Page 53 - 无损检测2023年第二期

强天鹏, 等:

汽车变速器齿轮焊缝的相控阵超声检测

上, 对齿轮焊缝相控阵超声检测的技术、 设备、 工艺 作简便, 成本低。
进行研究。 相控阵超声超声仪器比脉冲反射法超声仪器先
1.1 扫查面和检测方向选择 进2~3代, 对于各项功能和性能指标, 例如电子电
汽车变速器齿轮组多采用空心轴设计。脉冲反 路的带宽、 降噪、 滤波、 信号发射接收、 信号处理速
射法超声检测选择轴内壁作为扫查面, 其优点是内 度、 显示图像性能、 数据存储能力等, 两者具有代差,
壁形状规则, 便于实施旋转扫查; 且探头离焊缝较 不具有可比性。
近, 可避开齿轮复杂形状带来的各种杂乱信号的影 1.5 电动扫查器研发
响。另一方面, 内壁扫查的超声波束方向垂直于焊 研制了 ZTCY-A 型电动扫查器, 其采用步进电
缝深度方向, 利于发现缺陷和测量熔深, 因此, 相控 机驱动。设计了一种前端可更换结构, 适用于内腔

阵超声检测跟脉冲反射法一样, 采用从空心轴内壁 直径大于19mm 的各规格齿轮焊缝检测, 并且该结
对焊缝进行扫查的方案。 构既能用于水浸法检测扫查, 又能用于直接接触法
1.2 扫描方法和数据采集速度对比 检测扫查。
相控阵超声技术扫描焊缝的具体方法为: 在轴 1.6 耦合方法选择
线方向采用电子扫描, 在圆周方向采用机械扫描, 探 采用两种耦合方法分别进行检测试验, 即以水
头旋转一圈即可完成一道齿轮环焊缝的检测; 而脉 为耦合剂的水浸检测法和以凝胶为耦合剂的直接接
冲反射法扫描焊缝的具体方法为: 探头与齿轮相对 触检测法。前者需要配备水浸系统设备, 适宜自动
运动, 形成轨迹为螺旋线的机械扫描, 探头或齿轮需 检测; 后者方便灵活, 可使用电动扫查器进行半自动
要旋转很多圈才能完成一道齿轮环焊缝的检测。 检测, 对工件形状结构、 规格尺寸、 场地条件的适应

如果检测要求分辨率为0.5mm , 焊缝熔深方向 性更好。

覆盖范围为12mm , 采用间距为0.5mm 的32阵元 1.7 专用软件和图形显示处理功能

相控阵超声线阵列探头, 一次激发孔径为4mm , 电 开发了具有较多功能的齿轮相控阵检测专用软
子扫描最大行程为12mm , 完成一道环焊缝检测探 件, 可提供5种视图以展示检测结果, 包括从相互垂

头只需旋转1圈; 而脉冲反射法扫描则需要探头与 直的三个方向进行观察的三向视图以及通过映射方
齿轮相对旋转24圈才能完成检测, 也就是说, 相控 法进行重构的仿形视图。软件功能包括测量缺陷的
阵超声的扫描和完成数据采集速度比脉冲反射法快 五图联动指针、 去除不相干信号的数据层析处理等。
20~30倍。 2 齿轮焊缝相控阵超声检测试验
1.3 探头与扫查前端设计
按照检测技术和质量标准的要求选择相控阵探 2.1 试验参考标准和验收条件
头参数, 包括频率、 晶片尺寸、 阵元数、 阵元宽度、 阵 受某汽车齿轮厂委托, 对两种型号焊接齿轮进
元长度等, 并结合不同齿轮的规格尺寸和结构设计 行相控阵检测试验, 以检查两种齿轮的焊接工艺, 同
制作适配的探头, 根据检测现场条件和耦合方法设 时评价相控阵技术应用于汽车焊接齿轮检测的可行
计制作适用的扫查系统前端。 性和可靠性。

相控阵超声探头采用压电复合材料制作, 与脉 试验参考标准 GB / T32563-2016 《 无损检测

[ 4 ]
冲反射法探头使用的压电材料锆钛酸铅相比, 其发 超声检测 相控阵超声检测方法》 , 利用平底孔试
射接收系数值提高了5~25倍, 机械品质因数降低 块进行系统校准, 检测灵敏度设置为 ϕ 0.5mm 平

至原来的1 / 10~1 / 30 。相控阵超声探头与脉冲反 底孔回波达满屏高度的80% 。
射法探头相比, 灵敏度提高了12~24dB , 探头带宽 由于汽车齿轮焊缝相控阵超声检测没有验收标

指标提升了2级, 纵向分辨率提高了2~3倍。 准, 委托单位参照国外某企业标准给出验收条件:

1.4 相控阵超声仪器选择 ① 焊缝不允许存在裂纹; ② 体积型缺陷数量不超

可使用两种相控阵仪器作为检测系统主机: ① 过3个; ③ 单个缺陷尺寸不大于3mm ; ④ 缺陷长

通用型仪器 Omniscan MX3 ; ② 自研的专用仪器 度之和不超过焊缝长度的5% ; ⑤ 第一种齿轮的焊

ZT-SC-W1 。前者是多用途仪器, 功能更多, 技术性 缝熔深不小于2.5mm , 第二种齿轮的焊缝熔深不小

能指标更稳定; 后者是专用设备, 体积小, 重量轻, 操 于4mm 。
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2023年 第45卷 第2期
无损检测