副箱輸出軸焊縫超聲波探傷機的研制

郭曉林，鄒海波，徐光清，彭振國

(東風汽車有限公司商用車技術中心工藝研究所，湖北 十堰 442001)

0 前言

某副箱輸出軸由行星架和輸出軸兩部分通過CO2氣體保護焊或者電子束焊焊接而成。作為變速箱副箱的核心部件，副箱輸出軸的可靠性至關重要，要求對其焊接接頭進行100%探傷。

目前所用的探傷方法有磁粉熒光探傷和超聲波探傷兩種。磁粉探傷是將溶有熒光染料的滲透劑滲入工件表面的微小裂紋中，清洗后涂吸附劑，使缺陷內的熒光油液滲出表面，在紫外線燈照射下顯現黃綠色熒光斑點或條紋，從而發現和判斷缺陷。而超聲波探傷是以一定頻率向工件內部發射超聲波脈沖，利用超聲波的反射情況來判斷工件內部有無缺陷。顯然，磁粉熒光探傷容易發現工件淺表微小裂紋，而超聲波探傷則容易發現工件內部的缺陷。

生產中一般是先用磁粉熒光探傷機進行初查，再用手工超聲波探傷對有問題的工件進行重點掃查，確定缺陷的深度和大小。手工超聲探傷勞動強度大，受操作者的個人素質和經驗的影響較大；對探傷結果的描述也比較簡略，不便于質量問題的跟蹤和回溯。

為提高超聲波探傷的自動化程度，研制了副箱輸出軸電子束焊縫超聲波探傷機，實現了工件焊接接頭的自動化掃查、探傷結果的圖像化顯示、探傷數據的自動存檔等多項功能，滿足了生產需要。

1 副箱輸出軸接頭形式和掃描方式

1.1 副箱輸出軸接頭形式

生產中采用的焊接方法為CO2氣體保護焊，但已成功進行了電子束焊試驗，焊接效果滿意。電子束焊接頭不開坡口，要求整個焊接結合面焊透；而CO2氣體保護焊接頭焊前開坡口，要求一定的焊接熔深。兩種焊接接頭形式示意如圖1所示。

圖1 副箱輸出軸焊接接頭形式

1.2 超聲波探傷波形

當超聲波探頭通過耦合劑垂直向焊接接頭發射超聲波脈沖時，一部分超聲波將被耦合劑-工件界面反射回探頭，另一部分超聲波將射入工件內部，遇到焊接接頭缺陷時將被反射回探頭，前者為界面波，后者為缺陷波?；夭ɑ氐教筋^的時間與回波處距探頭的距離對應[1-3]。因而，可以以時間（相位）代替距離討論相關問題。探傷時顯示的波形如圖2所示，也即A型顯示。

圖2 探傷波形示意（A型顯示）

圖中，G門為界面波閘門，其起始位置、終止位置、門檻值分別為 Sg、Eg、Ag；A 門為缺陷波閘門，起始位置、終止位置、門檻值分別為 Sa、Ea、Aa。當 G 門中出現波形，即認為是界面波，其實際相位為Tt，實際波高為At，如果At超過Ag，則認為進波超標而設置相應報警位。A門中出現波形即為缺陷波，也類似處理。顯然，缺陷波相位Tf與界面波相位Tt的差值即為缺陷波深度，即

按一定路徑對焊接接頭進行掃描，并記錄每一個探傷點的界面波相位Tt、界面波高At、缺陷波相位Tf、缺陷波高Af、閘門報警信息以及該探傷點的坐標x、y，就可以形成焊接接頭的完整形貌。

1.3 超聲波探傷掃描方式

由于副箱輸出軸的焊接接頭不連續，因而采用了逐個結合面掃描的方式。即將工件焊接接頭的一個結合面置于探頭下方，探頭對其進行“之”字形掃描，同時逐點記錄探傷數據；掃描區域為覆蓋三角形結合面的矩形區域。一個結合面掃描完畢，再進行下一個結合面的掃描；依次完成整個焊接接頭的探傷。

2 硬件結構

2.1 系統組成

本探傷機由工控機、超聲探傷卡、運動控制卡、硬件接口電路、伺服驅動器、交流伺服電機、十字滑臺、探頭、耦合劑池等幾部分組成。如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

2.2 工控機

工控機為本探傷機的控制核心。它由機箱、工業母板、CPU卡、電源等幾部分組成。CPU卡相當于普通電腦的主板，板上包含有CPU、內存、南北橋、磁盤控制器等大部分主板要素，但不包含電源接口、PCI插槽等。這一部分功能由工業母板擔當，工業母板提供了各種插槽，CPU卡和其他外接卡均插在這些插槽上。插槽提供了很好的隔離，某一插卡的故障只局限于本卡，不會波及到其他插卡。

2.3 超聲探傷卡

超聲探傷卡相當于手工探傷時通常使用的超聲波探傷儀，完成超聲波信號的發送、接收和數據采集。較之超聲波探傷儀，它采用PCI總線機制，直接插在工控機的PCI插槽上，數據交換方便得多。它具有四個相互獨立的超聲波通道，各通道一般均工作于單收發模式。每通道都有三個報警閘門，各門門位、門寬及門檻值均可通過軟件設置，用于定位界面和缺陷回波。在系統程序的控制下，超聲卡獨立完成數據采集工作，并隨時供系統程序讀取。

2.4 運動控制卡

運動控制卡是本探傷機的運動控制中心。它內建多種動作控制函數，接收系統程序的動作命令，向伺服驅動器發出運動指令脈沖；同時讀取位置編碼器信息，以確定探頭實時位置。

2.5 伺服驅動器和十字滑臺

伺服驅動器為交流伺服電機的直接控制者。它接收運動控制卡發來的運動指令脈沖，驅動交流伺服電機轉動；也可以接收來自控制手輪的信號，實現電機點動；還可以通過USB接口與電腦控制軟件通訊，驅動電機并顯示電機運動狀態。

十字滑臺是由兩軸滾珠絲杠直線導軌組成的運動模組，實現對副箱輸出軸焊接接頭的掃描。

2.6 超聲波探頭和耦合劑

探頭的作用是將探傷卡的電信號轉換為超聲波傳入工件，同時接收工件回波并將其還原為電信號送回探傷卡。

本系統使用頻率為5 MHz、晶片尺寸φ8、焦距30 mm的聚焦探頭。將其固定在探頭夾持器上，通過螺紋進行高度調節。耦合劑采用了25號變壓器油。

3 軟件設計

3.1 軟件結構

本探傷機的軟件使用Microsoft VC++語言編制而成，由虛擬儀器頁面、主控頁面、結果處理頁面、三維顯示頁面等幾部分組成，每個畫面完成一定的功能。各畫面之間可以通過頂部菜單條相互切換。

虛擬儀器頁面將工控機虛擬成一臺獨立的超聲波探傷儀。在屏幕顯示探傷波形信號（即所謂的A顯示），通過一系列調節控件，設定超聲探傷卡的參數如超聲波頻率、重復頻率、回波報警方式、閘門參數等?？蓪υO置好的參數進行文件存取操作。

主控頁面用于運動控制卡的控制，包括設定各軸運動速度和探頭掃描范圍、手動控制十字滑臺動作、啟動探傷過程等，并在探傷過程中實時顯示各軸運動狀態。主控頁面也可存取相關數據。

結果顯示頁面以彩圖形式顯示探傷結果。畫面上設有尺寸標尺，可以實測缺陷位置和缺陷尺寸。各點的顏色取決于該點回波的波高。根據頁面上的顏色對照尺，可以直觀查找某點對應的缺陷波高。本頁面提供了探傷數據的保存和調閱功能，可以隨時調閱以前探傷數據，實現了探傷結果的文檔化管理，如圖4所示。

圖4 結果顯示頁面

三維顯示頁面采用OpenGL技術，顯示當前探傷接頭區域立體圖像，使得結果更直觀。

3.2 數據采集和處理

超聲探傷卡內置有數據采集功能，只要探傷卡處于開啟狀態，就自動地按給定重復頻率發射超聲波，并按照系統命令將回波數據傳出。

探傷程序的采樣部分采用多線程技術編程，以提高采樣反應速度。大致分為三部分：波形數據采集線程、結果數據提取線程、主處理線程。

波形數據采集線程在探傷卡開啟后一直工作，不斷地從探傷卡讀取波形數據，并將其存放在波形數據緩沖區，供波形顯示程序和結果數據提取線程讀取。

結果數據提取線程只在探傷掃描期間工作。功能是從波形數據緩沖區中提取界面波、缺陷的相位和波高、閘門報警狀態等信息，從運動控制卡讀取當前掃描點的坐標信息，并將這些信息合并為探傷結果概要記錄，存入探傷結果數據緩沖區。

波形顯示程序和其他程序一起，構成探傷程序的主處理線程。波形顯示程序負責將波形數據緩沖區里的波形數據呈現在顯示屏上，形成A型顯示。

3.3 探傷結果的圖像化顯示

采用平面圖像和立體圖像兩種方式顯示探傷結果。

平面圖像顯示的基本思路為：在屏幕指定區域建立直角坐標系，以掃描路徑上存在缺陷的各點的坐標在屏幕上繪制圖形點，所有這些點構成焊接接頭的平面圖像。為直觀表示各掃描點缺陷的強度，經特殊算法將缺陷波高轉化為點的顏色。波高0以綠色表示，波高50%以藍色表示，波高100%以紅色表示，0～50%以綠-藍過渡色表示，50～100%以藍-紅過渡色表示。在結果顯示頁面給出色卡，便于確定缺陷波高。

除了以不同顏色表示掃描點缺陷波高外，還提供了多種方式控制圖像點的篩取。

（1）按波高或者按報警篩取。默認情況下，按某掃描點位置是否出現缺陷波閘門報警來決定圖像點的顯示與否，但也可以利用滑動條來指定波高門檻值，只顯示缺陷波高超過此值的圖像點。

（2）按掃描點缺陷的深度篩取。在探傷結果數據中包含有各掃描點的缺陷深度信息。默認情況下忽略缺陷深度信息，顯示所有符合缺陷波高或報警條件的圖像點，相當于把這個焊接接頭上各個深度的缺陷在圖像上疊加顯示?？梢赃x擇按缺陷深度顯示，指定缺陷深度，只顯示缺陷深度符合指定值的圖像點，相當于只顯示焊接接頭上指定截面的缺陷分布圖像。不同圖像點篩取方式下平面圖像的顯示效果如圖5所示。

圖5 焊接接頭平面圖像

立體圖像（見圖6）顯示方式的基本思路為：以掃描路徑上點的坐標為橫、縱坐標x、y，以該點存在的缺陷深度為豎直方向坐標z，應用OpenGL技術[4]在屏幕上繪制空間點，點的顏色取決于缺陷波高，算法和平面圖像顯示方式完全一樣。如此就可以顯示焊接接頭的立體圖像?？赏ㄟ^鼠標控制圖像的放大縮小、推遠拉近以及旋轉，有助于更逼真、更準確的分析缺陷位置、形狀和大小。

圖6 焊接接頭立體圖像（波高門檻50%）

4 結論

應用超聲波探傷機對電子束焊焊接的副箱輸出軸和CO2氣體保護焊焊接的副箱輸出軸進行了探傷，成像效果滿意。實踐證明，超聲波探傷機既能用于電子束焊接頭的自動化探傷，也能用于CO2焊接頭的探傷。能用多種方式對焊接接頭缺陷分布進行圖像分析，并存檔管理探傷數據，便于焊接質量問題的跟蹤和回溯。探傷機的各項性能完全符合預期，為副箱輸出軸的超聲波探傷提供了有力手段。

[1]北京市技術交流站.超聲波探傷原理及其應用[M].北京:機械工業出版社，1982.

[2]李 靖，馬羽寬，蔡清福，等.超聲波探傷法[M].廣州:廣東科技出版社，1981.

[3]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京:水利電力出版社，1985.

[4]向世明.OpenGL編程與實例[M].北京：電子工業出版社，1999.