某型車用齒輪電子束焊縫相控陣超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尹 璐，陳秀明，鄧 宇，李雁南，吳佐端，蔡慶生

(廣州多浦樂(lè)電子科技股份有限公司，廣州 510663)

汽車變速箱齒輪是汽車傳動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到汽車行駛安全。目前車用變速箱齒輪焊接主要采用電子束焊、激光焊等兩種焊接方式，文章針對(duì)采用電子束焊的某型號(hào)車用變速箱齒輪焊縫檢測(cè)進(jìn)行了研究。由于電子束焊焊接工藝問(wèn)題、焊工操作問(wèn)題或焊機(jī)設(shè)備問(wèn)題等客觀因素，焊縫不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種各樣的制造缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣或未焊透等。為了保證行車安全，我國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 982-2014 《汽車變速器齒輪激光焊接和電子束焊接技術(shù)規(guī)范》 要求變速箱齒輪在出廠前需進(jìn)行嚴(yán)格的焊縫質(zhì)量檢測(cè)[1]。

1 變速箱齒輪電子束焊縫檢測(cè)現(xiàn)狀

圖1為某型車用變速箱齒輪實(shí)物照片，圖中兩條紅色橢圓線之間的區(qū)域即為該齒輪的電子束焊縫位置。目前，一般采用目視檢測(cè)或者使用測(cè)量工具等對(duì)變速箱齒輪電子束焊縫進(jìn)行檢測(cè)，這些方法僅能將帶有表面缺陷的少量不合格產(chǎn)品篩選出來(lái)，且長(zhǎng)期大量目視檢測(cè)會(huì)使品控工人視覺(jué)疲勞，容易出現(xiàn)漏檢。

圖1 某型車用變速箱齒輪實(shí)物照片

針對(duì)內(nèi)部的氣孔、夾渣、未融合、未焊透等焊接缺陷，部分生產(chǎn)廠采取抽樣方式進(jìn)行破壞性解剖，通過(guò)觀察解剖樣品的合格情況，來(lái)確定該批次樣品是否合格，該方式無(wú)法有效保障產(chǎn)品質(zhì)量。還有部分廠商采取常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)單晶片探頭旋轉(zhuǎn)一周完成環(huán)焊縫的檢測(cè)[2-3]。該技術(shù)一定程度上解決了內(nèi)部缺陷檢測(cè)問(wèn)題，但仍存在以下不足：① 單晶片的探頭檢測(cè)角度單一，覆蓋率無(wú)法保證，且齒輪焊縫檢測(cè)位置有限，無(wú)法依靠探頭移動(dòng)來(lái)提高覆蓋率；② 超聲對(duì)缺陷走向較敏感，單一角度檢測(cè)難免會(huì)造成漏檢；③ 傳統(tǒng)的A型超聲檢測(cè)是波形顯示，顯示不直觀，非專業(yè)人員難于識(shí)別。

針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套汽車齒輪焊縫自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，采用相控陣超聲技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多角度聲束檢測(cè)，大大提高了覆蓋率。系統(tǒng)配備了相控陣板卡，可實(shí)現(xiàn)缺陷圖像實(shí)時(shí)顯示；采用了短前沿、自聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)，較好地解決了齒輪焊縫焊板厚度薄、放置位置有限等問(wèn)題。

2 相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)介紹

近年來(lái)，相控陣超聲技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能而受到人們的重視，加之壓電復(fù)合材料、納秒級(jí)脈沖信號(hào)控制處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬等高新技術(shù)在相控陣超聲成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用，該技術(shù)得以快速發(fā)展，并越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。與常規(guī)超聲檢測(cè)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在該種齒輪焊縫檢測(cè)上具有非常大的優(yōu)勢(shì)，如：① 使用多個(gè)晶片對(duì)聲束進(jìn)行聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃查[4]，通過(guò)電子掃描單次就可對(duì)齒輪電子束焊縫的整個(gè)焊縫區(qū)域進(jìn)行多角度大面積覆蓋；② 可連續(xù)記錄和保存全過(guò)程檢測(cè)信號(hào)[5]，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)年數(shù)字化存儲(chǔ)，保證每一個(gè)編號(hào)齒輪的數(shù)據(jù)都可追溯，而常規(guī)超聲無(wú)法準(zhǔn)確記錄檢測(cè)信號(hào)；③ A掃描信號(hào)可轉(zhuǎn)化為B，S，C掃描彩色圖像，缺陷信息直觀，可識(shí)別性好，可對(duì)焊縫缺陷信息進(jìn)行智能化快速自動(dòng)判別；⑤ 通過(guò)高精度算法軟件可高精度控制激勵(lì)探頭各個(gè)陣元的延時(shí)時(shí)間，將超聲波聲束有效聚焦在指定焊縫區(qū)域，提高焊縫區(qū)域的檢測(cè)靈敏度、缺陷分辨率和信噪比。

3 檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

由于焊縫外圍齒輪盤上可用于擺放探頭的實(shí)際檢測(cè)位置十分有限，且部分批次產(chǎn)品焊縫余高未去除，故探頭需要做得很??；另一方面齒輪盤板厚很薄，僅為2.4 mm，故為了保證相控陣探頭具有更好的薄壁聚焦能力和大角度聲束偏轉(zhuǎn)能力，選用了多浦樂(lè)16晶片自聚焦相控陣探頭(見(jiàn)圖2，3)，并專門設(shè)計(jì)了短前沿大角度專用楔塊。當(dāng)探頭頻率較小時(shí)，不利于小缺陷檢測(cè)；探頭頻率較大時(shí)，聲束指向性好分辨率高[6]，但頻率過(guò)大聲束衰減會(huì)很嚴(yán)重。綜合考慮各因素，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，頻率確定為7.5 MHz。

圖2 自聚焦線陣探頭及短前沿楔塊

圖3 自聚焦線陣探頭晶片陣列形式

進(jìn)一步分析該齒輪焊縫斷面結(jié)構(gòu)，探頭下方齒輪盤板厚很薄(最薄處僅2.4 mm)，宜使用較大角度超聲波束進(jìn)行檢測(cè)，但當(dāng)波束角度大于75°時(shí)，橫波對(duì)應(yīng)的有效激活孔徑很小，聲波能量較弱，且隨著角度的增大，橫波能量逐漸轉(zhuǎn)化為表面波，不宜使用。該齒輪焊縫下底面存在變厚度過(guò)渡區(qū)，通過(guò)聲束覆蓋模擬仿真(結(jié)果見(jiàn)圖4)可見(jiàn),當(dāng)設(shè)置40°～75°范圍的扇掃時(shí)，1次波僅能檢測(cè)到焊縫根部很小的區(qū)域，2次波可覆蓋焊縫中間段大部分區(qū)域，該焊縫必須增加使用3～4次波輔助檢測(cè)才能實(shí)現(xiàn)全覆蓋。經(jīng)過(guò)工藝仿真以及前期試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定該焊縫的檢測(cè)工藝方案為采用40°～75°范圍的扇形掃查，同時(shí)監(jiān)控14次回波信號(hào)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭的擺放位置如圖5所示。

圖4 齒輪電子束焊縫聲束覆蓋仿真結(jié)果

圖5 實(shí)際檢測(cè)時(shí)的探頭擺放位置

4 系統(tǒng)軟件優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高效率、智能化的檢測(cè)需求，對(duì)包含固有結(jié)構(gòu)回波信號(hào)等復(fù)雜圖像信號(hào)的相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速自動(dòng)化判讀是檢測(cè)人員面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。單純沿用傳統(tǒng)的直線深度閘門或是曲線聲程閘門獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行缺陷自動(dòng)判讀均無(wú)法有效避免非缺陷信號(hào)的干擾。

經(jīng)過(guò)深入研究，在相控陣S掃描視圖中采用了矩形框選雙閘門設(shè)計(jì)，根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、位置以及多次波缺陷報(bào)警幅度的差異，共用A、B雙閘門，使用不同的報(bào)警幅度，框選焊縫的不同區(qū)域，有效避開(kāi)了其他非缺陷固有結(jié)構(gòu)信號(hào)。齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測(cè)界面如圖6，7所示，圖中紅色矩形虛線框?yàn)锳閘門，綠色矩形虛線框?yàn)锽閘門。檢測(cè)時(shí)，2次波覆蓋了焊縫中心的絕大部分區(qū)域，波幅相對(duì)較高，1次波覆蓋了焊縫根部區(qū)域，選用閘門B作為主要閘門監(jiān)控2次波和1次波。由于焊縫底面存在變厚度過(guò)渡區(qū)，3次、4次波反射位置多樣，經(jīng)多次反射后聲路走向復(fù)雜，波幅相對(duì)較弱，故選用閘門A作為輔助閘門監(jiān)控3次波和4次波。圖7 中B閘門內(nèi)為2次波檢測(cè)到的較大缺陷信號(hào)，A閘門內(nèi)為該缺陷的3,4次波檢測(cè)到的信號(hào)。由此，只要框選閘門中出現(xiàn)超標(biāo)反射信號(hào)，便可告知系統(tǒng)自動(dòng)將問(wèn)題齒輪工件分選至不良品區(qū)，反之將工件歸入合格品區(qū)。

圖6 齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測(cè)界面(閘門外存在干擾信號(hào))

圖7 齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測(cè)界面(閘門內(nèi)出現(xiàn)缺陷信號(hào))

5 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該齒輪焊縫相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)由相控陣超聲檢測(cè)板卡、探頭、工控機(jī)、檢測(cè)工作臺(tái)、觸控操作屏、控制柜等部分組成,檢測(cè)系統(tǒng)3D結(jié)核如圖8所示。檢測(cè)系統(tǒng)工作臺(tái)如圖9所示。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到汽車零配件企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏快、日產(chǎn)量高等特點(diǎn)，選用高等級(jí)零部件以保證設(shè)備能長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；采用全傻瓜式操作設(shè)計(jì)，操作員只需將齒輪工件放入指定檢測(cè)工位，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，儀器便開(kāi)始進(jìn)入全自動(dòng)檢測(cè)程序，30 s即可自動(dòng)完成一個(gè)齒輪焊縫的相控陣超聲全記錄成像檢測(cè)、焊縫缺陷自動(dòng)分析識(shí)別、不良品工件自動(dòng)剔除分選等全流程操作，大大簡(jiǎn)化了車用零部件企業(yè)的人力物力，嚴(yán)格把控了車用齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖8 齒輪焊縫檢測(cè)系統(tǒng)3D結(jié)構(gòu)示意

圖9 檢測(cè)工作臺(tái)照片

檢測(cè)完成后，合格品將滑入合格品槽中，不合格品將滑入不合格品槽中。根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)及焊接工藝分析需要，不合格品可以手動(dòng)復(fù)檢，精準(zhǔn)標(biāo)出缺陷位置后進(jìn)行破壞性驗(yàn)證，以便優(yōu)化后續(xù)焊接技術(shù)工藝，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及典型檢測(cè)圖譜分析

由于該焊縫板厚僅為2.4 mm,現(xiàn)有相控陣超聲及常規(guī)超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都不適用。經(jīng)與客戶商議，將“缺陷信號(hào)波幅達(dá)到或超出0.3 mm×3 mm(直徑×長(zhǎng)度)短橫孔反射波幅的產(chǎn)品視為NG品(即不合格品)，波幅低于該短橫孔波幅的產(chǎn)品視為合格品”作為產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在廣東某汽車配件生產(chǎn)廠，針對(duì)9 500個(gè)常態(tài)化生產(chǎn)的該型號(hào)車用齒輪進(jìn)行檢測(cè)，目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)疑似有焊縫缺陷的齒輪12個(gè)，相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)疑似有焊縫缺陷的齒輪158個(gè)(目視檢測(cè)疑似有焊縫缺陷的齒輪均被該系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出)。

現(xiàn)選取部分合格工件及不良品工件的典型檢測(cè)圖譜進(jìn)行分析，并借助切割解剖、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)等方法進(jìn)行二次對(duì)比驗(yàn)證。

典型合格工件的相控陣超聲檢測(cè)圖譜如圖10所示，可見(jiàn)整個(gè)C掃描圖像呈現(xiàn)淡藍(lán)色，并無(wú)紅色缺陷信號(hào)出現(xiàn)。

圖10 典型合格工件的相控陣超聲檢測(cè)圖譜

不良品工件1的相控陣超聲檢測(cè)圖譜如圖11所示，可見(jiàn)圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色條形缺陷圖像，經(jīng)軟件測(cè)量缺陷指示長(zhǎng)度約為42 mm。對(duì)其進(jìn)行切割解剖后，可見(jiàn)明顯孔洞(見(jiàn)圖12)，經(jīng)穿入鋼絲驗(yàn)證為環(huán)狀條形缺陷，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度與相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。

圖11 不良品工件1的相控陣超聲檢測(cè)圖譜

圖12 不良品工件1的切割解剖結(jié)果(可見(jiàn)孔洞)

不良品工件2的相控陣超聲檢測(cè)圖譜如圖13所示，可見(jiàn)圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色條形缺陷圖像，經(jīng)軟件測(cè)量缺陷指示長(zhǎng)度約為17 mm。

圖13 不良品工件2的相控陣超聲檢測(cè)圖譜

對(duì)不良品工件2采用數(shù)字射線(DR)拍片進(jìn)行二次驗(yàn)證，可見(jiàn)明顯環(huán)狀條形缺陷(見(jiàn)圖14)，DR測(cè)得的缺陷長(zhǎng)度與相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。該齒輪焊縫結(jié)構(gòu)特殊，焊縫位置被相對(duì)很厚的齒輪擋住，如果采用射線檢測(cè)，必須先對(duì)齒輪進(jìn)行銑削加工，故實(shí)際上使用射線技術(shù)對(duì)該類齒輪進(jìn)行焊縫檢測(cè)根本不可行。

圖14 不良品工件2的DR影像

不良品工件3的相控陣超聲檢測(cè)圖譜如圖15所示，可見(jiàn)圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色點(diǎn)狀缺陷圖像。

圖15 不良品工件3的相控陣超聲檢測(cè)圖譜

對(duì)不良品工件進(jìn)行了DR射線檢測(cè)驗(yàn)證，未能發(fā)現(xiàn)缺陷(見(jiàn)圖16)，切割后對(duì)其進(jìn)行滲透檢測(cè)，同樣未能發(fā)現(xiàn)缺陷(見(jiàn)圖17)。經(jīng)拋光腐蝕后，借助200倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)了裂紋，實(shí)測(cè)該裂紋長(zhǎng)度為0.36 mm(見(jiàn)圖18)。

圖16 不良品工件3的DR影像

圖17 不良品工件3的滲透檢測(cè)結(jié)果(未檢出缺陷)

圖18 不良品工件3在200倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)的裂紋

從相控陣系統(tǒng)檢出的158個(gè)問(wèn)題工件中，抽樣選取20%的工件，采用切割解剖、DR檢測(cè)、滲透檢測(cè)等方法進(jìn)行二次驗(yàn)證，均能發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的存在，證明了相控陣超聲技術(shù)在該型號(hào)車用齒輪焊縫檢測(cè)上的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，與常規(guī)目視檢測(cè)方法相比，可靠性大幅提升。對(duì)相控陣系統(tǒng)檢出的問(wèn)題工件進(jìn)行破壞性解剖，發(fā)現(xiàn)存在環(huán)狀條形缺陷(見(jiàn)圖19)。

圖19 破壞性解剖發(fā)現(xiàn)的環(huán)狀條形缺陷照片

7 結(jié)語(yǔ)

(1) 開(kāi)發(fā)了一套車用齒輪焊縫自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)車用變速箱齒輪電子束焊縫區(qū)域的全覆蓋相控陣超聲檢測(cè)。

(2) 該系統(tǒng)30 s內(nèi)即可自動(dòng)完成一個(gè)齒輪焊縫的相控陣超聲全記錄成像檢測(cè)、焊縫缺陷自動(dòng)分析識(shí)別、缺陷工件自動(dòng)剔除分選等全流程操作，結(jié)合射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)以及破壞性解剖等方法進(jìn)行二次驗(yàn)證，證明了這套系統(tǒng)在該型號(hào)車用齒輪電子束焊縫檢測(cè)上的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。