圆弧，与γ₂交于A₂，在点A₂重复以上步骤。最终可以采用曲线拟合的方法近似求出超声波探头声透镜在径截面的曲线方程，该曲线沿坐标系纵轴Z对称分布。

分析多联齿轮轴截面超声波入射情况，因为在此截面内，水钢结合界面为平面，所以符合超声波平面入射条件(见图3)，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面的曲线方程按照球面聚焦方式处理为最佳，以下为超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面内曲线方程推导。

齿轮内壁至熔合点的等效水距离：

$t_{\mathrm{WQ}}=\frac{t_{\mathrm{Fe}}}{C_{\mathrm{Fe}}}\·C_W$

式中：

t_Fe：超声波在钢中的传播距离(齿轮内壁至熔合点的距离)；

C_W：水中纵波声速；

C_Fe：钢中纵波声速。

则聚焦探头水中声学焦距为：

                    f_ac＝t_W+t_WQ

式中：t_W：超声波在水中的传播距离。

根据几何焦距与声学焦距之间的关系：

$f_{\mathrm{op}}=\frac{f_{\mathrm{ac}}}{(1-\frac{f_{\mathrm{ac}}^2}{N^2})}---(3-7)$

式中：f_op：几何焦距。

确定超声波探头声透镜的几何半径：

                        r＝f_op(1-n)

式中：

r：超声波探头声透镜几何半径；

n：超声波在超声波探头声透镜(环氧树脂)与水界面超声波探头声透镜内的折射率。

因此，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面上得曲线为以r为半径的圆弧。

分别确定下超声波探头声透镜在多联齿轮径截面和轴截面的曲线方程后，可以得到整个超声波探头声透镜与水结合面的曲面方程，通过数控加工中心可以将所需要的特殊曲面加工出。

如图4所示，测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头，包括探头支架2，所述探头支架上设有开口朝向多联齿轮中心孔内壁的安装孔，所述安装孔内安装有超声波元件，所述超声波元件包括靠近中心孔内壁的超声波探头声透镜，位于所述超声波探头声透镜底面的压电晶片，位于所述压电晶片底面的阻尼块，以及固定所述超声波探头声透镜、压电晶片和阻尼块的元件外壳；所述探头支架内设有信号线孔，所述信号线孔安装有用于连通所述压电晶片和探伤仪信号线，所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过耦合剂和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过耦合剂和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处。

探头支架采用不锈钢材料制成。信号线保护管1与探头支架2紧密配合，信号线保护管1可直接插入到探头支架2左端中心部位加工好的沉头孔沉头中(注：该沉头孔深度以打通至探头右端部分安放超声波发生与接收部分的沉头孔为准，以方便信号线的布置)同时以环氧树脂胶水粘接牢固，信号线保护管1另一端可接不同接插件以便同外部探伤仪连接；

为实现自动化检测，探头支架2左端外部为螺纹结构，方便与外部机械装置连接，以固定整个超声波探头。

采用超声波检测多联齿轮焊缝，多联齿轮检测部分与超声波探头内的超声波发射接收窗口均需浸没在耦合剂中，所以本超声波探头在外支架中部外螺纹下侧设计一外径较大轴肩。安装探头时，可以在其上端面安装“O”型垫圈或其他密封部件以起到防漏作用，防止耦合剂泄露。

靠近探头支架2下端部分侧面居中加工一与探头支架轴线垂直的沉头孔，用以放置超声波元件(超声波发射和接收部分：由超声波探头声透镜3、压电晶片4、外壳5、阻尼块6组成)，然后用环氧树脂胶将其与探头支架粘接牢固且不可有泄露，以防止耦合剂由此进入到支架内部，超声探头信号线可通过外支架内已加工好的沉头孔和保护管孔实现与外部信号源连接。

超声波发射与接收部分，压电晶片4上表面与外壳5上表面齐平并置于外壳5内孔中，压电晶片下表面以下部分为阻尼块6，压电晶片信号线穿过阻尼块，压电晶片4、外壳5、阻尼块6三者通过环氧树脂胶水固成为一体，在压电晶片上表面放置超声波探头声透镜，并用环氧树脂胶水将其与压电晶片上表面粘接在一起，实现超声波聚焦，不同孔径与环焊缝直径的多联齿轮需要设计不同的聚焦超声波探头声透镜，使得超声波聚焦点恰好位于焊缝处(如图3、图4所示)。当外接探伤仪电脉冲信号通过信号线传递至压电晶片，压电晶片由于压电效应，通过电声转换，就会产生一定频率的超声波，当检测所需的反射超声波信号传递至压电晶片后，通过声电转换，就将一定的电信号通过信号线传递至外接探伤仪，波形便可在显示屏上显示出来。

如图3所示，该多联齿轮焊缝深度超声波专用检测探头由于可直接在多联齿轮内孔中沿齿轮轴线自由移动，因此无论焊缝深度为多少，都可以较为准确地确定齿轮焊缝的深度。又因为该超声波探头的聚焦方式为严格依照超声波在具体产品中的传播方式倒推而得到，因此可以在极大程度上利用尽可能多的超声波进行检测，检测灵敏度提高幅度非常大。通过针对某一具体对象的实际设计，该探头所需超声波探头声透镜为类似马鞍型声透镜。

如图5所示，使用上述探头的超声波检测装置，包括垂直且固定的游标卡16尺，所述游标卡尺16的游标上固定安装有超声波探头安装架17，所述超声波探头安装架上垂直固定安装有超声波探头11，内部盛装有水且水内水平放置有齿轮的水槽19，所述超声波探头的探头支架与所述齿轮18的轴线重合，所述超声波探头的信号线电连接有探伤仪15。

将待检多联齿轮18置于一水平放置的平底水槽19中，然后将依据不同多联齿轮设计的超声波探头11安装于水平放置的垂直固定式游标卡尺游标之上，并将超声波探头11置于待检测多联齿轮18内孔中，通过调节游标实现超声波探头的上下移动(如图5所示)，超声波探伤仪与超声波探头连接。

本发明的检测方法如下：

调节超声波探头起始位置于焊缝熔深以下，由于存在内外齿结合面界，因此会产生超声波反射，此时可以在超声波探伤仪显示屏上读出该界面的超声反射波。调节游标，使得超声波探头上升，注意观察超声波探伤仪显示屏，当焊缝界面超声波反射波消失时，记录此时游标卡尺的具体读数Y₁，继续调节游标，超声波探头上升，观察超声波探伤仪显示屏，当超声波聚焦点越出焊接区域，由于存在其他超声波反射界面，所以会在超声波探伤仪显示屏上显示出超声波反射回波，记录此时游标卡尺的具体读数Y₂，所以焊缝熔深H＝Y₂-Y₁。另外，可以通过金相检验对该检测值进行校验，如果两者差别较大，可适当对超声波探伤仪进行调节后，重复利用超声波对焊缝熔深进行检测，直至金相检验值与超声波检测值差别在允许误差范围内，即可在该环境下对不同多联齿轮焊缝熔深检测。作过金相检测的多联齿轮可以作为检测校准件，

该方法如应用于自动检测，多联齿轮旋转同时超声波探头上升，且二者之间的运动速度可根据超声波聚焦点的大小设定某种的比例关系，例如：多联齿轮每旋转一圈，超声波探头上升0.2mm，则可将整个环焊缝的熔深检测出。

Claims (4)

1.测量多联齿轮焊缝熔深的超声波探头声透镜，其特征在于：所述超声波探头声透镜沿多联齿轮轴向的剖面形状为内凹的球面弧形，所述球面弧形的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体位于所述多联齿轮的焊缝处；所述超声波探头声透镜沿所述多联齿轮径向的剖面形状为外凸的近弧形结构，所述近弧形结构的聚焦点经过作为耦合剂的水和齿轮体也位于所述多联齿轮的相同焊缝处。

2.如权力要求1所述的超声波探头声透镜的设计方法，其特征在于：以被检齿轮的中心为原点，建立坐标系(Y，Z)；

从熔合点(Θ)引齿轮内壁圆(ψ)的切线，这样就得到两条线段(ε、ε’)；两条线段之间所夹的齿轮内壁部分就表示有纵波折射的所有入射纵波所能透过的全部区域；将这两条线段之间所夹的齿轮内壁圆弧等分成若干份，将各点分别与熔合点(Θ)连接，得到多对两两对称的线段和中间一条与坐标系纵轴(Z)重合的线段，代表超声波折射后的纵波入射声束；通过解析图分别测量出坐标系纵轴(Z)一侧超声波纵波入射声束水钢界面钢中的多个折射角β_Z(z＝1，2...5)，钢中以及水中超声波纵波声速已知，根据下式：

$\frac{C_{z1}}{\sin {\mathrm{\β}}_1}=\frac{C_{r1}}{\sin {\mathrm{\α}}_1}---\left(1\right)$

式中：

C_z1：水钢界面钢中折射声束声速；

C_r1：水钢界面水中入射声束声速；

β₁：水钢界面钢中声束折射角；

α₁：水钢界面声束在水中入射角；

分别求出超声波水钢界面水中入射角α_r(r＝1，2...5)，分别将水钢界面水中入射声束γ_α(α＝1，2...5)一一画出，坐标系纵轴(Z)另一侧的入射声束γ_β‘(β＝1，2...5)分别与γ_α(α＝1，2...5)沿坐标系纵轴(Z)对称；选取声透镜距离齿轮内壁的距离L，并在此距离处作水平辅助线，与水钢界面水中入射声束γ₁相交，交点A₁作为最靠近坐标系纵轴(Z)的一对水钢界面水中声束入射线所对应的声透镜上的一点；因为压电换能器发射出的超声波可认为垂直入射入超声波探头声透镜内部，且由于超声波探头声透镜厚度较薄，因此超声波在超声波探头声透镜内传播途径与坐标系纵轴(Z)平行；过A₁作与坐标系纵轴(Z)平行的辅助线ν，表示声束在超声波探头声透镜内的传播途径；辅助线ν与γ₁之间的夹角为δ₁，超声波在超声波探头声透镜与水界面从超声波探头声透镜内折射入水中，折射角为ξ₁，声波在超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内的入射角φ₁，此三者之间的关系由图2：

            δ₁+ξ₁＝Φ₁                            (2)

根据式(1)可得：

$\frac{C_{r2}}{\sin {\mathrm{\Φ}}_1}=\frac{C_{z2}}{\sin {\mathrm{\ξ}}_1}---\left(3\right)$

式中：

C_r2：超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内入射声束声速；

C_z2：超声波探头声透镜与水界面水中折射声束声速；

Φ₁：超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内声束入射角；

ξ₁：超声波探头声透镜与水界面声束在水中折射角；

水中及超声波探头声透镜中声速已知，根据式(3)得出超声波探头声透镜与水界面超声波在水中折射角ξ₁后，即可作超声波探头声透镜与水界面过A₁点的法线λ₁，λ₁为与γ₁之间成ξ₁夹角的直线，亦即超声波探头声透镜与水交界面在A₁点的半径方向，因为超声波探头声透镜径截面曲线是按坐标系纵轴(Z)对称的，所以作λ₁沿坐标系纵轴(Z)对称线，此对称线与λ₁的交点即为过A₁点的圆弧圆心O₁，以O₁为圆心，以O₁A₁为半径作圆弧，与γ₂交于A₂，在点A₂重复以上步骤。最终可以采用曲线拟合的方法近似求出超声波探头声透镜在径截面的曲线方程，该曲线沿坐标系纵轴(Z)对称分布；

分析多联齿轮轴截面超声波入射情况，因为在此截面内，水钢结合界面为平面，所以符合超声波平面入射条件，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面的曲线方程按照球面聚焦方式处理为最佳，以下为超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面内曲线方程推导；

齿轮内壁至熔合点的等效水距离：

$t_{\mathrm{WQ}}=\frac{t_{\mathrm{Fe}}}{C_{\mathrm{Fe}}}\·C_W$

式中：

t_Fe：超声波在钢中的传播距离(齿轮内壁至熔合点的距离)；

C_W：水中纵波声速；

C_Fe：钢中纵波声速；

则聚焦探头水中声学焦距为：

            f_ac＝t_W+t_WQ

式中：t_W：超声波在水中的传播距离；

根据几何焦距与声学焦距之间的关系：

$f_{\mathrm{op}}=\frac{f_{\mathrm{ac}}}{(1-\frac{f_{\mathrm{ac}}^2}{N^2})}$

式中：f_op：几何焦距。

确定超声波探头声透镜的几何半径：

                r＝f_op(1-n)

式中：

r：超声波探头声透镜几何半径；

n：超声波在超声波探头声透镜与水界面超声波探头声透镜内的折射率；

因此，超声波探头声透镜在多联齿轮轴截面上得曲线为以r为半径的圆弧；

分别确定下超声波探头声透镜在多联齿轮径截面和轴截面的曲线方程后，可以得到整个超声波探头声透镜与水结合面的曲面方程，通过数控加工中心可以将所需要的特殊曲面加工出。

3.测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测装置，其特征在于：包括垂直固定的游标卡尺，所述游标卡尺的游标上固定安装有超声波探头安装架，所述超声波探头安装架上垂直固定安装有依据测量多联齿轮设计的安装有超声波探头声透镜的超声波探头，内部盛装有水且水内水平放置有齿轮的水槽，所述超声波探头的探头支架与所述齿轮的轴线重合，所述超声波探头的信号线电连接有探伤仪；所述超声波探头包括探头支架，所述探头支架上设有开口朝向多联齿轮中心孔内壁的安装孔，所述安装孔内安装有超声波元件，所述超声波元件包括靠近中心孔内壁的超声波探头声透镜，位于所述超声波探头声透镜底面的压电晶片，位于所述压电晶片底面的阻尼块，以及固定所述超声波探头声透镜、压电晶片和阻尼块的元件外壳；所述探头支架内设有信号线孔，所述信号线孔安装有用于连通所述压电晶片和超声波探伤仪信号线。

4.测量多联齿轮焊缝熔深的超声波检测方法，其特征在于：将待检多联齿轮置于底部水平的水槽内，然后将依据测量多联齿轮设计的安装有超声波探头声透镜的超声波探头安装于水平放置的垂直固定式游标卡尺游标之上，并将超声波探头置于待检测多联齿轮内孔中，通过调节游标实现超声波探头的上下移动，超声波探伤仪与超声波探头通过信号线连接；

调节超声波探头起始位置于焊缝熔深以下，由于存在内外齿结合面界，因此会产生超声波反射，此时可以在超声波探伤仪显示屏上读出该界面的超声反射波；调节游标，使得超声波探头上升，注意观察超声波探伤仪显示屏，当焊缝界面超声波反射波消失时，记录此时游标卡尺的具体读数Y₁，继续调节游标，超声波探头上升，观察超声波探伤仪显示屏，当超声波聚焦点越出焊接区域，由于存在其他超声波反射界面，所以会在超声波探伤仪显示屏上显示出超声波反射回波，记录此时游标卡尺的具体读数Y₂，所以焊缝熔深H＝Y₂-Y₁。

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