1、探傷原理與工藝參數的確定

1.1探傷原理

汽車后橋由沖壓成形的半橋殼、后蓋、法蘭盤、半軸套管等幾部分焊接而成。先由兩個半橋殼對接形成后橋殼，然后再由后橋殼與半軸套管用環焊縫焊接成橋殼體，環焊縫與對接縱縫成丁字交叉。

后橋材料為20號鋼，所有焊縫均采用CO2自動焊接，環焊縫為搭接形式（見圖 1），可能出現的缺陷大多為根部未焊透和保護不當引起的氣孔，其中根部未焊透對疲勞壽命影響最大。由于環焊縫與對接縱縫形成丁字形接頭，按照常規探傷方法，由于縱縫的阻礙引起幾何形狀突變，不利于探頭與工件表面的貼合，在焊縫表面實施自動探傷比較困難。若采用水浸法，則不利于在線連續生產。由圖1可知，在后橋軸頭套管內有一環形平面，環的寬度為9 mm，將探頭貼在此環上，從后橋內壁向上發射超聲波來探測焊縫，若發射的超聲波包住整個焊接接頭斷面，旋轉后橋且探頭不動，則可實現自動超聲波探傷，其原理如圖 1 所示，圖中a，b 和 c點為假設缺陷處，數字為超聲波聲軸線投影法確定的缺陷深度（單位為 mm）。

圖 1探傷原理及缺陷回波定位法示意圖

1.2探頭參數的選擇

1.2.1K值

由于后橋環縫位置的幾何形狀和尺寸的限制，滿足自動探傷要求的位置狹小，為了保證探傷的可靠性，采用多探頭多方位掃查方式。探頭設計成組合探頭形式，后橋頭每邊采用4只探頭，兩邊共8只探頭同時檢測，每個組合探頭中的探頭以圓心為對稱點，相隔90°均布。探頭掃查方向如圖 2 所示，1號探頭向斜下方掃查焊縫，另外3只探頭從斜上方掃查環焊縫。兩端的組合探頭呈對稱布置。斜探頭入射角β由后橋環縫位置的幾何尺寸確定，其原則是超聲波束要包絡整個焊縫斷面，如圖1所示。計算可得［1］K1，3=1。28，K2，4=2。03。

1.2.2探頭頻率f

根據超聲波檢測理論，要減小超聲波通過介質時的衰減和避免林狀回波干擾，應采用波長較長的波型和較低頻率的超聲波為宜，要檢測出尺寸很小的缺陷，則希望超聲波波長要短，綜合考慮各方面的因素并經實驗確定f=5 MHz的晶片，以保證較高的探傷靈敏度。

1.3探傷介質確定

由于后橋材料為碳鋼，且經探傷后要進行機械加工，因此選用20號機油作為探傷耦合介質，自動探傷時，由油泵均勻連續地供給機油介質，在組合探頭上設有出油孔，靠近各個分探頭，保證在探頭和被測表面之間形成均勻油膜。 ［page］

1.4組合探頭設計

專用微型組合探頭是接收和發射超聲波的換能器，其設計是根據工件的特定尺寸、位置以及保證橋殼探傷可靠的要求綜合構思的。組合探頭采用銅質基體（耐蝕性好），探頭內設計有耦合劑通道，與探傷工件表面接觸處鑲有0。3 mm厚的硬質合金片，保證組合探頭不被磨損。組合探頭由液壓缸驅動，由位移傳感器控制行程，組合探頭與工件的接觸由彈性元件施力，模擬人工探傷時，給予探頭的接合力約為8 N，這樣既保證探頭與工件的緊密結合，又使探頭具有柔性可以與探傷表面隨動，從而提高可靠性。

2、探傷系統

2.1系統組成

車橋環焊縫自動超聲波探傷系統主要由HKD-8型8通道數字化超聲波探傷儀，專用微型組合探頭，橋殼定位旋轉機床，液壓系統，電液控制箱，打標機，586計算機，激光打印機及報警裝置組成，探傷節拍為每件探傷時間小于3。5 min，能進行橋殼環縫超標缺陷的判定，定位打標記，檔案記錄，傷波形記錄和實時聲光報警。

2.2系統功能設計

2.2.1HKD-8數字探傷儀

HKD-8數字探傷儀具有8通道，能獨立發射和接收超聲波，各通道都能獨立完成探傷功能，又能任意組合，輪替進行探傷掃查，具有如下功能：a。 系統參數和探傷工藝的設定以及傷波等三類數據的存儲和恢復；b。 聲速設置，零點校準，K值校準及缺陷深度定位；c。 探傷靈敏度及報警閘門的調節；d。 對閘門內回波進行讀數監視及聲光分級報警；e。 超標缺陷的自動打標記及探傷結果的自動存儲；f。 整條環縫探傷波形的360°全景顯示及存儲；g。 探傷報告的建立、記錄和打印；h。 實時顯示回波波高、位置以及回波峰值包絡選擇。

探傷儀采用人機對話方式操作，各參數可通過鼠標選擇調整。

2.2.2橋殼夾持旋轉機床

機床完成橋殼的定位及旋轉動作，同時支撐和送給探傷探頭，機床以橋殼兩端軸套管的外表面為定位和夾持基準。工件的旋轉采用交流伺服電機變頻控制來調節橋殼的旋轉速度。由液壓站供給動力，驅動探頭的進退，同時供給探傷耦合劑。探頭的探傷位置由位置傳感器和壓力傳感器給定，工件的上下由人工完成，也可增加機械手實現自動上下工件。機床上設計有缺陷定位打標裝置，采用電磁鐵驅動，使用長效油性記錄筆，根據計算機指令標記出缺陷相應位置。

2.3儀器控制系統

儀器控制系統可實現全自動探傷和手動探傷程序，手動探傷主要用于系統的調整和人工探傷，設置有“急停”和“復位”按鈕，同時，通過變頻調速器可設定和調整探傷工件的旋轉速度。全自動探傷由計算機控制，在計算機程序中設置有虛擬控制盤和各功能按鈕，可單獨控制探傷工序中的每一動作，還可選擇探傷儀通道，全屏幕觀察該通道號探傷波形，實時監測探傷過程，提高探傷的準確性。全自動探傷程序用于連續探傷生產。

2.4多通道數字探傷儀

探傷儀由計算機處理系統同步控制，并采用鍵盤按照人機對話的形式進行操作。由計算機系統發出同步脈沖信號觸發發射電路，產生高壓負脈沖加在超聲探頭上，探頭收到的脈沖超聲波轉換成微弱信號，由接收放大器放大，經A/D轉換器將信號轉換成數字信號，進入計算機運算處理，最后經顯示卡至顯示器上，實時或凍結顯示器波脈沖［2］，多通道探傷儀主要技術指標如下：頻率范圍 為0。5～10 MHz；最高重復頻率為 5 kHz；衰減量為 119 dB，0。5 dB步進（小檔）和5 dB步進（大檔）；動態范圍為 26 dB；垂直線性不大于4 %（2。5 MHz）；水平線性不大于4 %；脈沖延遲 0～302。0 mm；測量范圍為 38。01～304。1 mm；采樣頻率為 40 MHz；分辨率不小于28 dB；對200 mm深度-2平底孔2。5p20Z靈敏度不小于46 dB；5p14Z靈敏度不小于36 dB；每通道都有傷波閘門，其范圍可從0 %～100 %，以紅色亮線顯示，水平方向表示時間，垂直方向表示范圍，同時具有聲、光報警方式，并在工件上實時標記缺陷位置。

3、測試及使用結果

目前，汽車后橋的超聲波探傷系統還沒有明確的檢驗標準，借用YB1082-92標準對探傷系統進行了評價，其綜合性能指標達到了YB4082-92規定的合格值。同時對實際車橋模擬缺陷進行了檢測，缺陷檢出率為100 %，圖 3 為某車橋檢測整條焊縫的波形記錄和缺陷位置、長度及波高的檔案記錄，缺陷為未焊透 （圖中CH1～CH4 為探頭號，α為車橋的旋轉角度）。

本系統采用了車橋橋頭內孔探傷的新方法實現了汽車后橋環焊縫的全自動探傷。“采用一體化設計的微型組合探頭，采用機油耦合，彈性施力，使得聲耦合條件穩定。檢測過程中聲束入射條件穩定，保證了探傷的穩定和高靈敏度。同時，該系統采用了計算機控制，實現了缺陷的評判、定位以及記錄的自動化，也實現了探傷報告的實時編寫，該系統已投入使用。

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