CN112255317A - 飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无损检测领域，涉及一种薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置及方法，检测装置包括机械扫查器(1)、电控箱(2)、控制软件、检测仪器(3)、计算机(4)和探头(10)；探头(10)为超声相控阵探头，晶片数8～64，频率5MHz～10MHz；检测方法包括：检测装置加载、扫查参数设置、数据采集及信号处理；本发明解决了搅拌摩擦焊中的冶金缺陷难以检测的问题，检测装置与大尺寸机身壁板相结合，实现对大尺寸机身壁板结构搅拌摩擦焊接头进行检测，提高搅拌摩擦焊零件的可靠性，实现壁板结构搅拌摩擦焊超声相控阵自动检测，有效提高搅拌摩擦焊检测的准确性和效率。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种搅拌摩擦焊超声相控阵检测装置及检测方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是固相焊接技术的一种，在航空航天有大量应用。如美国Eclipse公司的公务机，波音公司的Delta II，IV的火箭和C17，NASA的太空梭外舱等均为铝合金搅拌摩擦焊结构。由于搅拌摩擦焊中的冶金缺陷取向复杂、紧贴、细微，使对其进行检测存在很大困难。
搅拌摩擦焊缺陷与熔焊缺陷在成因、形貌上区别明显，具有紧贴、细小、面状、弥散、取向复杂等特点。有些缺陷采用常规的无损检测技术或方法不能有效检出，而这些缺陷的会对产品性能产生很大的影响，漏检可能会导致严重的质量事故。特别是飞机机身壁板等结构，其厚度小、面积大的特点，进一步增加了检测的难度。
目前已有的针对铝合金封闭型腔、火箭贮箱等的检测方法或装置由于检测灵敏度等其他问题(目前的技术手段检测灵敏度达不到直径0.4mm平底孔灵敏度)，并不适合于飞机机身大壁板(壁板大小1.5m*4m)的焊缝。针对飞机机身大壁板焊缝需要设计专门的探头及检测装置。
发明内容
本发明的目的是：针对搅拌摩擦焊中的冶金缺陷难以检测的问题，设计了一种薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测方法。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，本发明提供一种飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，所述高灵敏度超声检测装置包括机械扫查器1、电控箱2、控制软件、检测仪器3、计算机4和探头10；所述的机械扫查器1包括扫查轴5、手动吸盘6、支撑杆7、探头加载臂8、电机-编码器一体式步进电机9；
所述的电控箱2包含嵌入式处理器、电机驱动模块、蓝牙模块/串口、DC/DC变换模块、信号变换模块；
所述的控制软件包含计算机端软件和电控箱FPGA软件；
所述机械扫查器1呈“王”字框架结构，四角通过支撑杆7支撑，上下两端中部通过手动吸盘6固定；机械扫查器1中间为呈十字形的扫查轴5；
所述扫查轴5通过探头加载臂8携带相控阵探头10；所述探头加载臂8为倒“T”型结构，两端分别安装相控阵探头10；
所述探头10为超声相控阵探头，晶片数8～64，频率5MHz～10MHz；
所述机械扫查器1通过电机-编码器一体式步进电机9与电控箱2相连；探头10与检测仪器3相连；电控箱2、检测仪器3与计算机4相连。
所述探头10的入射角度范围30°～80°。
所述高灵敏度超声检测装置的检测对象为薄板搅拌摩擦焊焊缝，薄板厚度为1.5～5mm。
所述机械扫查器1通过扫查轴5实现一维或者二维扫查检测；
所述机械扫查器1通过电机-编码器一体式步进电机9实现向外输出运动方向的编码器信息，供检测仪器成像。
所述电控箱2通过蓝牙模块/串口接收电脑的指令和上传运动状态；所述电控箱2通过信号变换模块形成检测图像。
所述控制软件通过计算机端软件实现文件操作、参数设置、运动控制和开关控制；所述控制软件通过FPGA软件实现编码器四积分法的采集，控制电机方向及电机距离、速度。
另一方面，本发明提供一种飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测方法，所述高灵敏度超声检测方法包括以下步骤：
步骤一、检测装置加载
所述检测装置加载是将探头加载臂8手工调节至初始位置，依照被检测初始位置放置检测装置的位置，将手动吸盘6平放在检测面上，按压吸泵使手动吸盘6固定，调节支撑杆7高度使探头接触检测面；
步骤二、扫查参数设置
所述扫查参数设置是根据探头参数确定扫查间距和重复频率，扫查间距小于探头声束直径的1/2,重复频率要求不出现幻像波，在不产生幻像波的情况下尽可能提高重复频率,使得在小缺陷不会漏检的前提下提高检测效率；
步骤三、数据采集及信号处理
所述数据采集及信号处理是通过检测装置采集数据，用控制软件设置运动单元运行，完成数据采集成像。
优选地，步骤三中采用带通滤波与波形平均相结合的方式进行信号处理，提高检测信噪比，在保证小缺陷有效检出的同时提高检测效率。
本发明具有的优点和有益效果是：
本发明利用超声相控阵检测搅拌摩擦焊中的冶金缺陷，探头为适用于薄板焊缝的检测，本发明中特定的探头入射角度和探头晶片组合使得声束可以聚焦至特定板厚的焊缝位置同时得到所需的探头声束宽度；选定的探头频率实现对于焊缝的高灵敏度检测；采用定制化探头的检测装置与大尺寸机身壁板相结合，实现对大尺寸机身壁板结构搅拌摩擦焊接头进行检测，提高搅拌摩擦焊零件的可靠性，实现壁板结构搅拌摩擦焊超声相控阵自动检测，有效提高搅拌摩擦焊检测的准确性和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置连接图。
图2是本发明所述的搅拌摩擦焊超声检测机械扫查器示意图；
图中，1-机械扫查器、2-电控箱、3-检测仪器、4-计算机、5-扫查轴、6-手动吸盘、7-支撑杆、8-探头加载臂、9-电机-编码器一体式步进电机、10-探头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。如图1所示为搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置装配示意图，包括：机械扫查器1、电控箱2、检测仪器3、计算机4，机械扫查器1通过电机-编码器一体式步进电机9与电控箱2相连；探头10与检测仪器3相连；电控箱2、检测仪器3与计算机4相连。
如图2所示为搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测机械扫查器1，包括：扫查轴5、手动吸盘6、支撑杆7、探头加载臂8、电机-编码器一体式步进电机9、探头10。
本发明的检测方法具体步骤如下：
步骤1：检测装置加载：
检测装置利用手动吸盘吸附于被检测对象之上，可以携带相控阵探头(PAUT)，利用检测装置的直线单元做一维扫查检测或者二维栅格扫查检测，并可以向外输出运动方向的编码器信息，供检测仪器成像。扫查器利用一维运动可以实现超声相控阵检测，利用扇扫或线扫获得薄铝板焊缝的扫查图像。
本实例中检测装置支持同时安装2个PAUT探头，安装不同类型探头时需定制探头加载臂；安装探头的探头加载臂长度为300mm，探头加载臂带有标尺；扫查轴的长轴直线单元有效行程为1000mm，运动速度可达100mm/s；检测装置采用双吸盘方式；支撑杆前端装有保护垫，使得保护垫面积较大，避免支撑杆使铝板变形；编码器输出口适配检测仪器接口。
如图2所示，为本发明实例的电控箱原理图，嵌入式处理器为控制箱的核心部件，负责通过蓝牙模块或者串口接收电脑的指令和上传运动状态；通过采集两路编码器数值与目标位移速度相比较来确定向电机驱动模块发出脉冲的数量和间距；DC/DC模块是将外部24V电源变换成电控箱内部各模块需要的电源；编码器经信号模块处理后向检测仪器输出编码器信息，以便形成B扫或C扫图像。
进行检测时，将探头加载臂手工调节至初始位置，依照被检测初始位置放置检测装置的位置，将手动吸盘平放在检测面上，按压吸泵使吸盘固定，调节支撑杆高度使探头接触检测面。
步骤2：扫查参数设置：
采用超声相控阵扇扫方式，角度范围50°～70°。发射电压70V，脉冲宽度50ns，脉冲重复频率2KHz。扫查间距0.7mm，扫查速度25mm/s(实际最大速度可以达到50mm/s)，扫查范围200mm。
步骤3：数据采集及信号处理：
微调探头加载臂的位置，电控箱上电，探头给水，检测仪采集数据，用软件控制运动单元运行，信号处理采用5MHz～10MHz带通滤波去除噪声，提高检测信噪比，在保证小缺陷有效检出的同时提高检测效率，完成数据采集成像，控制检测装置自动回零。
综上可得，本发明通过上述实施例，解决了目前搅拌摩擦焊难以检测的问题，实现壁板结构搅拌摩擦焊超声相控阵自动检测，有效提高搅拌摩擦焊检测的准确性和效率。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述高灵敏度超声检测装置包括机械扫查器(1)、电控箱(2)、控制软件、检测仪器(3)、计算机(4)和探头(10)；所述的机械扫查器(1)包括扫查轴(5)、手动吸盘(6)、支撑杆(7)、探头加载臂(8)、电机-编码器一体式步进电机(9)；
所述的电控箱(2)包含嵌入式处理器、电机驱动模块、蓝牙模块/串口、DC/DC变换模块、信号变换模块；
所述的控制软件包含计算机端软件和电控箱FPGA软件；
所述机械扫查器(1)呈“王”字框架结构，四角通过支撑杆(7)支撑，上下两端中部通过手动吸盘(6)固定；机械扫查器(1)中间为呈十字形的扫查轴5；
所述扫查轴(5)通过探头加载臂(8)携带相控阵探头(10)；所述探头加载臂(8)为倒“T”型结构，两端分别安装相控阵探头(10)；
所述探头(10)为超声相控阵探头，晶片数8～64，频率5MHz～10MHz；
所述机械扫查器(1)通过电机-编码器一体式步进电机(9)与电控箱(2)相连；探头(10)与检测仪器(3)相连；电控箱(2)、检测仪器(3)与计算机(4)相连。
2.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述探头(10)的入射角度范围30°～80°。
3.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述高灵敏度超声检测装置的检测对象为薄板搅拌摩擦焊焊缝，薄板厚度为1.5～5mm。
4.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述机械扫查器(1)通过扫查轴(5)实现一维或者二维扫查检测；
所述机械扫查器(1)通过电机-编码器一体式步进电机(9)实现向外输出运动方向的编码器信息，供检测仪器成像。
5.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述电控箱(2)通过蓝牙模块/串口接收电脑的指令和上传运动状态；所述电控箱(2)通过信号变换模块形成检测图像。
6.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置，其特征在于：所述控制软件通过计算机端软件实现文件操作、参数设置、运动控制和开关控制；所述控制软件通过FPGA软件实现编码器四积分法的采集，控制电机方向及电机距离、速度。
7.利用权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测装置的检测方法，其特征在于：所述高灵敏度超声检测方法包括以下步骤：
步骤一、检测装置加载
所述检测装置加载是将探头加载臂(8)手工调节至初始位置，依照被检测初始位置放置检测装置的位置，将手动吸盘(6)平放在检测面上，按压吸泵使手动吸盘(6)固定，调节支撑杆(7)高度使探头接触检测面；
步骤二、扫查参数设置
所述扫查参数设置是根据探头参数确定扫查间距和重复频率，扫查间距小于探头声束宽度的1/2,重复频率要求不出现幻像波；
步骤三、数据采集及信号处理
所述数据采集及信号处理是通过检测装置采集数据，用控制软件设置运动单元运行，完成数据采集成像。
8.根据权利要求1所述的飞机薄板搅拌摩擦焊高灵敏度超声检测方法，其特征在于：步骤三中采用带通滤波与波形平均相结合的方式进行信号处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210122 |
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