銅與不銹鋼釬焊水接頭的超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

王學(xué)權(quán)　任俊波　柴玉琨　劉彥明

【摘 要】本文講述了銅與不銹鋼異種金屬釬焊水接頭的檢測(cè)原理，自動(dòng)超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，及檢測(cè)系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并將超聲檢測(cè)結(jié)果與金相解剖圖片進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明該方法是可行的，本系統(tǒng)已經(jīng)用于實(shí)際工程檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】超聲檢測(cè)；水接頭；超聲水浸法

0 引言

銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭，是三峽水輪發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈的重要部件，其質(zhì)量對(duì)于三峽電站的安全關(guān)系重大。銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭，主要由水接頭支撐、襯管、水盒以及焊接釬料構(gòu)成。為了保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，采用預(yù)置釬料環(huán)（片）真空釬焊進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，焊后進(jìn)行超聲檢測(cè)使之滿(mǎn)足水接頭技術(shù)條件要求。

銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭的釬焊，屬于異種金屬的連接，其結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸不規(guī)則并帶有螺紋結(jié)構(gòu)，技術(shù)條件要求100%掃查，給水接頭的釬焊質(zhì)量檢測(cè)工作帶來(lái)很大的困難。必須從水接頭工件內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，而內(nèi)部空間非常狹小，這就對(duì)探頭的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了特殊的要求：需要小直徑、小晶片、小焦距；要求能發(fā)現(xiàn)小當(dāng)量缺陷，因而具有高檢測(cè)靈敏度高，即需要高頻率點(diǎn)聚焦探頭；而銅對(duì)超聲波的衰減較大，要求必須使用低頻率探頭，如何解決這一矛盾，對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)提出了很高的要求，目前國(guó)內(nèi)還無(wú)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的報(bào)道。

1 檢測(cè)原理

采用水浸超聲脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)，利用單晶探頭發(fā)射、接受脈沖。超聲波從水接頭內(nèi)表面垂直入射到水接頭中，在水-水接頭內(nèi)表面產(chǎn)生界面波，穿過(guò)水接頭入射到水中時(shí)，又產(chǎn)生底面回波[1]。當(dāng)材料內(nèi)部有反射體時(shí)，超聲波將從該處反射回來(lái)，在界面波和底面回波之間顯示出來(lái)。

根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低及回波位置來(lái)確定反射體的性質(zhì)、大小及位置，但實(shí)際上由于缺陷性質(zhì)、表面狀況、幾何形狀以及聲束相對(duì)方向等諸多復(fù)雜因素的影響，目前的通用探傷方法尚無(wú)法測(cè)定缺陷的真實(shí)大小，因此，常用“當(dāng)量尺寸”表示缺陷大小，相同探測(cè)條件下，如果缺陷反射回波聲壓與某種人工反射體的回波聲壓相同，即兩者的反射波高相等時(shí)，則規(guī)則反射體的尺寸即為缺陷的當(dāng)量尺寸。

2 檢測(cè)裝置簡(jiǎn)述

為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)課題組成功設(shè)計(jì)加工了超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)由單晶水浸聚焦探頭、專(zhuān)用對(duì)比試塊、水接頭專(zhuān)用檢測(cè)軟件系統(tǒng)、水接頭專(zhuān)用自動(dòng)檢測(cè)裝置組成[2]。其中水接頭專(zhuān)用自動(dòng)檢測(cè)裝置包括兩個(gè)傳動(dòng)以及帶動(dòng)它們的電機(jī)、控制電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、探頭調(diào)角器、超聲波探傷儀、電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡、工控機(jī)、采集系統(tǒng)組成。

3 單晶水浸聚焦探頭

由于水接頭外型復(fù)雜，上端為一方型平臺(tái)，下面為圓形，并帶有螺紋（如圖1所示），無(wú)法從水接頭外部實(shí)施超聲檢測(cè)，故采用從水接頭內(nèi)部實(shí)施超聲檢測(cè)，而內(nèi)部的空間又非常狹小，這就對(duì)探頭的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了要求。為此專(zhuān)門(mén)發(fā)明了專(zhuān)用單晶水晶聚焦探頭，其外徑不到φ10mm。

該探頭優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)小巧、靈敏度高、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4 專(zhuān)用對(duì)比試塊

檢測(cè)用對(duì)比試塊采用了焊接的實(shí)際水接頭制作而成，人工缺陷包括平底孔2個(gè)，矩形槽一個(gè)，深度為外徑到焊縫位置的深度，示意圖見(jiàn)圖3。

本試塊用于標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度，使系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足水接頭技術(shù)條件要求。

5 水接頭專(zhuān)用自動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

水接頭專(zhuān)用自動(dòng)檢測(cè)裝置主要包括探頭調(diào)角器、傳動(dòng)裝置、采集系統(tǒng)、超聲波探傷儀、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及工控機(jī)一臺(tái)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。探頭調(diào)角器（結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3）包括3個(gè)調(diào)節(jié)選鈕，2個(gè)支撐桿，一個(gè)探頭夾具。調(diào)節(jié)旋鈕8，9，可以實(shí)現(xiàn)探頭夾具11在水平面內(nèi)前后和左右移動(dòng)，調(diào)節(jié)旋鈕10可以實(shí)現(xiàn)探頭在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)調(diào)角器通過(guò)水平桿13安裝于傳動(dòng)，在電機(jī)帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)采用二維傳動(dòng)，垂直傳動(dòng)帶動(dòng)探頭調(diào)角器進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，圓盤(pán)傳動(dòng)水接頭做圓周運(yùn)動(dòng)；采集系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換卡及配套接線(xiàn)和子卡，其功能為采集超聲波探傷儀的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給工控機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部分包括電機(jī)控制卡一張、電機(jī)驅(qū)動(dòng)二個(gè)，水接頭專(zhuān)用檢測(cè)軟件通過(guò)給電機(jī)控制卡信號(hào)以控制傳動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的精確控制。本自動(dòng)檢測(cè)裝置自動(dòng)化程度高、傳動(dòng)精度高。

6 水接頭專(zhuān)用檢測(cè)軟件系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果輸出存儲(chǔ)，本檢測(cè)小組編制了水接頭專(zhuān)用檢測(cè)軟件。整套軟件使用Visual C++6.0編寫(xiě)主要包括系統(tǒng)初始化、傳動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)管理、結(jié)果保存等模塊[3]。系統(tǒng)初始化模塊主要包括采集系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)初始化、各傳動(dòng)軸位置復(fù)位、初始化參數(shù)保存、待件工件的編號(hào)、長(zhǎng)、寬等參數(shù)的讀??；傳動(dòng)控制模塊主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制（帶正、反向控制）、原點(diǎn)及行程極限檢測(cè)、傳動(dòng)速度控制；數(shù)據(jù)采集分析模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、異常數(shù)據(jù)分析剔除、數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)管理模塊主要包括檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、維護(hù)功能，記錄原始檢測(cè)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)位置，也可單獨(dú)提供原始數(shù)據(jù)，以便使用其它軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)；結(jié)果保存模塊包括檢測(cè)結(jié)果的保存、對(duì)報(bào)表進(jìn)行后臺(tái)打印。

（8—水平面X方向調(diào)節(jié)旋鈕；9—水平面Y方向調(diào)節(jié)旋鈕；10—水平面上旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕；11—探頭夾具；12—調(diào)角器垂直桿；13—調(diào)角器水平桿）

圖3 三維探頭調(diào)角器示意圖

本軟件系統(tǒng)具有模塊化、人性化、可視化、功能多樣化的特點(diǎn)，完全具有現(xiàn)代大型軟件的風(fēng)格；本軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程完全自動(dòng)化，提供友好的人機(jī)接口，快速、準(zhǔn)確、直觀，能夠自動(dòng)識(shí)別缺陷、計(jì)算缺陷面積、給出檢測(cè)結(jié)果展開(kāi)圖。

7 檢測(cè)結(jié)果與金相對(duì)比

在對(duì)大量水接頭進(jìn)行了檢測(cè)后，進(jìn)行了金相檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，下面給出1個(gè)有典型缺陷和1個(gè)完好的水接頭檢測(cè)結(jié)果和進(jìn)行金相解剖圖片。超聲檢測(cè)結(jié)果圖與金相解剖結(jié)果圖見(jiàn)圖4～圖7。

通過(guò)對(duì)比看出超聲檢測(cè)結(jié)果圖中代表缺陷的黑點(diǎn)處與金相解剖圖中結(jié)合面中缺陷位置是對(duì)應(yīng)的，對(duì)比結(jié)果基本一致。本結(jié)果表明使用本檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水接頭焊接結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

8 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本方法是可行的。該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)檢測(cè)的自動(dòng)化，給出檢測(cè)結(jié)果即缺陷數(shù)量、缺陷面積和有效缺陷數(shù)量、有效缺陷面積并給出直觀的缺陷展開(kāi)圖，并能夠保存檢測(cè)結(jié)果，滿(mǎn)足了三峽水接頭批量生產(chǎn)檢測(cè)需要。該檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)使用于實(shí)際工程檢測(cè)，并完成了一萬(wàn)二千多個(gè)水接頭的檢測(cè)任務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)，中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[2]美國(guó)無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)編，美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]Programming Microsoft Visual C++ 6.0 技術(shù)開(kāi)發(fā)內(nèi)幕，北京希望電子出版社.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]