CN204694679U - 涡轮转轴焊缝超声波检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种涡轮转轴焊缝超声波检测系统，针对多规格的转轴而设计，探头与工件无机械接触，不磨损，且保证良好耦合及完整的扫查覆盖率，提供对转轴的A型、B型和C型实时扫描图像的显示、记录、统计和分析，其沉浸水槽(14)内装填有传播超声波介质的液体，主轴(15)安装于沉浸水槽(14)之内，包括用以安装涡轮转轴(1)的治具(16)和驱动治具(16)进行水平方向上顺/逆时针旋转的主轴电机(17)，X轴步进气缸(32)与X轴超声波探头(21)连接，驱动X轴超声波探头(21)沿涡轮转轴(1)的径向发射纵波，Y轴超声波探头(22)沿涡轮转轴(1)的轴向发射纵波，覆盖焊缝及焊缝周边部位。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声波探伤及检测技术领域，具体涉及一种涡轮转轴焊缝超声波检测系统。
背景技术
涡轮转轴又称涡轮转子，是汽车涡轮的重要组成部分，由涡轮单轴和涡轮头焊接而成。涡轮转轴通常工作于高温高速状态下，工作转速从每分钟几万下到二十万多万转，其制造通常采用电子束焊接工艺，由于涡轮叶轮(11)和转子轴由不同合金材料环焊接，且焊接质量受焊接设备和工艺控制等影响，可能在焊接区域出现气孔、裂纹、未熔合、熔深不足等缺陷，所以需要对焊缝及其热影响区部位进行100％全覆盖的超声波检测。
现有技术的涡轮转轴超声波检测受工件焊缝位置的制约，一般选择超声波端面回波反射法进行探伤检测，超声波探头垂直于焊缝进行超声波入射，可使检测到的结果更加符合实际缺陷，利于分析判断缺陷产生的原因。但其弊端也十分明显，工件外圆表面及表面浅层位于超声波检测的盲区，如果没有其他技术手段进行补充，无法对工件进行完整的检测。此外，单探头检测通常采用A扫描或B扫描的方式，即采用波形图或二维图形作为探伤结果的输出，并没有对工件缺陷在工件内部水平投影位置的显示，无法直观表现出缺陷在工件内部的埋藏深度。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，针对多规格的转轴而设计，探头与工件无机械接触，不磨损，且保证良好耦合及完整的扫查覆盖率，提供对转轴的A型、B型和C型实时扫描图像的显示、记录、统计和分析。
为了达到上述目的，本实用新型的具体解决方案提供一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，所述涡轮转轴(1)包括由电子束焊缝连接的涡轮叶轮(11)和涡轮轴(13)，包括沉浸水槽(14)、X轴超声波探头(21)、Y轴超声波探头(22)、X轴步进气缸(32)和主轴(15)，所述沉浸水槽(14)内装填有传播超声波介质的液体，所述主轴(15)安装于沉浸水槽(14)之内，包括用以安装涡轮转轴(1)的治具(16)和驱动治具(16)在W轴上进行顺/逆时针旋转的主轴电机(17)，，所述X轴步进气缸(32)与X轴超声波探头(21)连接，所述X轴超声波探头(21)在X轴步进气缸(32)的驱动下沿涡轮转轴(1)的径向发射声波，所述Y轴超声波探头(22)沿涡轮转轴(1)的轴向发射声波，形成焊缝及焊缝周边部位的三维扫描。
进一步的，所述X轴步进气缸(32)、X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)均安装在超声波探头调节机构(3)上，所述超声波探头调节机构(3)设置于主轴(15)的一侧，还包括Y轴气缸(35)，所述Y轴气缸(35)安装于X轴步进气缸(32)之上，所述Y轴气缸(35)沿Y轴作垂直移动，所述Y轴气缸(35)上安装有探头支架，所述X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)安装于探头支架之上。
更进一步的，所述探头支架上还设置有超声波反射体和探头夹具(39)，所述探头夹具(39)与X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)连接，用以调整X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)的在A轴上的发射角度，所述超声波反射体设置于X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)的发射端之前，用以调整超声波在B轴上的反射角度。
进一步的，还包括缺陷标记装置(4)，所述缺陷标记装置(4)包括升降装置，支臂(45)和标记笔(44)，所述升降装置安装于Y轴气缸(35)上，所述支臂一端与升降装置连接，另一端与标记笔(44)连接。
进一步的，还包括机械臂机构(5)，所述机械臂机构(5)安装于主轴(15)的一侧，包括平行于涡轮转轴(1)的轴向作垂直移动的U轴移动装置和夹具(56)，所述夹具(56)安装于U轴移动装置之上，所述夹具(56)的轴线与主轴(15)的治具(16)位于同一轴线之上。
本实用新型同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本实用新型采用双通道超声波探头，分别对涡轮转轴进行径向步进式分层扫描和轴向覆盖扫描，可提供对涡轮转轴的A型、B型和C型实时扫描图像的显示、记录、统计和分析，直观实现了焊缝缺陷在三维坐标中的定位，满足了对工件无机械接触，不磨损，且保证良好耦合及完整的扫查覆盖率的检测要求。
2.本实用新型的主轴、机械臂机构、超声波探头调节机构、缺陷标记装置多轴联动，可编程控制，保证了操作定位的精确性和稳定性的同时，模块化组装的方式也保证了系统的灵活特性。
3.针对涡轮转轴的多规格而设计，通过机械、硬件和软件的设计来简化多规格检测的复杂性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的双通道超声波探头布局的原理示意图；
图2是本实用新型实施例的主视图；
图3是本实用新型实施例的结构示意图；
图4是本实用新型实施例的局部放大图。
附图标记说明：
涡轮转轴(1) 涡轮叶轮(11) 焊缝(12) 涡轮轴(13) X轴超声波探头(21) Y轴超声波探头(22) 工作台(13) 沉浸水槽(14) 主轴(15) 治具(16) 主轴电机(17) 耦合水处理器(18) 超声波探头调节机构(3) 缺陷标记装置(4) 机械臂机构(5) 底座(52) U轴气缸(51) U轴升降杆(53) U轴升降工作台(54) 夹具(56) 支架(55) 夹具(56) X轴导轨(31) X轴步进气缸(32) X轴丝杠(33) X轴滑块(34) Y轴气缸(35) Y轴升降杆(36) Y轴升降工作台(37) 超声波探头支架(38) 探头夹具(39)支臂气缸(41) 支臂升降杆(42) 支臂升降工作台(43) 标记笔(44) 支臂(45)
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，其目的在于通过双探头的布局，达到较完整的扫查覆盖率，使得超声波声束通过射流水耦合入射电子束焊区域，超声波检测仪对接收的发射信号进行超声波数字成像，提供对转轴的A型、B型和C型实时扫描图像的显示、记录、统计和分析。
图1示出了本实用新型采用双信道超声波探测头检测发动机涡轮转轴(1)的工作原理图。发动机涡轮转轴(1)由电子束焊缝(12)连接的涡轮叶轮(11)与涡轮轴(13)所组成。X轴超声波探头(21)从涡轮转轴(1)的径向入射声波，从水平方向上对焊缝(12)及周边热影响部位形成覆盖；Y轴超声波探头(22)从涡轮转轴(1)的轴向入射声波，从垂直方向上对焊缝(12)及周边热影响区域进行覆盖。
在检测过程当中，涡轮转轴(1)在W轴上进行顺/逆时针转动，X轴超声波探头(21)采用步进式主轴电机(17)推进，从径向对焊缝(12)和周边热影响区域进行分层扫描，Y轴超声波探头(22)在轴向对焊缝(12)及其周边区域进行扫描，形成完整的三维扫描覆盖区域。
图2到图4示出了本实用新型一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统的优选实施例，图中涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统包括工作台(13)、沉浸水槽(14)、X轴超声波探头(21)、Y轴超声波探头(22)、主轴(15)，超声波探头调节机构(3)、缺陷标记装置(4)和机械臂机构(5)。沉浸水槽(14)安装于工作台(13)上，沉浸水槽(14)为刚性设计，内装填有传播超声波介质的液体。主轴(15)安装于沉浸水槽(14)之内，主轴(15)底部连接有主轴电机(17)，主轴(15)上设置有治具(16)，用以对进行检测的涡轮转轴(1)工件进行安装固定。主轴电机(17)驱动主轴(15)在W轴上带动工件进行水平方向上的顺/逆时针旋转，旋转分度精度可达1/6400。
优选的，X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)均为射流水耦合探头，沉浸水槽(14)配有耦合水处理器(18)可对介质水进行过滤净化，以保证介质水的耦合。如若检测环境特殊，还可以增加且介质水的温控功能，以适应环境温度变化，保证检测工件的表面状态稳定，使系统达到最佳检测效果。
机械臂机构(5)安装于主轴(15)的一侧，包括底座(52)、U轴气缸(51)、U轴升降杆(53)、U轴升降工作台(54)、夹具(56)支架(55)和夹具(56)。底座(52)固定于工作台(13)之上、U轴升降杆(53)为两根，分别安装于底座(52)两侧，U轴升降缸顶端设置有U轴气缸(51)，U轴气缸(51)驱动U轴升降杆(53)在垂直方向上进行上下移动。U轴升降工作台(54)分别与两侧的U轴升降杆(53)，跟随U轴升降杆(53)进行上下移动，U轴升降工作台(54)上设置有夹具(56)支架(55)，夹具(56)支架(55)与夹具(56)连接固定。夹具(56)与主轴(15)上的治具(16)位于Y轴轴线之上。
在实际使用过程当中，在检测开始前，检测人员将涡轮转轴(1)工件放置于夹具(56)之内，U轴气缸(51)驱动夹具(56)沿Y轴下降将涡轮转轴(1)工件装置于主轴(15)治具(16)中；在检测完成之后，夹具(56)夹取主轴(15)治具(16)中的涡轮转轴(1)工件，U轴气缸(51)驱动夹具(56)沿Y轴上升方便检测人员取出夹具(56)中的涡轮转轴(1)工件。
超声波探头调节机构(3)安装于主轴(15)的另一侧，包括X轴导轨(31)、X轴步进气缸(32)、X轴丝杠(33)、X轴滑块(34)、X轴步进气缸(32)、Y轴气缸(35)、Y轴升降杆(36)、Y轴升降工作台(37)和超声波探头支架(38)。所述X轴导轨(31)为两条，固定于工作台(13)之上，X轴导轨(31)之上设置有X轴滑块(34)，X轴滑块(34)连接有X轴丝杠(33)，X轴丝杠(33)与X轴步进气缸(32)连接。Y轴升降杆(36)为四根，分别安装于X轴滑块(34)的四个边角，Y轴升降杆(36)的顶端设置有Y轴气缸(35)，Y轴气缸(35)驱动Y轴升降杆(36)在垂直方向上进行上下移动，Y轴升降工作台(37)与四根Y轴升降杆(36)连接，跟随Y轴升降杆(36)沿Y轴进行上下移动。超声波探头支架(38)安装于Y轴升降工作台(37)上，超声波支架上设置有探头夹具(39)，探头夹具(39)夹持X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)，可精确调节探头的偏转入射角度(A轴)和同心度。Y轴超声波探头(22)发射端前方设置有超声波反射体，Y轴超声波探头(22)发射的超声波，经过超声波反射体的反射之后，在Y轴方向上从下到上覆盖涡轮转轴(1)的焊缝。在检测过程当中，当机械臂机构(5)完成工件在主轴(15)治具(16)上的安装之后，超声波探头调节机构(3)随即通过各运动轴将X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)快速移动到检测位置，使超声波在X轴方向和Y轴方向上覆盖涡轮转轴(1)的焊缝和周边热影响区域。检测过程中X轴步进气缸(32)推进X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)，使X轴超声波探头(21)在径向对涡轮转轴(1)进行分层扫描。X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)连接有外置的多通道超声波检测仪，多通道超声波检测仪对实时采集的超声波回波信号进行实时数字化处理，并可同时对检测结果进行分析、记录和超声波图像化显示。
作为一个优选的实施例，多通道超声波检测仪采用特殊设计的双时差高频高压脉冲发射接收模式，提高发射能量和良好的频谱特征，提高信号的准确度和分辨率；同时具备大规模可编程阵列及DSP处理电路，对实时采集的信号快速分析及处理，具备可变重复频率处理能力，提供高速系统处理速度能力；满足高重复频率条件下的数据处理和实时显示扫查成像，不遗留漏任何缺陷的捕捉。
缺陷标记装置(4)包括支臂气缸(41)，支臂升降杆(42)、支臂升降工作台(43)、支臂(45)和标记笔(44)，支臂升降杆(42)共有4根，均安装于超声波探头调节机构(3)之上由支臂气缸(41)驱动，支臂升降工作台(43)与4根支臂升降杆(42)，跟随支臂升降杆(42)进行上下移动，支臂(45)一端与支臂升降工作台(43)连接，另一端与标记笔(44)连接，标记笔(44)的笔端对准涡轮转轴(1)的涡轮叶轮(11)。当超声波检测完成时，如果检测到工件存在缺陷，支臂气缸(41)即可驱动支臂升降工作台(43)下降，使标记笔(44)在涡轮转轴(1)的涡轮叶轮(11)上做出标记，方便检测人员识别。
作为一个优选的实施例，本系统的各线性和旋转运动轴均可全部采用伺服驱动控制模式，上位机的伺服控制软件采用直流伺服模式，完成对各运动轴和多通道超声波检测仪的控制。伺服控制软件具备以下特点：
-超声波信道和数据闸门-一致化控制，可自动跟踪跨介质界面信号；
-可实时记录、分析、显示多个通道的A扫描并绘制检测包络线，缺陷报警示意图；
-可实时记录、分析、显示多个通道C/D扫描(幅度/TOF)超声波图像和对应B扫描(断面)图像，或特征图像处理；
-可实时跟踪检测过程的扫查状态(如缺陷位置、长度、幅度等)，可按设定方式进行自动缺陷评估；
-支持多种图像的测量和分析模式，如：面积、深度、光标操作等；
-可存储、回调、自动配置硬件和检测参数作为工艺配置文件，在更换不同规格工件时，只需要调出相应的配置文件，加载作为系统运行参数；
-支持检测结果数据管理，并可进行结果分析、处理；
-各运动轴的伺服控制和轨迹参数等可通过应用程序人机界面设置，校准；
-可任意配置多模式人机界面模式，如超声波成像、测量分布曲线等多窗口的切换或同步显示。
本实用新型同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本实用新型采用双通道超声波探头，分别对涡轮转轴进行径向步进式分层扫描和轴向覆盖扫描，可提供对涡轮转轴的A型、B型和C型实时扫描图像的显示、记录、统计和分析，直观实现了焊缝缺陷在三维坐标中的定位，满足了对工件无机械接触，不磨损，且保证良好耦合及完整的扫查覆盖率的检测要求。
2.本实用新型的主轴、机械臂机构、超声波探头调节机构、缺陷标记装置能够多轴联动，可编程控制，保证了操作定位的精确性和稳定性的同时，模块化组装的方式也保证了系统的灵活特性。
3.针对涡轮转轴的多规格而设计，通过机械、硬件和软件的设计来简化多规格检测的复杂性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，所述涡轮转轴(1)包括由电子束焊缝(12)连接的涡轮叶轮(11)和涡轮轴(13)，其特征在于，包括沉浸水槽(14)、X轴超声波探头(21)、Y轴超声波探头(22)、X轴步进气缸(32)和主轴(15)，所述沉浸水槽(14)内装填有传播超声波介质的液体，所述主轴(15)安装于沉浸水槽(14)之内，包括用以安装涡轮转轴(1)的治具(16)和驱动治具(16)在W轴上进行顺/逆时针旋转的主轴电机(17)，所述X轴超声波探头(21)在X轴步进气缸(32)的驱动下沿涡轮转轴(1)的径向移动并发射声波，所述Y轴超声波探头(22)沿涡轮转轴(1)的轴向发射声波，形成焊缝及焊缝周边部位的三维扫描。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，其特征在于，所述X轴步进气缸(32)、X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)均安装在超声波探头调节机构(3)上，所述超声波探头调节机构(3)设置于主轴(15)的一侧，还包括Y轴气缸(35)，所述Y轴气缸(35)安装于X轴步进气缸(32)之上，所述Y轴气缸(35)沿Y轴作垂直移动，所述Y轴气缸(35)上安装有探头支架，所述X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)安装于探头支架之上。
3.根据权利要求2所述的一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，其特征在于，所述探头支架上还设置有超声波反射体和探头夹具(39)，所述探头夹具(39)与X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)连接，用以调整X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)的在A轴上的发射角度，所述超声波 反射体设置于X轴超声波探头(21)和Y轴超声波探头(22)的发射端之前，用以调整超声波在B轴上的反射角度。
4.根据权利要求2所述的一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，其特征在于，还包括缺陷标记装置(4)，所述缺陷标记装置(4)包括升降装置，支臂(45)和标记笔(44)，所述升降装置安装于Y轴气缸(35)上，所述支臂(45)一端与升降装置连接，另一端与标记笔(44)连接。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮转轴(1)焊缝超声波检测系统，其特征在于，还包括机械臂机构(5)，所述机械臂机构(5)安装于主轴(15)的一侧，包括平行于涡轮转轴(1)的轴向作垂直移动的U轴移动装置和夹具(56)，所述夹具(56)安装于U轴移动装置之上，所述夹具(56)的轴线与主轴(15)的治具(16)位于同一轴线之上。
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|---|---|---|---|
| CN201520311671.XU CN204694679U (zh) | 2015-05-14 | 2015-05-14 | 涡轮转轴焊缝超声波检测系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104807887A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-07-29 | 博脉工业检测（上海）有限公司 | 涡轮转轴焊缝超声波检测系统及方法 |
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2015
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| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151007 Termination date: 20190514 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| RR01 | Reinstatement of patent right |
Former decision: termination of patent right due to unpaid annual fee Former decision publication date: 20200501 |
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| RR01 | Reinstatement of patent right |