CN1136663A - 齿轮焊缝超声探伤装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域中的一种超声检测技术，它主要是由点聚焦超声探头、步进扫查和计算机组成的检测装置及采用计算机程序控制和数据处理的探伤方法。它的主要特点在于具有较高的探伤灵敏度和抗干扰能力、对缺陷长度记录的良好稳定性和直观的探伤结果判别，可对多种不同直径的齿轮使用同一个超声探头，从而使齿轮超声探伤的可靠性和效率大大提高。

Description

齿轮焊缝超声探伤装置和方法

本发明涉及无损检测领域中的一种超声检测技术，主要用于汽车齿轮焊缝的质量检测，也可用于类似条件下的电子束或激光焊缝的探伤。

在汽车启动、行驶和刹车过程中，齿轮，特别是其焊缝承受各种交变和冲击载荷，因而齿轮焊缝应有可靠的质量保证。焊缝的超声探伤是质量保证的最重要措施之一。多数汽车齿轮生产厂家均配备有超声齿轮探伤设备，并定有严格的探伤标准。

当前汽车齿轮焊缝超声探伤普遍使用的是线聚焦超声探头(例如菲亚特公司技术文件：FIAT AUTO S.P.A.9.50175)。这种技术的主要缺点是信噪比较低，易导致误判；对不同曲率的齿轮需用不同的探头，因而需在更换和重新调整探头上消耗大量时间。

本发明的目的在于提出一种主要由点聚焦超声探头、步进扫查和计算机组成的齿轮焊缝超声探伤装置以及采用程序控制和数据处理的探伤方法，它可对多种不同直径的齿轮使用同一个超声探头，且信噪比远高于线聚焦探头。用与超声脉冲同步的电脉冲驱动机械装置，使齿轮旋转，取得检测超声脉冲与齿轮旋转的严格同步。用模数变换器和微计算机实现缺陷识别和记录可使探伤设备具有良好的抗干扰能力，缺陷长度记录的良好稳定性和灵活直观的探伤结果判别，使齿轮超声探伤的效率和可靠性大大提高，从而解决了现有技术所存在的问题。

本发明的实现方案主要是：由计算机发出检测命令触发发射部分产生一个电脉冲，后者激发点聚焦超声探头产生一个超声脉冲。如果把此过程显示在荧光屏上的横轴与时间成正比，纵轴与幅度成正比，则此发射脉冲将如图2所示的“T”脉冲。超声脉冲经耦合液体(水或油)后遇到齿轮的内表面，大部分被反射回来，形成如图2所示的“O”脉冲。少部分进入齿轮内环并聚焦在焊缝上。如果没有缺陷，超声脉冲将继续传播，遇到齿轮外环的外表面反射回来，形成图2所示的脉冲“I”；如果有缺陷，则部分超声能量反射回来，在脉冲“O”和脉冲“I”之间形成如图3所示的伤脉冲“F”。所有这些超声脉冲循原路回到超声聚焦探头，后者把它们转换成电脉冲，送到接收部分的输入端。接收电路把这些电脉冲放大，选出“F”脉冲交模数变换器，由后者变为数字量交计算机处理。重复此过程若干次后，计算机发出步进命令，经图1所示的步进驱动部分驱动机械装置使齿轮转动一步。重复上述过程，直到超声波束将整个焊缝扫查一周。在扫查过程中，本系统从每个缺陷上得到一组脉冲。每组脉冲结束后，计算机根据给定的抗干扰处理方法确定，如果该组脉冲真正反映缺陷，则给予记录，并计算该缺陷长度；如系干扰，则予以扬弃。

扫查一周后，计算机计算缺陷的总长度。将此值除以焊缝长度后，得缺陷长度占焊缝总长的百分比。与给定标准比较后，计算机即可给出处理决定。

对齿轮探伤，有规定的起始灵敏度，即应保证探出的最小标准伤。一般规定最小标准伤直径为焊缝深度的20％，如齿轮焊缝深度为23mm时，此起始灵敏度规定为φ0.5mm的平底孔。为此配备有标准伤试块。在标准伤试块上除起始灵敏度伤之外，可在同一高度上再加工一个相当于报废标准长度的窄长槽(宽度等于起始灵敏度伤直径，如图4所示)。此槽用于设备调试和考核。在开始探伤前，应先将标准伤试块装好，使长槽状伤对准超声探头。调整探头的X坐标，如图5所示，使齿轮内表面反射的“O”脉冲达到最大，这标志探头声轴线已与齿轮内表面垂直。调整探头的Y坐标，按齿轮内径大小，使探头透镜与齿轮内表面的距离为10-20mm。调整探头的Z坐标，应能发现图3的“F”脉冲。继续调整探头的Z坐标，使“F”脉冲达到最大，这表明探头轴线已对准标准伤高度，亦即对准了焊缝中心，因标准伤加工得与焊缝中心同高。此后再略调探头的Y坐标，使“F”脉冲的幅度达到最大。旋转对比伤试块，使起始灵敏度标准伤面向探头，即可发现它的反射回波。找到该反射回波幅度，它一般比长槽伤反射波小10dB左右。记录此幅度作为阈值，即可保证探伤的起始灵敏度。

本发明的探伤方法主要包括下述步骤：

(A)将超声探头置于齿轮内环的法线上，使声束垂直入射到齿轮内环表面，探头表面与焊缝的距离小于探头焦距，焦斑中心在焊缝中心，焦斑直径略小于焊缝深度，超声脉冲宽度小于内环厚度；

(B)计算机发出检测命令，触发发射电路产生电脉冲，该电脉冲激励点聚焦超声探头产生一超声脉冲照射到齿轮上；

(C)点聚焦探头将由齿轮及其焊缝缺陷反射回来的超声脉冲变换为电信号，送到接收电路，后者把它放大并选出有用信号送模数变换器转换为数字量，交计算机；

(D)计算机考虑已有数据并参照抗干扰要求，确定该次数据的处理，从而完成一次探伤数据采集；

(E)计算机检查探伤过程的完成情况；如已完成一个齿轮的探伤过程，则根据标准判定已探齿轮应属合格与否；如未完成，则发出步进命令使步进驱动器驱动机械装置使齿轮转动一步，然后重复(B)到(E)的过程；转动步距应符合规定要求；

(F)在探伤之前，计算机执行标定程序，用与上述(A)到(E)相同的方式对其上刻有已知人工对比伤的试块进行多次检测，记录所用的仪器衰减值、灵敏度植，得到的伤脉冲数的极值和平均值用于今后探伤过程中的系统灵敏度监测基准；

(G)在探伤完成之后，计算机可打印出探伤统计数据和灵敏度标定数据；

本发明的主要特点在于具有较高的探伤灵敏度和抗干扰能力、对缺陷长度记录的良好稳定性和直观的探伤结果判别，从而使齿轮超声探伤的可靠性和效率大大提高。

图1为本发明检测原理框图；

图2为本发明齿轮无缺陷时的超声波形图；

图3为本发明齿轮有缺陷时的波形图；

图4为本发明对比伤试块示意图；

图5为本发明探伤时探头、齿轮、焊缝、缺陷和波束相对位置示意图：

图6-11为本发明控制和数据处理程序的流程图。

现在结合上述各附图来进一步说明本发明的一个较佳具体实施例：如图1所示，本发明所用的装置由点聚焦超声探头(1)，发射器(2)，接收器(3)，模数变换器(4)，计算机(5)，步进驱动器(6)和机械装置(7)组成。其中：

发射和接收部分：上限频率达到10MHz或更高的超声探伤仪，接收部分增益80dB以上，有前后沿不超过0.1微秒、位置稳定度不劣于0.1微秒的选通门和宽度为200微秒的峰值检波输出；

模数变换部分：使用8位50KS/S的低速模数变换器；

超声探头：它是整个系统的关键，探头的设计要点是超声频率、脉冲宽度、聚焦方式和聚焦参数。超声频率10MHz，超声脉冲宽度以(-46dB)宽度作为评价标准，此宽度应小于从齿轮内环表面到焊缝往返的声时。例如，当内环厚度为3mm时，此宽度应小于1微秒。聚焦方式应为点聚焦，这是保证信噪比，从而确保探伤可靠性的最佳途径。超声传播如图5所示。应确保超声声场限于焊缝范围内，超出焊缝范围将使声波入射到齿轮内、外套间的界面上，将会引起严重的误判；声波照射范围过小将不能检测到焊缝的近边沿区。考虑到焊缝本身宽度有一定变化范围，声场宽度比焊缝深度名义值小1mm左右是合理的。为适应不同直径的齿轮，探头焦柱长度应尽可能大一些，附表1中列出了两种探头的实例，它们适用于内径30--60，内表面到焊缝距离为3--10mm范围内的各种齿轮；

检测步距：检测步距(Эr，角度)应与起始灵敏度即最小应探出平底孔直径Dm、探头焦柱径(Df)、抗干扰要求和抗干扰方法所决定的最小脉冲数(Np)等密切配合，才能确保探伤可靠性。齿轮旋转步距应满足下式：

            Эr≤360＊(Df-2Dm)＊Nr/Np/S式中：Nr为每步的发射脉冲数，且Nr应小于Np，S--焊缝周长。

系统控制和数据处理程序：计算机数据处理和自动程序控制的流程如图6-11所示。它具有抗干扰数据处理程序；灵敏度标定程序；灵敏检查程序；自动控制探伤过程的探伤程序和对探伤结果进行统计的打印程序。程序选择，如图6所示，是为适应多品种齿轮探伤的要求而设。把每种齿轮的标定参数存入一个特定的程序，即可通过简单的选择，进入相应的探伤程序。标定的目的是保证设备具有适当的灵敏度。图7所示的“标定”程序流程描述了这一过程。在起始敏度对比伤对准探头时，调衰减，使其反射波幅度达到规定值。存入该值后，计算机发码驱动试块旋转。试块旋转满一周后，检查记录到的伤数与脉冲数是否与预期值符合。如不符合，即显示错误信息并停止试块转动。如符合要求即继续转动，直到达到预定周数，停止转动试块。求出每周的伤脉冲数，它的最大值和最小值，适当加上余量后作为以后判别稳定性的上下限。根据伤脉冲数平均值与理论值的差，计算出伤脉冲数的修正值备探伤时修正伤长使用。标定完成后转入探伤程序。探伤程序是一个重复的过程，其流程示于图8。齿轮旋转一周后停止，计算机从伤脉冲计数器中读出经过修正的伤脉冲累计数，据此计算出缺陷总长占焊缝周长之百分比。按给定标准进行判别，得出该齿轮属于合格或应判废，绐出相应的显示和分选信号并存储探伤记录。此后将工件计数加1，等待更换下一个探伤件。为保证探伤灵敏度的稳定可靠，设有灵敏度检查程序，如图9所示。规定每隔一定时间或完成一种规格的齿轮探伤任务时，进行一次灵敏度检查。为此应放上对比伤试块，按键盘进入灵敏度检查程序。将对比伤试块旋转一周，检查发现的缺陷数和伤脉冲数是否在规定的范围内。如符合，表明系统的探伤灵敏度稳定不变，即转入探伤程序，继续探伤；如不符合规定范围，这表明系统灵敏度过高或过低，应予调整，即转入标定程序，要求对系统进行重新标定。当工作日结束或一种规格的齿轮总数，合格品数，有伤齿轮数，未焊透(缺陷总长超过焊缝总长的规定百分比)。还可打印出本次探伤的标定结果和检查记录。图11显示了中断服务程序流程。此流程中，除记录伤脉冲之外，最主要的是一个抗干扰程序。抗干扰手段为一个按连续性原则设计的程序。连续性原则利用了伤脉冲至少应有N个连续脉冲这种特性。在任意脉冲序列中，只要有一次间断，即被认为是干扰。

表1：

超声频率	晶片直径	透镜曲率半径	-12dB焦柱直径	适用焊缝深度
					MHZ	mm	mm	mm	mm
10	6	19	2.5--3.0	3--4
					10	8	19	1.6--2.2	2--3

Claims (2)

1、一种齿轮焊缝超声探伤装置是由超声探头(1)、发射电路(2)、接收电路(3)、模数变换器(4)、计算机(5)、步进电机驱动器(6)和机械装置(7)组成，其特征在于所说的超声探头(1)是一种高频高分辨点聚焦超声探头，其超声脉冲的(-46dB)宽度小于超声在齿轮壁中的传播时间，焦距和焦柱长度与齿轮内径和壁厚相适应，焦柱直径较焊缝深度小1mm左右；

2、一种使用权利要求1所说的装置进行齿轮焊缝超声探伤的方法，其特征在于它包含下列步骤：

a)将超声探头(1)置于齿轮内环的法线上，使声束垂直入射到齿轮内环表面，探头表面与焊缝的距离小于探头焦距，焦斑中心在焊缝中心；

b)计算机(5)发出检测命令，触发发射电路(2)产生电脉冲，该电脉冲激点聚焦超声探头(1)产生一超声脉冲照射到齿轮(8)上；

c)点聚焦探头(1)将由齿轮及其焊缝缺陷反射回来的超声脉冲变换为电信号，送到接收电路(3)，后者把它放大并选出有用信号送模数变换器(4)转换为数字量，交计算机(5)；

d)计算机(5)考虑已有数据并参照抗干扰要求，确定该次数据的处理方式，从而完成一次探伤数据采集；

e)计算机检查探伤过程的完成情况；如已完成一个齿轮的探伤过程，则根据标准判定已探齿轮应属合格与否；如未完成，则发出步进命令使步进驱动器(6)驱动机械装置(7)使齿轮(8)转动一步，然后重复b)到e)的过程；转动步距应符合规定要求；

f)在探伤之前，计算机执行标定程序，用与上述a)到e)相同的方式对其上刻有已知人工对比伤的试块进行多次检测，记录所用的仪器衰减值、灵敏度值，得到的伤脉冲数的极值和平均值用于今后探伤过程中的系统灵敏度监测基准；

g)在探伤完成之后，计算机打印出探伤统计数据和灵敏度标定数据。

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