Page 105 - 无损检测2023年第二期

安仕伟, 等:

航空转子铜 - 钢结合层缺陷的五轴超声成像检测系统

设计了探头对中功能, 提高了系统的检测精度; 同时
改进了滤波方式, 提升了系统抗干扰能力, 使成像结 2 系统研制
果更加清晰、 可靠。 五轴转动超声成像检测系统主要包括机械转动
扫查装置、 电气控制系统、 超声发射 / 接收系统和软
1 检测对象
件系统等。该系统以工控机作为上位机, PLC ( 可编
双金属转子结构如图1所示, 其为铜 - 钢复合层 程逻辑控制器) 作为下位机, 上、 下位机基于以太网
结构, 转子孔的内层工作面为铅青铜材料, 外层加固 进行通信。机械扫查装置作为动作单元, 控制转子
基体为高强度45钢 [ 4 ] 。 旋转和探头移动, 控制系统利用编码器产生同步信
号, 激励超声发射接收仪发射信号, 实现信号发射与
运动控制同步。系统原理框图如图2所示。

图1 双金属转子结构示意

双金属转子的铜层密度为8.9 gcm , 其纵波声

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速为4425m · s , 声阻抗为3.94×10 gcm · s ;
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基体钢的密度为7.8gcm , 纵波声速为5900m ·
s , 声阻抗为4.60×10 gcm · s ; 空气的密度为

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1.3×10 gcm , 纵波声速为344m · s , 声阻抗为
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44.72 gcm · s 。 图2 五轴转动超声成像检测系统原理框图
·
两种金属以扩散焊方式连接, 在结合层处可能
2.1 转动机械扫查装置
存在完全未结合、 弱结合缺陷。若结合层界面扩散
转动机械扫查装置组成如图3所示, 主要包括
焊接良好, 超声波由铜层垂直入射到钢层, 声压反射
线性模组、 扫查架、 水箱、 探头夹持装置、 回转工作台
率可表示为
和激光定位装置等。
)
( )/( Z 2+Z 1 ×100% = 7.7%
r= Z 2-Z 1
为钢合金的声阻
式中: Z 1 为铜合金的声阻抗; Z 2
抗。
结合层处的声压透射率可表示为
/(
)
t= 2Z 2 Z 2+Z 1 ≈1 图3 转动机械扫查装置组成
结合层界面出现脱接缺陷时, 超声波由铜层入 回转工作台主要替代四轴检测系统的定位板,
射到空气中, 结合层处的声压反射率可表示为 用于转子工件装夹并实现回转和分度定位, 是保证
( )/( Z 3+Z 1 ≈-1
)
r= Z 3-Z 1 转子定位精度和系统定位精度的关键装置, 其主要
为水的声阻抗。
式中: Z 3 由转动大圆盘、 平面轴承、 主轴、 填料函架、 填料函、
结合层处的声压透射率可表示为 电机及减速机等组成。回转工作台实物如图 4 所
)
/(
t= 2 Z 3 Z 3+Z 1 ≈0 示, 转子均匀分布在回转工作台上, 通过十字形激光
由此得知, 铜 - 钢结合层处焊接界面良好时, 结 使工作台原点复位, 检测时被检转子的1号柱塞孔
合层处声压反射率低, 几乎全透射。焊接界面出现 与检测原点重合, 避免转子位置产生偏移。
脱接缺陷时, 超声波在结合层处几乎全反射, 产生明 激光定位装置用于回转工作台原点定位, 其工作
显的缺陷波和底波降低现象, 根据超声检测信号的 现场如图 5 所示, 在工作台边缘均布 4 个直径为

这一现象可以评估柱塞孔铜 - 钢结合层界面的焊接 1mm 的盲孔, 设备正式检测前, 激光发射器发射十
质量 [ 5-9 ] 。 字型光线对圆盘边缘的两个盲孔分别进行对中, 微调
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2023年 第45卷 第2期
无损检测