汽车后桥环焊缝自动超声波探伤系统(上)

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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。 - |( m! s; k4 D+ S" H　　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 : x1 g6 Y# P5 ?; o) x6 O6 ~! o* U1.2.1　K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K_1,3=1。28，K_2,4=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。 8 G: y. Z( T( {) E5 i' L    1.4　组合探头设计 4 \- T: o$ r1 _" D, j5 m: O# r　　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，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HKD-8型8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。 3 }! r% x& d) e- A. s% A9 @ - m2 J8 o- V/ M a! ~; J3 z $ p3 W5 m8 k. b. t' M: a