Page 64 - 无损检测2023年第一期

尹 璐, 等:

某型车用齿轮电子束焊缝相控阵超声自动化检测系统的设计

1 变速箱齿轮电子束焊缝检测现状 2 相控阵超声无损检测技术介绍

图1 为某型车用变速箱齿轮实物照片, 图中 近年来, 相控阵超声技术以其灵活的声束偏转
两条红色椭圆线之间的区域即为该齿轮的电子束 及聚焦性能而受到人们的重视, 加之压电复合材料、
焊缝位置。目前, 一般采用目视检测或者使用测 纳秒级脉冲信号控制处理技术、 数据处理分析、 软件
量工具等对变速箱齿轮电子束焊缝进行检测, 这 技术和计算机模拟等高新技术在相控阵超声成像领
些方法仅能将带有表面缺陷的少量不合格产品筛 域中的综合应用, 该技术得以快速发展, 并越来越多
选出来, 且长期大量目视检测会使品控工人视觉 地应用于工业无损检测领域。与常规超声检测相
疲劳, 容易出现漏检。 比, 相控阵超声检测技术在该种齿轮焊缝检测上具

有非常大的优势, 如: ① 使用多个晶片对声束进行
聚焦、 偏转和扫查 [ 4 ] , 通过电子扫描单次就可对齿轮
电子束焊缝的整个焊缝区域进行多角度大面积覆
盖; ② 可连续记录和保存全过程检测信号 [ 5 ] , 实现

检测数据的长年数字化存储, 保证每一个编号齿轮
的数据都可追溯, 而常规超声无法准确记录检测

信号; ③ A 扫描信号可转化为 B , S , C 扫描彩色图
像, 缺陷信息直观, 可识别性好, 可对焊缝缺陷信

息进行智能化快速自动判别; ⑤ 通过高精度算法
软件可高精度控制激励探头各个阵元的延时时
间, 将超声波声束有效聚焦在指定焊缝区域, 提高
焊缝区域的检测灵敏度、 缺陷分辨率和信噪比。

3 检测工艺设计

由于焊缝外围齿轮盘上可用于摆放探头的实际
图1 某型车用变速箱齿轮实物照片 检测位置十分有限, 且部分批次产品焊缝余高未去
针对内部的气孔、 夹渣、 未融合、 未焊透等焊接 除, 故探头需要做得很小; 另一方面齿轮盘板厚很

缺陷, 部分生产厂采取抽样方式进行破坏性解剖, 通 薄, 仅为2.4mm , 故为了保证相控阵探头具有更好
过观察解剖样品的合格情况, 来确定该批次样品是 的薄壁聚焦能力和大角度声束偏转能力, 选用了多
否合格, 该方式无法有效保障产品质量。还有部分 浦乐16晶片自聚焦相控阵探头( 见图2 , 3 ), 并专门
厂商采取常规超声检测技术, 通过单晶片探头旋转 设计了短前沿大角度专用楔块。当探头频率较小时,
一周完成环焊缝的检测 [ 2-3 ] 。该技术一定程度上解 不利于小缺陷检测; 探头频率较大时, 声束指向性好
[ 6 ]

决了内部缺陷检测问题, 但仍存在以下不足: ① 单 分辨率高 , 但频率过大声束衰减会很严重。综合考

晶片的探头检测角度单一, 覆盖率无法保证, 且齿轮 虑各因素, 经试验对比, 频率确定为7.5MHz 。
焊缝检测位置有限, 无法依靠探头移动来提高覆盖

率; ② 超声对缺陷走向较敏感, 单一角度检测难免

会造成漏检; ③ 传统的 A 型超声检测是波形显示,
显示不直观, 非专业人员难于识别。
针对以上问题, 开发了一套汽车齿轮焊缝自动
化检测系统, 采用相控阵超声技术, 能够实现多角度
声束检测, 大大提高了覆盖率。系统配备了相控阵
图2 自聚焦线阵探头及短前沿楔块
板卡, 可实现缺陷图像实时显示; 采用了短前沿、 自
进一步分析该齿轮焊缝断面结构, 探头下方齿
聚焦探头进行检测, 较好地解决了齿轮焊缝焊板厚
轮盘板厚很薄( 最薄处仅2.4mm ), 宜使用较大角度
度薄、 放置位置有限等问题。
超声波束进行检测, 但当波束角度大于75° 时, 横波
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2023年 第45卷 第1期
无损检测