CN105203637A - 检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，包括水槽、油箱运动系统、检测扫查系统和超声成像系统，包括X轴、Y轴、Z轴、构成的检测探头支架位置调节机构，Z轴末端安装检测探头支架，检测探头支架上安装3个不同入射角度的检测探头，定位销带动油箱转动。还提供了对应的飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷检测方法，在搅拌摩擦焊缝内产生横波和纵波，再结合超声特征扫描成像原理，实现对飞机油箱搅拌摩擦焊缝焊接质量进行自动化检测。

Description

检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置

技术领域

本发明涉及一种成像检测装置，尤其涉及一种用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝超声波特征成像检测装置。

背景技术

飞机油箱是飞机的源力系统，油箱的质量直接关系着飞机的生命安全。所以，油箱的检测尤为重要。飞机油箱采用一种新型的固相焊接技术，具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，特别是在薄板焊接中具有很好的优势。是通过控制搅拌头的移动方向和移动轨迹实现材料间的连接。飞机油箱采用铝或铝合金材料焊接而成，焊接方法采用搅拌摩擦焊接技术，但搅拌摩擦焊接技术容易受工艺参数的影响，由于工艺参数的偏离或意外因素的影响,在焊接过程中可能会产生焊接缺陷,且缺陷具有如下特点：

（1）缺陷多位于焊缝区与母材连接界面区；

（2）缺陷取向复杂，缺陷取向随着焊缝区与母材连接界面在搅拌过程中形成的流线生成和发展；

（3）缺陷紧贴、细微，具有明显的面积取向；搅拌摩擦焊缝薄而窄，需要较高频率、较小晶片面积的探头进行检测。

目前，该构件检测难点为缺陷取向复杂，一般采用改变超声探头入射角的方法进行多次手动超声检测，此法无法对缺陷进行定位、定量分析。不仅耗时久，而且容易发生漏检现象。一个飞机油箱构件，普通的探伤工人需要耗时一天才能检测完成，且不能避免漏检现象的发生。随着飞机油箱的批量生产，手工检测的方式不管是在效率上，还是检测的可靠性方面都难以满足检测的需求。

发明内容

为提高检测效率，克服检测难点，本发明提供了一种检测速度快、可靠性强、可以有效的检测出焊缝区与母材连接界面区中取向复杂的裂纹、紧贴型未焊合缺陷的超声波特征成像检测装置。

为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：一种用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，包括水槽、汽油油箱运动系统、检测扫查系统和超声成像系统，所述汽油油箱运动系统由连接水槽的水循环过滤系统、对称安装在水槽两侧壁上的定位销Ⅰ和定位销Ⅱ构成，定位销Ⅰ通过一台伺服电机驱动；所述检测扫查系统包括安装在水槽上的X轴，安装在X轴上的Y轴,安装在Y轴上的Z轴，Z轴末端安装检测探头支架，检测探头支架上安装3个不同入射角度的检测探头，X轴、Y轴、Z轴分别通过对应的伺服电机驱动；所述超声成像系统包括连接3个检测探头的3台超声分析仪，3台超声分析仪连接计算机，各伺服电机也连接计算机。

各个系统协调配合，即可完成飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝特征成像检测操作。现将其功能、结构组成和工作情况分述如下：

1、飞机油箱运动系统主要起控制飞机油箱转动作用，在水槽内完成。利用水的浮力作用，当水的浮力和油箱的重力平衡时，飞机油箱处于半浸没状态，飞机油箱两端利用定位销Ⅰ和定位销Ⅱ固定，定位销Ⅰ和定位销Ⅱ可以伸缩控制，操作人员可以根据检测要求对飞机油箱进行水平调节，使飞机油箱位置与定位销Ⅰ和定位销Ⅱ同心，利用伺服电机控制链轮带动定位销Ⅰ而使飞机油箱匀速旋转。水槽采用了水循环过滤系统，保证水的质量不影响超声检测。该水槽采用防腐蚀、抗变形材料制造，保证飞机油箱在旋转过程中的稳定性。

2、检测扫查系统主要用于固定检测探头和调整检测探头位置。通过计算机控制检测探头各个轴之间的联动，完成超声检测探头扫查动作。

X轴：由通过螺丝旋钮安装在水槽上的两根平行导轨构成，。在X轴的两端装有行程限位开关，它可避免一旦机械误动作而对设备造成损坏。

Y轴由高精度线性模组组成。Y轴与X轴连接，这种机械结构可确保设备能够长久、可靠的工作，Y轴的平直度通过螺丝旋钮调节，Y轴也配备一台伺服电机驱动。Y轴的驱动电机安装在Z轴平台上，通过伺服电机的驱动，可带动Z轴沿Y轴方向运动，Y轴的驱动电机具有过载保护功能，Y轴的两端装有行程限位开关，可避免一旦机械误动作而对设备造成损坏。

Z轴也是由高精度线性模组和可在高精度线性模组上下移动的Z-轴支架、伺服电机构成，伺服电机安装在高精度线性模组上作为驱动机构，Z轴的高精度线性模组内带有一个压簧。在Z-轴支架下方安装有低压卤素灯

通过调节X、Y、Z轴的位置，控制检测探头的位置。位于飞机油箱上方一定距离处，检测探头角度通过伺服电机控制，保证检测探头以最优角度斜对焊缝。检测探头附带喷水装置，保证喷水装置喷出的水柱沿探头方向运动刚好落在焊缝表面，保证聚焦效果。该装置采用三个异面水浸聚焦探头a、b、c同时对焊缝进行扫查。为避免超声波间的相互干扰，每个水浸聚焦探头相距不小于5cm。b聚焦探头采用垂直于焊缝表面的方式垂直入射，a聚焦探头和c聚焦探头采用斜入射方式，针对焊缝缺陷的不同取向，a和c聚焦探头分别与b聚焦探头成正14度角和负14度角，实现聚焦超声波在焊缝内部实现纯横波检测，极大提高检测灵敏度和解决了焊缝缺陷不同取向的问题，大大的提高了搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷的检出率，避免漏检。

3、超声成像系统主要起提取超声检测信号的作用，将获得的超声信号进行数据处理并且进行实时成像。工作时，以用PLC发出的控制脉冲作为外触发信号，三个超声分析仪的MARKEDRF输出的信号分别接入PCI9850型采集卡。计算机采集了全波列的检测信号后，软件可以从数据中分析出信号特征，特征主要包括如下几个方面:(1)反射波的幅值；(2)反射波的相位；(3)反射体的几何形状；(4)反射体的空间当量分布；(5)底界面波的幅值；(6)底界面波的相位；(7)上界面波的幅值；(8)上界面波的相位。其中特征(1)-(4)对缺陷的判定是必须的，可称它们为主要特征，特征(5)-(8)是为了判定检测试样的上下界面以及反射体距它们的位置，也可以判定某些缺陷，把它们称为辅助特征。

针对这些特征，系统软件分别绘出基于三个水浸聚焦探头全波列采集的特征量的图像，包括：

1)相位(深度)特征图像：从数据中抽取出缺陷各点距表面的深度，并用不同的颜色表示不同的距离，形成缺陷的相位特征彩图。

2)当量分布特征图像：选取材料中各点反射波当量为特征，给它们赋予不同的颜色，可做出当量分布的彩色特征图像。

超声波层析(CT)显示：将幅值特征量按材料的深度一层层的显示出来,就构成材料的层析显示,可以看到材料任一截面的检测情况,这在C扫描中是无法实现的。

该系统采用三个超声聚焦探头同时对一条搅拌摩擦焊焊缝实时检测成像，检测结束后，计算机会自动生成一个NDT格式的文件，该文件中包含对应三个超声聚焦探头的检测图像，通过设定闸门，可以通过观察图像中颜色的变化，对油箱中的缺陷进行评定。由于系统采用变入射角的超声检测方式，对搅拌摩擦焊焊缝中取向复杂缺陷的检出率大大提高且可以对缺陷进行定性和定量分析。

对应地，本发明还涉及一种通过改变水浸聚焦探头入射角度进行超声特征成像对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行定性、定量评价的方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）采用三个不同入射角度的水浸聚焦探头对带有各种取向缺陷的样品进行检测；

（2）采集各个水浸聚焦探头在检测样品内缺陷的检测信号，保存在计算机内；

（3）通过计算机对各种特征量的提取和重构，设置闸门检测深度和闸门来显示检测图像。

（4）读取检测图像中缺陷的尺寸、深度、和回波特征，对缺陷进行定性、定量评价；

所述步骤（1），入射角度的选择应尽可能与缺陷取向垂直，针对入射角度对声压的影响，采用角度-能量补偿方法对入射角度调整。

采集超声特征信号为多通道信号采集，所选采集卡为PCI9850。

本发明的检测方法，在搅拌摩擦焊焊缝内产生横波和纵波，再结合超声特征扫描成像原理，实现对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝焊接质量进行自动化检测。当超声波束遇到取向复杂缺陷时，不同入射角度的水浸聚焦探头通过接收反射回波信号进行特征成像，再根据超声特征图像进行定性、定量评价。本发明与传统C扫描相比，其技术效果为：减少了缺陷取向不同对超声反射回波的影响，还能够对检测信号进行频谱分析、数字滤波、通过各种特征的提取和重构来实现缺陷的自动识别，从而提高了定量、定性能力。采用本发明方法可以准确、快速的对搅拌摩擦焊焊缝内种各种缺陷做出评价，操作方法简单、方便。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是飞机油箱检测探头布置图（前视图）。

图3是飞机油箱检测布置图（轴向图）。

图4飞机油箱检测探头布置图（俯视图）。

图5Y轴平台与Z轴平台布置图。

图6X轴左侧导轨示意图。

图7X轴右侧导轨示意图。

图中1X轴2.Y轴3.Z轴4.定位销Ⅰ5.定位销Ⅱ6.检测工件（飞机油箱）7.水循环过滤系统8.检测探头支架及检测探头9.水槽

10.螺丝旋钮11.行程限位开关12.低压卤素灯13.压簧M.伺服电机。

具体实施方式

如图1所示，该超声特征成像检测装置，包括水槽（9）、汽油油箱运动系统、检测扫查系统和超声成像系统，所述汽油油箱运动系统由联接水槽（9）的水循环过滤系统（7）、对称安装在水槽（9）两侧壁上的定位销Ⅰ（4）和定位销Ⅱ（5）构成，定位销Ⅰ（4）通过一台伺服电机驱动；所述检测扫查系统包括安装在水槽（9）上的X轴（1），安装在X轴(1)上的Y轴(2),安装在Y轴(2)上的Z轴(3)，Z轴末端安装检测探头支架（8），检测探头支架上安装3个不同入射角度的检测探头，X轴（1）、Y轴（2）、Z轴（3）分别通过对应的伺服电机驱动；所述超声成像系统包括连接3个检测探头的3台超声分析仪，3台超声分析仪连接计算机，各伺服电机也连接计算机。

如图2、3和4所示，3个检测探头是指三个异面水浸聚焦探头a、b、c，同时对焊缝进行扫查。为避免超声波间的相互干扰，每个水浸聚焦探头相距不小于5cm。b聚焦探头采用垂直于焊缝表面的方式垂直入射，a聚焦探头和c聚焦探头采用斜入射方式，针对焊缝缺陷的不同取向，a和c聚焦探头分别与b聚焦探头成正14度角和负14度角，实现聚焦超声波在焊缝内部实现纯横波检测，极大提高检测灵敏度和解决了焊缝缺陷不同取向的问题，大大的提高了搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷的检出率，避免漏检。

X轴：如图6和图7所示，X轴由通过螺丝旋钮（10）安装在水槽上的两根平行导轨构成，并和Y轴保持垂直。X轴的驱动系统由伺服电机和高精度线性模组组成，它们作为一个整体安装在水槽上，X轴的平直度可通过螺丝旋钮（10）进行调节，伺服电机具有过载保护功能。在X轴的两端装有行程限位开关（11），它可避免一旦机械误动作而对设备造成损坏。

Y轴：如图5所示，Y轴由高精度线性模组组成。Y轴与X轴连接，这种机械结构可确保设备能够长久、可靠的工作，Y轴的平直度通过螺丝旋钮（10）进行调节，Y轴也配备一台伺服电机驱动。Y轴的驱动电机安装在Z轴平台上，通过伺服电机的驱动，可带动Z轴沿Y轴方向运动，Y轴的驱动电机具有过载保护功能，Y轴的两端装有行程限位开关，可避免一旦机械误动作而对设备造成损坏。

Z轴也是由高精度线性模组和可在精度线性模组上下移动的Z-轴支架、伺服电机构成，与安装在Y-轴平台上的Z-轴支架上Z-轴可在此支架上下自由运动，Z轴的高精度线性模组内带有一个压簧（13），用来抵消Z-轴的自身重量，可消除Z-轴自身重量对驱动齿轮系统的影响，这种机械结构可确保Z-轴的上/下运动平稳、顺畅，不受Z轴本身自重的影响，同时不需润滑，因而设备能够长久、可靠的工作。同时，Z-轴支架上带有调整机构，可方便的对Z-轴进行调整，以确保Z-轴方向与X/Y平面垂直，Z-轴支架底部的三个支撑点各配有一安全开关，形成一种平衡状态，它可保证在Z-轴受到任何方向力的作用时，使设备立刻停机，从而保证整个机械部分不受到任何损坏，这也是该系统能够长期正常运转的一个有力保证。Z-轴的另一特点是采用免维护传动系统，在Z-轴支架下方安装有低压卤素灯（12），可为被检测区域提供照明，同时，Z-轴上装有行程限位开关，可避免一旦机械误动作而对设备造成损坏，Z-轴的所有驱动部件及导轨均使用不锈钢或其他防腐材料制成，可确保防腐耐磨。

超声成像系统主要起提取超声检测信号的作用，将获得的超声信号进行数据处理并且进行实时成像。工作时，以用PLC发出的控制脉冲作为外触发信号，三个超声分析仪的MARKEDRF输出的信号分别接入PCI9850型采集卡。计算机采集了全波列的检测信号后，软件可以从数据中分析出信号特征，特征主要包括如下几个方面:(1)反射波的幅值；(2)反射波的相位；(3)反射体的几何形状；(4)反射体的空间当量分布；(5)底界面波的幅值；(6)底界面波的相位；(7)上界面波的幅值；(8)上界面波的相位。其中特征(1)-(4)对缺陷的判定是必须的，可称它们为主要特征，特征(5)-(8)是为了判定检测试样的上下界面以及反射体距它们的位置，也可以判定某些缺陷，把它们称为辅助特征。

通过改变水浸聚焦探头入射角度进行超声特征成像对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行定性、定量评价的方法，其步骤如下：

（1）采用三个不同入射角度的水浸聚焦探头对带有各种取向缺陷的样品进行检测；入射角度的选择应尽可能与缺陷取向垂直，针对入射角度对声压的影响，采用角度-能量补偿方法对入射角度调整。

（2）采集各个水浸聚焦探头在检测样品内缺陷的检测信号，保存在计算机内；

（3）通过计算机对各种特征量的提取和重构，设置闸门检测深度和闸门来显示检测图像。采集超声特征信号为多通道信号采集，所选采集卡为PCI9850。

（4）读取检测图像中缺陷的尺寸、深度、和回波特征，对缺陷进行定性、定量评价。

水槽（9）置于水平地面，与X轴（1）、Y轴（2）、定位销Ⅰ（4）、定位销Ⅱ（5）置于同一水平面，Z轴（3）与水平面垂直。定位销Ⅰ（4）和定位销Ⅱ（5）固定检测工件（飞机油箱），使工件与定位销Ⅰ（4）同心，以伺服电机为动力源，通过链轮控制定位销Ⅰ（4）带动工件匀速旋转。工件每旋转一圈，检测探头组朝工件的纵向方向步进一个单位。直至完成工件表面100%检测。

水槽（9）内注入纯净水，以减少杂质和其他污染物对超声信号的干扰，与此同时加入少许消泡剂，避免在工件表面形成气泡。检测探头上附带喷水装置，水柱落在工件表面呈莲花状，超声波通过以一定压力喷射至工件表面的水柱进行耦合。通过X轴（1）、Y轴（2）、Z轴（3）和对检测探头进行手动调节，保证纵波直探头b垂直于焊缝，纵波斜探头a、c以偏移焊缝法线方向±14度角入射，当时，在焊缝中只有折射横波，没有折射纵波，以实现焊缝内纯横波检测，大大提高检测灵敏度、分辨率和发现取向复杂的缺陷。第二次检测时，开启水循环过滤系统10分钟，以确保水质满足检测要求。

检测过程中，每个检测探头的间距不小于5cm，确保各个超声探头间的超声信号不会相互干扰。超声波在焊缝内传播时，遇到不连续介质时，探头接收反射信号，通过超声特征扫描系统实现自动化成像检测。

Claims (10)

1.用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，包括水槽、油箱运动系统、检测扫查系统和超声成像系统，其特征在于：所述油箱运动系统由连接水槽的水循环过滤系统、对称安装在水槽两侧壁上的定位销Ⅰ和定位销Ⅱ构成，定位销Ⅰ通过一台伺服电机驱动；所述检测扫查系统包括安装在水槽上的X轴，安装在X轴上的Y轴,安装在Y轴上的Z轴，Z轴末端安装检测探头支架，检测探头支架上安装3个不同入射角度的检测探头，X轴、Y轴、Z轴分别通过对应的伺服电机驱动；所述超声成像系统包括连接3个检测探头的3台超声分析仪，3台超声分析仪连接计算机，各伺服电机也连接计算机。

2.根据权利要求1所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：3个检测探头是指三个异面水浸聚焦探头a、b、c，b聚焦探头采用垂直于焊缝表面的方式垂直入射，a聚焦探头和c聚焦探头采用斜入射方式。

3.根据权利要求2所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：a和c聚焦探头分别与b聚焦探头成正14度角和负14度角。

4.根据权利要求1所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：X轴、Y轴、Z轴均由高精度线性模组组成。

5.根据权利要求1所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：三台超声分析仪的MARKEDRF输出的信号分别接入PCI9850型采集卡，再输入计算机。

6.根据权利要求1所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：X轴由通过螺丝旋钮安装在水槽上的两根平行导轨构成，在X轴的两端装有行程限位开关。

7.根据权利要求1所述的用于检测飞机油箱搅拌摩擦焊缝缺陷的超声特征成像检测装置，其特征在于：Z轴也是由高精度线性模组和可在高精度线性模组上下移动的Z-轴支架、伺服电机构成，伺服电机安装在高精度线性模组上作为驱动机构，Z轴的高精度线性模组内带有一个压簧，在Z-轴支架下方安装有低压卤素灯。

8.一种通过改变水浸聚焦探头入射角度进行超声特征成像对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行定性、定量评价的方法，其特征在于方法步骤如下：

采用三个不同入射角度的水浸聚焦探头对带有各种取向缺陷的样品进行检测；

采集各个水浸聚焦探头在检测样品内缺陷的检测信号，保存在计算机内；

通过计算机对各种特征量的提取和重构，设置检测深度闸门和回波高度闸门来显示检测图像。

9.读取检测图像中缺陷的尺寸、深度、和回波特征，对缺陷进行定性、定量评价；

根据权利要6所述的通过改变水浸聚焦探头入射角度进行超声特征成像对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行定性、定量评价的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，入射角度的选择应尽可能与缺陷取向垂直，针对入射角度对声压的影响，采用角度-能量补偿方法对入射角度调整。

10.根据权利要6所述的通过改变水浸聚焦探头入射角度进行超声特征成像对飞机油箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行定性、定量评价的方法，其特征在于：采集超声特征信号为多通道信号采集，所选采集卡为PCI9850。