CN106979981B - 圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置及方法，属于焊接质量控制领域。装置包括工业计算机、超声采集卡、电机控制卡和扫查器。扫查器的步进电机固定在上壳体上，步进电机的输出轴与十字形线阵超声波探头连接，十字形线阵超声波探头与下壳体之间通过轴承连接以保障其运动的平稳性；延迟块位于十字形线阵超声波探头的下方，通过拧紧螺母固定在下壳体上，拧紧螺母与下壳体连接。该方法针对现阶段圆形焊点超声波无损检测领域所采用的机械扫查式、阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将十字形线阵超声波探头与旋转电机集成在一起，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现圆形焊点内部连接状态的高效率、高分辨率超声波成像。

Description

圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接质量控制领域，特别涉及汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等技术领域的一种圆形焊点质量超声波无损检测技术，尤指一种圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置及方法。

背景技术

圆形焊点可以通过电阻点焊、电弧塞焊、摩擦焊等工艺过程形成，这些工艺被广泛应用于汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等工业制造领域。圆形焊点的焊接质量是保证产品可靠性和服役性的关键，而采用无损检测（NDT）技术对焊点接头进行检测已成为焊点质量评估的重要发展方向。

作为影响焊点接头焊接质量的首要因素，接头内部连接的几何状态，尤其是两层金属接触面处的熔核直径一直是焊点接头超声波检测所关注的重点对象。目前，较为常用的焊点熔核状态超声波检测方法多为基于二维机械扫查的C成像法以及基于二维面阵探头的C成像法。前者一般采用单探头，扫查器由两套直线运动装置相互垂直布置而成。探头在扫查器的带动下实现X、Y两个方向扫查和定位检测，并提取每个扫查点的超声波信号特征建立检测区域的C扫描图像。该方法可以实现很高的探头定位精度（微米级），成像分辨率较高。但是，二维机械扫查器一般由多个传动机构组成，结构复杂，体积大，易受被检工件的外形尺寸限制，可达性差。且由于机械运动的限制，每个焊点的检测时间一般在几十秒到几分钟，检测效率低下。后者采用电子扫查方式，即探头一般由N×N个独立阵元在X-Y向排列成矩形，所有阵元在程序的控制下依次发射超声，并根据每阵元的信号特征建立检测区域的C扫描图像。该方法检测时间很短，检测效率高。但是，受制于探头的制作工艺和成本等因素，阵元间距一般较大（毫米级），因此该方法所获得的图像分辨率较低、表现力差。

由于以上两种方法均具有明显的缺点，其综合使用性能尚无法完全满足现阶段工业生产领域对圆形焊点超声波无损检测的要求。检测技术和装置的创新升级是解决上述问题的重要对策。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现阶段圆形焊点超声波无损检测领域所采用的机械扫查式、阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将十字形线阵超声波探头与旋转电机集成在一起，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现圆形焊点内部连接状态的高效率、高分辨率超声波成像。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置，包括工业计算机、超声采集卡、电机控制卡和扫查器，所述工业计算机分别与超声采集卡和电机控制卡相连，所述超声采集卡和电机控制卡分别与扫查器相连；所述扫查器发射和接收超声波信号，包括上壳体1、下壳体2、步进电机3、联轴器4、十字形线阵超声波探头5、轴承6、延迟块7、拧紧螺母8，所述上壳体1通过螺钉与下壳体2连接在一起，是扫查器各零件连接和固定的基础。所述步进电机3通过螺钉固定在上壳体1上，步进电机3的输出轴通过联轴器4与十字形线阵超声波探头5连接到一起，十字形线阵超声波探头5与下壳体2之间通过轴承6连接以保障其运动的平稳性；延迟块7位于十字形线阵超声波探头5的下方，通过拧紧螺母8固定在下壳体2上，拧紧螺母8与下壳体2之间通过螺纹连接在一起。

所述的十字形线阵超声波探头5是由多个阵元按矢量方向由中心向外线性排列组成的阵列式超声探头；当矢量方向数量为n时，阵元从十字形线阵超声波探头中心排列成放射状的n条直线，任何相邻阵元的径向间距均相等，其中n为正整数。

所述的步进电机3，其输出轴中心轴线与十字形线阵超声波探头5的中心轴线重合；当步进电机3工作时，其输出轴做旋转运动，十字形线阵超声波探头5的线阵阵元随之作旋转运动，使线阵覆盖整个圆形焊点。

所述的延迟块7为十字形线阵超声波探头5与工件表面之间的硬质塑料耦合块。

本发明的另一目的在于提供一种圆形焊点十字形线阵回转超声波检测方法，步骤如下：

1）工件表面预处理；

2）工件表面超声扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；

2.1）通过手持扫查器，将延迟块竖直覆盖在圆形焊点熔核区域，并启动扫查器；

2.2）扫查器启动后首先自动加载十字形线阵超声波探头参数、扫描参数、信号预处理参数等系统设置，在接收到开始检测指令后，通过电机控制卡驱动步进电机，将十字形线阵超声波探头移至起始扫描点；

2.3）在每个步进扫描节点，十字形线阵超声波探头保持静止，同时产生方波激励信号；在激励信号的作用下，十字形线阵超声波探头内部多个阵元晶片同时产生高频振动，激发出脉冲超声波；在所有阵元都接收到内部结构的反射回波信号后，系统按照设定的采样率将信号转化为数字量，工业计算机将数字信号进行存储，完成一次n阵元线上的多点A扫描检测；

2.4）步进电机的输出轴转动一个角度θ，十字形线阵超声波探头旋转至下一个n阵元扫描线，进行同样的n阵元扫描线上的多点A扫描检测；在步进电机的输出轴转动360/n度后，完成所有扫描点的检测；其中，圆形焊点的检测精度由步进电机的输出轴的步进旋转角度θ决定，θ值越大，检测精度越低，检测速度越快；θ值越小，检测精度越高，检测速度越慢；

2.5）工业计算机内置的数据处理模块根据内置算法，根据十字形线阵超声波探头上阵元的序号N与阵元的间距L，即可求得阵元到十字形线阵超声波探头中心的距离S=N×L，通过进步电机输出轴旋转的角度值θ，即可求得各个阵元在极坐标系中的位置（S，θ）；

同时，数据处理模块对每个阵元的A回波信号进行去噪处理，提取能够反应焊点熔合状态的特征量，并与各个A回波信号对应的极坐标系（S，θ）拟合，即可构成极坐标系下的二维矩阵，然后按照编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；

2.6）超声波C扫描完成后，系统会自动生成C扫描图像，并将检测结果及每个扫描节点的A回波存储在指定的数据库中。

本发明的有益效果在于：本发明解决了X-Y向扫查装置检测速度低、面阵式扫查精度难以提升的问题，将机械扫查和电子扫查相结合，实现圆形焊点内部连接状态的高效率、高分辨率超声波成像。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1、图2为本发明的圆形焊点超声扫查原理图；

图3为本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置结构示意图；

图4为本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置的扫查器的结构示意图；

图5为本发明的单向矢量阵超声波探头阵元布置及扫查方式图；

图6为本发明的双向矢量线阵超声波探头阵元布置及扫查方式图；

图7为本发明的三向矢量线阵超声波探头阵元布置及扫查方式图；

图8为本发明的四向矢量线阵超声波探头阵元布置及扫查方式图；

图9为本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测方法流程图；

图10为MIG点焊多向矢量线阵回转超声波检测结果与实际连接界面状态对比图。

具体实施方式

下面结合附图，以MIG点焊超声波检测为例，进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1及图2所示，本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置，其基本扫查原理为：在十字形线阵超声波探头内部，将多个超声波阵元从探头中心向外围排列，组成线阵，如附图1为单点式超声波阵元，当十字形线阵超声波探头覆盖在待检焊点表面时，根据精度需要设定步进角θ，线阵可以绕十字形线阵超声波探头中心轴线做回转运动，从而实现在工件表面的高速覆盖式扫查，如附图2所示。

参见图3所示，本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测装置包括工业计算机、超声采集卡、电机控制卡和扫查器，所述工业计算机分别与超声采集卡和电机控制卡相连，所述超声采集卡和电机控制卡分别与扫查器相连；其中工业计算机是信号处理、信号显示及人机交互的端口，通过数据线与超声采集卡和电机控制卡相连；超声采集卡对扫查器内部的十字形线阵超声波探头的信号发射和接收进行数据采集和传输；电机控制卡对扫查器内部的步进电机进行驱动和起停控制；扫查器通过数据线与超声采集卡和电机控制卡相连，其内置十字形线阵超声波探头、步进电机等运动部件，是超声信号发射和接收的执行装置。

参见图4所示，所述扫查器发射和接收超声波信号，包括上壳体1、下壳体2、步进电机3、联轴器4、十字形线阵超声波探头5、轴承6、延迟块7、拧紧螺母8，所述上壳体1通过螺钉与下壳体2连接在一起，是扫查器各零件连接和固定的基础。所述步进电机3通过螺钉固定在上壳体1上，步进电机3的输出轴通过联轴器4与十字形线阵超声波探头5连接到一起，十字形线阵超声波探头5与下壳体2之间通过轴承6连接以保障其运动的平稳性；延迟块7位于十字形线阵超声波探头5的下方，通过拧紧螺母8固定在下壳体2上，拧紧螺母8与下壳体2之间通过螺纹连接在一起。

所述的步进电机3，其输出轴中心轴线与十字形线阵超声波探头5的中心轴线重合；当步进电机3工作时，其输出轴做旋转运动，十字形线阵超声波探头5的线阵阵元可随之作旋转运动，使线阵覆盖整个圆形焊点。

参见图5至图8所示，所述的十字形线阵超声波探头5是由多个阵元按矢量方向由中心向外线性排列组成的阵列式超声探头，根据扫查效率的需要，可以增加十字形线阵超声波探头的线阵矢量方向数量。当矢量方向数量为n时，阵元从十字形线阵超声波探头中心排列成放射状的n条直线，任何相邻阵元的径向间距均相等，其中n为正整数。附图5至附图8所示为n=1、2、3、4时的线性阵元布置及扫查方式。十字形线阵超声波探头的主要功能为发射及接收超声波脉冲信号，并传递至超声采集卡。

参见图8所示，本实施例所采用的十字形线阵超声波探头5，是由4个阵元线性排列组成的阵列式超声探头，阵元从十字形线阵超声波探头中心排列成放射状的4条直线，任何相邻阵元的径向间距均相等。十字形线阵超声波探头的主要功能为发射及接收超声波脉冲信号，并传递至超声采集卡。

所述延迟块为十字形线阵超声波探头与工件表面之间的硬质塑料耦合块，主要作用是增加声程，避免十字形线阵超声波探头在薄板检测时的近区效应，提高超声波的分辨率。

参见图9所示，本发明的圆形焊点十字形线阵回转超声波检测方法，其检测流程及检测步骤如下：

1）工件表面预处理；在超声波扫查之前，需要对工件表面进行除尘、除油、涂抹耦合剂处理，以减少工件表面杂质对超声信号的干扰。

2）工件表面超声扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；

2.1）通过手持扫查器，将延迟块竖直覆盖在圆形焊点熔核区域，并启动扫查器；

2.2）扫查器启动后首先自动加载十字形线阵超声波探头参数、扫描参数、信号预处理参数等系统设置，在接收到开始检测指令后，通过电机控制卡驱动步进电机，将十字形线阵超声波探头移至起始扫描点；

2.3）在每个步进扫描节点，十字形线阵超声波探头保持静止，同时产生方波激励信号；在激励信号的作用下，十字形线阵超声波探头内部多个阵元晶片同时产生高频振动，激发出脉冲超声波；在所有阵元都接收到内部结构的反射回波信号后，系统按照设定的采样率将信号转化为数字量，工业计算机将数字信号进行存储，完成一次n阵元线上的多点A扫描检测；

2.4）步进电机的输出轴转动一个角度θ，十字形线阵超声波探头旋转至下一个n阵元扫描线，进行同样的n阵元扫描线上的多点A扫描检测；在步进电机的输出轴转动360/n度后，完成所有扫描点的检测；其中，圆形焊点的检测精度由步进电机的输出轴的步进旋转角度θ决定，θ值越大，检测精度越低，检测速度越快；θ值越小，检测精度越高，检测速度越慢；

2.5）工业计算机内置的数据处理模块根据内置算法，根据十字形线阵超声波探头上阵元的序号N与阵元的间距L，即可求得阵元到十字形线阵超声波探头中心的距离S=N×L，通过步进电机的输出轴旋转的角度值θ，即可求得各个阵元在极坐标系中的位置（S，θ）；

同时，数据处理模块对每个阵元的A回波信号进行去噪处理，提取能够反应焊点熔合状态的特征量，并与各个A回波信号对应的极坐标系（S，θ）拟合，即可构成极坐标系下的二维矩阵，然后按照一定的编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；

2.6）超声波C扫描完成后，系统会自动生成C扫描图像，并将检测结果及每个扫描节点的A回波存储在指定的数据库中，便于后续的分析处理，进而完成圆形焊点质量的无损检测。

参见图10所示，超声无损检测结果可以很好地与工件内部的实际连接状态相匹配。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种圆形焊点十字线阵回转超声波检测装置，其特征在于：包括工业计算机、超声采集卡、电机控制卡和扫查器，所述工业计算机分别与超声采集卡和电机控制卡相连，所述超声采集卡和电机控制卡分别与扫查器相连；所述扫查器发射和接收超声波信号，包括上壳体（1）、下壳体（2）、步进电机（3）、联轴器（4）、十字形线阵超声波探头（5）、轴承（6）、延迟块（7）、拧紧螺母（8），所述上壳体（1）通过螺钉与下壳体（2）连接在一起，所述步进电机（3）通过螺钉固定在上壳体（1）上，步进电机（3）的输出轴通过联轴器（4）与十字形线阵超声波探头（5）连接到一起，十字形线阵超声波探头（5）与下壳体（2）之间通过轴承（6）连接以保障其运动的平稳性；延迟块（7）位于十字形线阵超声波探头（5）的下方，通过拧紧螺母（8）固定在下壳体（2）上，拧紧螺母（8）与下壳体（2）之间通过螺纹连接在一起；

所述的十字形线阵超声波探头（5）是由多个阵元线性排列组成的阵列式超声探头，阵元是从探头中心排列交叉的十字形状，任何相邻阵元的径向间距均相等；

所述的步进电机（3），其输出轴中心轴线与十字形线阵超声波探头（5）的中心轴线重合；当步进电机（3）工作时，其输出轴做旋转运动，十字形线阵超声波探头（5）的线阵阵元随之作旋转运动，使线阵覆盖整个圆形焊点。

2.根据权利要求1所述的圆形焊点十字线阵回转超声波检测装置，其特征在于：所述的延迟块（7）为十字线阵超声波探头（5）与工件表面之间的硬质塑料耦合块。

3.根据权利要求1所述的圆形焊点十字线阵回转超声波检测装置，其特征在于：采用一种圆形焊点十字线阵回转超声波检测方法，步骤如下：

1） 工件表面预处理；

2） 工件表面超声扫查，采集工件内部的超声信号，同时识别缺陷信息；

2.1）通过手持扫查器，将延迟块竖直覆盖在圆形焊点熔核区域，并启动扫查器；

2.2）扫查器启动后首先自动加载十字线阵超声波探头参数、扫描参数、信号预处理参数的系统设置，在接收到开始检测指令后，通过电源控制卡驱动步进电机，将十字线阵超声波探头移至起始扫描点；

2.3）在每个步进扫描节点，十字线阵超声波探头保持静止，同时产生方波激励信号；在激励信号的作用下，十字线阵超声波探头内部多个阵元晶片同时产生高频振动，激发出脉冲超声波；在所有阵元都接收到内部结构的反射回波信号后，系统按照设定的采样率将信号转化为数字量，工业计算机将数字信号进行存储，完成一次n阵元线上的多点A扫描检测；

2.4）步进电机的输出轴转动一个角度θ，十字线阵超声波探头旋转至下一个n阵元扫描线，进行同样的n阵元扫描线上的多点A扫描检测；在步进电机的输出轴转动360/n度后，完成所有扫描点的检测；其中，圆形焊点的检测精度由步进电机的输出轴的步进旋转角度θ决定，θ值越大，检测精度越低，检测速度越快；θ值越小，检测精度越高，检测速度越慢；

2.5）工业计算机内置的数据处理模块根据内置算法，根据十字线阵超声波探头上阵元的序号N与阵元的间距L，即可求得阵元到十字线阵超声波探头中心的距离S=N×L，通过步进电机的输出轴旋转的角度值θ，即可求得各个阵元在极坐标系中的位置（S，θ）；

同时，数据处理模块对每个阵元的A回波信号进行去噪处理，提取能够反应焊点熔合状态的特征量，并与各个A回波信号对应的极坐标系（S，θ）拟合，即可构成极坐标系下的二维矩阵，然后按照编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；

2.6）超声波C扫描完成后，系统会自动生成C扫描图像，并将检测结果及每个扫描节点的A回波存储在指定的数据库中。