CN105572228A - 一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及其多轴自动扫查装置 - Google Patents

一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及其多轴自动扫查装置 Download PDF

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王运平
冯君伟
李杨杨
黄熠
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Abstract

本发明公开了一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及多轴自动扫查装置设计，在采用超声成像方法对航空叶轮进行检测的基础上，设计特定的运动行走方式及设备，完全满足探头始终垂直盖面并沿盖面形状行走。本方法采用脉冲反射法对真空扩散立体界面的扩散不良进行检测，满足三维焊接界面检测要求，使检测结果直观、准确；本发明的有益效果是解决了扩散焊接立体界面超声成像检测问题，设计出了一套自动成像检测装置，提出了缺陷自动识别方法。本方法可以有效的检出扩散界面的未复合、扩散不良缺陷以及盖板变形等问题。

Description

一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及其多轴自动扫查装置
技术领域
本发明涉及一种超声波检测方法和装置，具体涉及一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及多轴自动扫查装置设计。
背景技术
航空发动机都是各个国家大力研发的高精尖航空部件，对航空发动机的叶轮叶片精度、尺寸及整体质量要求越来越高。航空叶轮作为航空发动机的重要组成部分，越来越复杂的一体式叶轮开始出现，这些航空叶轮通常存在叶片间隔较小、扭曲大、叶片厚度较薄等特点。提高叶轮质量，乃至整个发动机系统的性能发挥重要作用。
目前还没有对航空叶轮扩散焊立体界面成套的检测方法、缺陷识别以及自动成像检测装置，在此之前使用A扫进行检测，效率低、准确性不高、缺陷识别困难、对检测人员的要求高。利用航空叶轮扩散焊立体界面成像检测自动装置，具有操作简单、准确性高、缺陷易识别等优点，解决航空叶轮扩散焊立体界面的质量检测。
发明内容
为了解决上述的检测难点，本发明提供了一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法及多轴自动扫查装置设计。
一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）根据带有未复合缺陷的样品的厚度、大小以及材质、衰减等选取合适的点聚焦水浸式换能器（探头）；
（2）根据叶轮的参数，其中包括叶轮盖板的倾斜角度调节探头的检测角度、根据叶片的位置确定焊缝的区域，从而调节探头的检测范围（扫查范围）；
（3）调节点聚焦水浸探头的焦距，保证足够的能量和一定声速范围能够覆盖所有焊缝，保证不漏检；
（4）调节好探头的全部的参数之后，启动机械自动扫查装置，打开扫查软件，进行全波列采集，记录并保存全部数据；
（5）扫查结束之后，通过软件提取出缺陷的特征信息，给出结论。
机械自动扫查装置主要包括内循环式滚珠丝杆、伺服电机、行星减速器、A轴伺服电机通过传动机构带动行星减速器实现转动，B轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现Z轴上下移动，C轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现Y轴左右移动，D轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现X轴前后移动，E轴直接调解探头角度。
所述机械自动扫查有两种运动模式：直线运动和转动；直线传动选择内循环式滚珠丝杆作为运动导轨。
航空叶轮的转动是整个超声波检测过程的重要环节，采用行星减速器，受力分散且均匀，叶轮运动稳定，满足了数据采集所要求的稳定性，解决了影响超声波检测的外界干扰。
由于叶轮盖板的厚度不均，为保证声束与焊接面垂直，经计算，应将换能器偏转1度11分（即纵波入射角为1度11分，经过折射之后的纵波，传播方向会垂直于叶轮焊接面）。
运动方式的控制，为了保证声束时刻与焊接面垂直，固定探头不动，叶轮绕着母线进行旋转一周。
旋转一圈之后，探头沿着盖板斜面向下平行移动1个毫米，然后重复上述运动方式。软件的后处理，能对缺陷进行识别、定位定量。
本发明的优点是：解决了扩散焊接立体界面超声成像检测问题，设计出了一套自动成像检测装置，提出了缺陷自动识别方法。本方法可以有效的检出扩散界面的未复合、扩散不良缺陷以及盖板变形等问题。
附图说明
图1为本发明的被检测对象航空叶轮基座俯视图。
图2为本发明的被检测对象航空叶轮基座侧视图。
图3为本发明的航空叶轮自动成像检测装置示意图。
图4换能器三自由度机械装置主视图。
图5换能器三自由度机械装置左视图。
图6行星减速器的内部结构简图。
图7为本发明的航空叶轮检测软件主界面。
图8为本发明的航空叶轮试验测试图一。
图9为本发明的航空叶轮试验测试图二。
在图中，1：TH25-1310-SW-B10-1-JD模组（THK），2：CSSJ-02-01D、C模组垫板
3：TH20-1200-SW-B5-1-JC模组（THK），4：CSSJ-02-02B、C模组连接板，5：TH20-510-SW-B5-1-JB模组（THK），6：CSSJ-02-03C模组端支撑组件，7：SGMJV-02传动电机，8：SGMJV-04传动电，9：SGMJV-02传动电机10：GB6191-1986M8X20螺钉304不锈钢，11：GB6191-1986M10X30螺钉304不锈钢，12：GB119.1-20008X22圆柱销，13：GB6191-1986M8X14螺钉，14：B、C模组螺母模组-08-304不锈钢，15：CSSJ-02-04探杆支架3A21，16：CSSJ-02-05探杆压块3A21，17：CSSJ-02-06探管(φ20x3,L=1200)304不锈钢，18：CSSJ-02-07探头角度调节组件。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的说明。
本发明通过以下四点技术方案解决上述的技术问题：
1、检测方法：
1.1检测区域
由叶轮盖板和叶轮基座通过真空扩散焊接而成的航空叶轮共有八条焊缝，焊缝将整个台面进行螺旋结构的四十五度等分，每条焊缝完全相同。叶片宽度不是定值，其宽度以轴心位置最窄，沿螺旋方向逐渐增大，经过测量，焊缝宽度为1.0~3.0mm。常规的超声波检测范围还包括焊缝两侧的热影响区域，由于真空扩散焊不属于熔焊，因此没有传统的焊缝以外的热影响区，直接检测八条焊缝即可，应保证百分之百覆盖。
在检测之前，应按照加工图纸在叶轮盖板上标记处相对应的焊接位置，检测时，以所标记的区域为实际检测面。
1.2检测角度
检测面为内角度30°，外角度35°的斜面，由于叶轮盖板的厚度不均，为保证声束与焊接面垂直，经计算，应将换能器偏转1度11分（即纵波入射角为1度11分，经过折射之后的纵波，传播方向会垂直于叶轮焊接面）。
2、自动成像检测装置
航空叶轮自动成像检测装置包括了换能器定位以及机械装置，E轴调节探头的角度，A轴电机带动航空叶轮做水平旋转，B、C、D三轴组成相互垂直的空间坐标系，且B轴运动方向与航空叶轮的主轴方向平行，C轴运动方向与航空叶轮的主轴方向垂直，D轴运动方向与航空叶轮的主轴方向垂直。装配时，使圆柱形水浸聚焦换能器的轴线与B、C轴所形成的平面平行，此时由于叶轮盖板的厚度不均，为保证声束与焊接面垂直，经计算，应将换能器偏转1度11分（即纵波入射角为1度11分，经过折射之后的纵波，传播方向会垂直于叶轮焊接面）。调节D轴，使B、C轴所在平面与叶轮轴线重合，位置调节完毕。
3、机械装置的设计
机械系统分为两种运动模式：直线运动和转动。直线传动选择内循环式滚珠丝杆作为运动导轨，用来控制水浸聚焦换能器的空间位置，共分为B、C、D三个轴组成空间三自由度的基本方向。
电机的转动会一直伴随着某种固有频率的振动，虽然经过参数的调节可以减小这种震动，但固有频率的存在以及启动时使用功率的变动仍然会使电机产生振动。转动过程中的不均匀性会导致检测图像的变形和失真，同时，由于运动的不稳定还有可能改变换能器与叶轮盖板的相对位置，从而影响整个超声波传播的一致性。减速器的使用可以解决这一问题。采用的是行星减速器，行星减速器具有紧凑的结构，定位精度高（齿隙小），而且由于其内部齿轮呈行星状环绕结构，受力分散且均匀。可以有效减小转动惯量，提升运动的稳定性。叶轮转动平稳，超声波在叶轮盖板的表面产生的界面波在时间轴上的数值稳定，满足了数据采集所要求的稳定性，解决了影响超声波检测的外界干扰。
4、缺陷识别
检测结束后，使用专用的检测软件读入检测的数据，进行后处理，焊缝结合处有无回波及波高变化来识别缺陷。
实施例：如图1所示，对检测对象航空叶轮的检测区域确定，如图2所示，立体界面焊接为变厚度，调节图3中的E轴，改变换能器的角度，使声束与焊接面垂直，调整换能器完毕。
如图3所示，检测流程：E轴调整好之后，固定不变，换能器发射接收超声波，同时A轴电机带动航空叶轮旋转一周；换能器停止发射超声波信号；C轴电机带动换能器向左步进Mmm，B轴电机带动换能器向下步进Nmm(其中，M与N的比例关系为tan35°=M/N)；换能器发射接收超声波，同时A轴电机带动航空叶轮旋转一周；当换能器的检测范围完全覆盖焊缝时，停止检测，保存数据，关闭软件。
如图7所示，为本发明的航空叶轮检测软件主界面，检测结束后，从新打开软件，读入检测数据，由于检测的航空叶轮焊缝为立体界面焊缝，厚度为有规律的变厚度，因此焊缝区的脱粘以及结合强度为一段距离内的结合不良，在选择成像的深度时，应将由浅至深的所有区域都包含进去。
如图8、图9所示为本发明的航空叶轮检测数据图，图中黑色区域8条带有弧形的斜杠航空叶轮立体焊接界面的焊缝区域。其中如果结合良好，无回波出现，此时此处呈现出黑色区域，若结合强度不够以及结合不良，出现未复合、贴合、裂纹、错位、变形等缺陷时，有一定的颜色出现。由此来判定此处有缺陷，实际中检测航空叶轮立体焊接界面的焊缝结合不良的情况，使用的是出现有缺陷的地方与整个检测的面积的比值来判定缺陷的大小，从而判定航空叶轮是否符合要求。

Claims (4)

1.一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）根据带有未复合缺陷的样品的厚度、大小以及材质、衰减选取合适的点聚焦水浸式换能器；
（2）根据叶轮的参数，其中包括叶轮盖板的倾斜角度调节探头的检测角度、根据叶片的位置确定焊缝的区域，从而调节探头的检测范围；
（3）调节点聚焦水浸探头的焦距，保证足够的能量和一定声速范围能够覆盖所有焊缝，保证不漏检；
（4）调节好探头的全部的参数之后，启动机械自动扫查装置，打开扫查软件，进行全波列采集，记录并保存全部数据；
（5）扫查结束之后，通过软件提取出缺陷的特征信息，给出结论。
2.根据权利要求1所述的一种航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法，其特征在于：机械自动扫查装置主要包括内循环式滚珠丝杆、伺服电机、行星减速器、A轴伺服电机通过传动机构带动行星减速器实现转动，B轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现Z轴上下移动，C轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现Y轴左右移动，D轴伺服电机带动内循环式滚珠丝杆实现X轴前后移动，E轴直接调解探头角度。
3.根据权利要求1或2所述的航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法，其特征在于：所述机械自动扫查有两种运动模式：直线运动和转动；直线传动选择内循环式滚珠丝杆作为运动导轨。
4.根据权利要求1所述的航空叶轮扩散焊立体界面的成像检测方法，其特征在于：所述将换能器偏转1度11分即纵波入射角为1度11分，经过折射之后的纵波，传播方向会垂直于叶轮焊接面。
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