汽车后桥环焊缝自动超声波探伤仪系统

1 探伤原理与工艺参数的确定
1.1探伤原理
汽车后桥由冲压成形的半桥壳、后盖、法兰盘、半轴套管等几部分焊接而成。先由两个半桥壳对接形成后桥壳，然后再由后桥壳与半轴套管用环焊缝焊接成桥壳体，环焊缝与对接纵缝成丁字交叉。
后桥材料为20号钢，所有焊缝均采用CO2自动焊接，环焊缝为搭接形式（见图 1），可能出现的缺陷大多为根部未焊透和保护不当引起的气孔，其中根部未焊透对疲劳寿命影响最大。由于环焊缝与对接纵缝形成丁字形接头，按照常规探伤方法，由于纵缝的阻碍引起几何形状突变，不利于探头与工件表面的贴合，在焊缝表面实施自动探伤比较困难。若采用水浸法，则不利于在线连续生产。由图1可知，在后桥轴头套管内有一环形平面，环的宽度为9 mm，将探头贴在此环上，从后桥内壁向上发射超声波来探测焊缝，若发射的超声波包住整个焊接接头断面，旋转后桥且探头不动，则可实现自动超声波探伤，其原理如图 1 所示，图中a,b 和 c点为假设缺陷处，数字为超声波声轴线投影法确定的缺陷深度(单位为 mm)。
 
图1 探伤原理及缺陷回波定位法示意图

1.2探头参数的选择
1.2.1K值
由于后桥环缝位置的几何形状和尺寸的限制，满足自动探伤要求的位置狭小，为了保证探伤的可靠性，采用多探头多方位扫查方式。探头设计成组合探头形式，后桥头每边采用4只探头，两边共8只探头同时检测，每个组合探头中的探头以圆心为对称点，相隔90°均布。探头扫查方向如图 2 所示，1号探头向斜下方扫查焊缝，另外3只探头从斜上方扫查环焊缝。两端的组合探头呈对称布置。斜探头入射角β由后桥环缝位置的几何尺寸确定，其原则是超声波束要包络整个焊缝断面，如图1所示。计算可得［1］K1,3=1。28，K2,4=2。03。
 
 
图2 探头布置及扫查方向示意图

1.2.2探头频率f
根据超声波检测理论，要减小超声波通过介质时的衰减和避免林状回波干扰，应采用波长较长的波型和较低频率的超声波为宜，要检测出尺寸很小的缺陷，则希望超声波波长要短，综合考虑各方面的因素并经实验确定f=5 MHz的晶片，以保证较高的探伤灵敏度。
1.3探伤介质确定
由于后桥材料为碳钢，且经探伤后要进行机械加工，因此选用20号机油作为探伤耦合介质，自动探伤时，由油泵均匀连续地供给机油介质，在组合探头上设有出油孔，靠近各个分探头，保证在探头和被测表面之间形成均匀油膜。
1.4组合探头设计
专用微型组合探头是接收和发射超声波的换能器，其设计是根据工件的特定尺寸、位置以及保证桥壳探伤可靠的要求综合构思的。组合探头采用铜质基体(耐蚀性好)，探头内设计有耦合剂通道，与探伤工件表面接触处镶有0。3 mm厚的硬质合金片，保证组合探头不被磨损。组合探头由液压缸驱动，由位移传感器控制行程，组合探头与工件的接触由弹性元件施力，模拟人工探伤时，给予探头的接合力约为8 N，这样既保证探头与工件的紧密结合，又使探头具有柔性可以与探伤表面随动，无损检测资源网从而提高可靠性。
2探伤系统
2.1系统组成
车桥环焊缝自动超声波探伤系统主要由通道数字化超声波探伤仪，专用微型组合探头，桥壳定位旋转机床，液压系统，电液控制箱，打标机，586计算机，激光打印机及报警装置组成，探伤节拍为每件探伤时间小于3。5 min，能进行桥壳环缝超标缺陷的判定，定位打标记，档案记录，伤波形记录和实时声光报警。
2.2系统功能设计

2.2.2桥壳夹持旋转机床
机床完成桥壳的定位及旋转动作，同时支撑和送给探伤探头，机床以桥壳两端轴套管的外表面为定位和夹持基准。工件的旋转采用交流伺服电机变频控制来调节桥壳的旋转速度。由液压站供给动力，驱动探头的进退，同时供给探伤耦合剂。探头的探伤位置由位置传感器和压力传感器给定，工件的上下由人工完成，也可增加机械手实现自动上下工件。机床上设计有缺陷定位打标装置，采用电磁铁驱动，使用长效油性记录笔，根据计算机指令标记出缺陷相应位置。
2.3仪器控制系统
仪器控制系统可实现全自动探伤和手动探伤程序，手动探伤主要用于系统的调整和人工探伤，设置有“急停”和“复位”按钮，同时，通过变频调速器可设定和调整探伤工件的旋转速度。全自动探伤由计算机控制，在计算机程序中设置有虚拟控制盘和各功能按钮，可单独控制探伤工序中的每一动作，还可选择探伤仪通道，全屏幕观察该通道号探伤波形，实时监测探伤过程，提高探伤的准确性。全自动探伤程序用于连续探伤生产。