副箱输出轴焊缝超声波探伤机的研制

郭晓林，邹海波，徐光清，彭振国

(东风汽车有限公司商用车技术中心工艺研究所，湖北 十堰 442001)

0 前言

某副箱输出轴由行星架和输出轴两部分通过CO2气体保护焊或者电子束焊焊接而成。作为变速箱副箱的核心部件，副箱输出轴的可靠性至关重要，要求对其焊接接头进行100%探伤。

目前所用的探伤方法有磁粉荧光探伤和超声波探伤两种。磁粉探伤是将溶有荧光染料的渗透剂渗入工件表面的微小裂纹中，清洗后涂吸附剂，使缺陷内的荧光油液渗出表面，在紫外线灯照射下显现黄绿色荧光斑点或条纹，从而发现和判断缺陷。而超声波探伤是以一定频率向工件内部发射超声波脉冲，利用超声波的反射情况来判断工件内部有无缺陷。显然，磁粉荧光探伤容易发现工件浅表微小裂纹，而超声波探伤则容易发现工件内部的缺陷。

生产中一般是先用磁粉荧光探伤机进行初查，再用手工超声波探伤对有问题的工件进行重点扫查，确定缺陷的深度和大小。手工超声探伤劳动强度大，受操作者的个人素质和经验的影响较大；对探伤结果的描述也比较简略，不便于质量问题的跟踪和回溯。

为提高超声波探伤的自动化程度，研制了副箱输出轴电子束焊缝超声波探伤机，实现了工件焊接接头的自动化扫查、探伤结果的图像化显示、探伤数据的自动存档等多项功能，满足了生产需要。

1 副箱输出轴接头形式和扫描方式

1.1 副箱输出轴接头形式

生产中采用的焊接方法为CO2气体保护焊，但已成功进行了电子束焊试验，焊接效果满意。电子束焊接头不开坡口，要求整个焊接结合面焊透；而CO2气体保护焊接头焊前开坡口，要求一定的焊接熔深。两种焊接接头形式示意如图1所示。

图1 副箱输出轴焊接接头形式

1.2 超声波探伤波形

当超声波探头通过耦合剂垂直向焊接接头发射超声波脉冲时，一部分超声波将被耦合剂-工件界面反射回探头，另一部分超声波将射入工件内部，遇到焊接接头缺陷时将被反射回探头，前者为界面波，后者为缺陷波。回波回到探头的时间与回波处距探头的距离对应[1-3]。因而，可以以时间（相位）代替距离讨论相关问题。探伤时显示的波形如图2所示，也即A型显示。

图2 探伤波形示意（A型显示）

图中，G门为界面波闸门，其起始位置、终止位置、门槛值分别为 Sg、Eg、Ag；A 门为缺陷波闸门，起始位置、终止位置、门槛值分别为 Sa、Ea、Aa。当 G 门中出现波形，即认为是界面波，其实际相位为Tt，实际波高为At，如果At超过Ag，则认为进波超标而设置相应报警位。A门中出现波形即为缺陷波，也类似处理。显然，缺陷波相位Tf与界面波相位Tt的差值即为缺陷波深度，即

按一定路径对焊接接头进行扫描，并记录每一个探伤点的界面波相位Tt、界面波高At、缺陷波相位Tf、缺陷波高Af、闸门报警信息以及该探伤点的坐标x、y，就可以形成焊接接头的完整形貌。

1.3 超声波探伤扫描方式

由于副箱输出轴的焊接接头不连续，因而采用了逐个结合面扫描的方式。即将工件焊接接头的一个结合面置于探头下方，探头对其进行“之”字形扫描，同时逐点记录探伤数据；扫描区域为覆盖三角形结合面的矩形区域。一个结合面扫描完毕，再进行下一个结合面的扫描；依次完成整个焊接接头的探伤。

2 硬件结构

2.1 系统组成

本探伤机由工控机、超声探伤卡、运动控制卡、硬件接口电路、伺服驱动器、交流伺服电机、十字滑台、探头、耦合剂池等几部分组成。如图3所示。

图3 系统结构框图

2.2 工控机

工控机为本探伤机的控制核心。它由机箱、工业母板、CPU卡、电源等几部分组成。CPU卡相当于普通电脑的主板，板上包含有CPU、内存、南北桥、磁盘控制器等大部分主板要素，但不包含电源接口、PCI插槽等。这一部分功能由工业母板担当，工业母板提供了各种插槽，CPU卡和其他外接卡均插在这些插槽上。插槽提供了很好的隔离，某一插卡的故障只局限于本卡，不会波及到其他插卡。

2.3 超声探伤卡

超声探伤卡相当于手工探伤时通常使用的超声波探伤仪，完成超声波信号的发送、接收和数据采集。较之超声波探伤仪，它采用PCI总线机制，直接插在工控机的PCI插槽上，数据交换方便得多。它具有四个相互独立的超声波通道，各通道一般均工作于单收发模式。每通道都有三个报警闸门，各门门位、门宽及门槛值均可通过软件设置，用于定位界面和缺陷回波。在系统程序的控制下，超声卡独立完成数据采集工作，并随时供系统程序读取。

2.4 运动控制卡

运动控制卡是本探伤机的运动控制中心。它内建多种动作控制函数，接收系统程序的动作命令，向伺服驱动器发出运动指令脉冲；同时读取位置编码器信息，以确定探头实时位置。

2.5 伺服驱动器和十字滑台

伺服驱动器为交流伺服电机的直接控制者。它接收运动控制卡发来的运动指令脉冲，驱动交流伺服电机转动；也可以接收来自控制手轮的信号，实现电机点动；还可以通过USB接口与电脑控制软件通讯，驱动电机并显示电机运动状态。

十字滑台是由两轴滚珠丝杠直线导轨组成的运动模组，实现对副箱输出轴焊接接头的扫描。

2.6 超声波探头和耦合剂

探头的作用是将探伤卡的电信号转换为超声波传入工件，同时接收工件回波并将其还原为电信号送回探伤卡。

本系统使用频率为5 MHz、晶片尺寸φ8、焦距30 mm的聚焦探头。将其固定在探头夹持器上，通过螺纹进行高度调节。耦合剂采用了25号变压器油。

3 软件设计

3.1 软件结构

本探伤机的软件使用Microsoft VC++语言编制而成，由虚拟仪器页面、主控页面、结果处理页面、三维显示页面等几部分组成，每个画面完成一定的功能。各画面之间可以通过顶部菜单条相互切换。

虚拟仪器页面将工控机虚拟成一台独立的超声波探伤仪。在屏幕显示探伤波形信号（即所谓的A显示），通过一系列调节控件，设定超声探伤卡的参数如超声波频率、重复频率、回波报警方式、闸门参数等。可对设置好的参数进行文件存取操作。

主控页面用于运动控制卡的控制，包括设定各轴运动速度和探头扫描范围、手动控制十字滑台动作、启动探伤过程等，并在探伤过程中实时显示各轴运动状态。主控页面也可存取相关数据。

结果显示页面以彩图形式显示探伤结果。画面上设有尺寸标尺，可以实测缺陷位置和缺陷尺寸。各点的颜色取决于该点回波的波高。根据页面上的颜色对照尺，可以直观查找某点对应的缺陷波高。本页面提供了探伤数据的保存和调阅功能，可以随时调阅以前探伤数据，实现了探伤结果的文档化管理，如图4所示。

图4 结果显示页面

三维显示页面采用OpenGL技术，显示当前探伤接头区域立体图像，使得结果更直观。

3.2 数据采集和处理

超声探伤卡内置有数据采集功能，只要探伤卡处于开启状态，就自动地按给定重复频率发射超声波，并按照系统命令将回波数据传出。

探伤程序的采样部分采用多线程技术编程，以提高采样反应速度。大致分为三部分：波形数据采集线程、结果数据提取线程、主处理线程。

波形数据采集线程在探伤卡开启后一直工作，不断地从探伤卡读取波形数据，并将其存放在波形数据缓冲区，供波形显示程序和结果数据提取线程读取。

结果数据提取线程只在探伤扫描期间工作。功能是从波形数据缓冲区中提取界面波、缺陷的相位和波高、闸门报警状态等信息，从运动控制卡读取当前扫描点的坐标信息，并将这些信息合并为探伤结果概要记录，存入探伤结果数据缓冲区。

波形显示程序和其他程序一起，构成探伤程序的主处理线程。波形显示程序负责将波形数据缓冲区里的波形数据呈现在显示屏上，形成A型显示。

3.3 探伤结果的图像化显示

采用平面图像和立体图像两种方式显示探伤结果。

平面图像显示的基本思路为：在屏幕指定区域建立直角坐标系，以扫描路径上存在缺陷的各点的坐标在屏幕上绘制图形点，所有这些点构成焊接接头的平面图像。为直观表示各扫描点缺陷的强度，经特殊算法将缺陷波高转化为点的颜色。波高0以绿色表示，波高50%以蓝色表示，波高100%以红色表示，0～50%以绿-蓝过渡色表示，50～100%以蓝-红过渡色表示。在结果显示页面给出色卡，便于确定缺陷波高。

除了以不同颜色表示扫描点缺陷波高外，还提供了多种方式控制图像点的筛取。

（1）按波高或者按报警筛取。默认情况下，按某扫描点位置是否出现缺陷波闸门报警来决定图像点的显示与否，但也可以利用滑动条来指定波高门槛值，只显示缺陷波高超过此值的图像点。

（2）按扫描点缺陷的深度筛取。在探伤结果数据中包含有各扫描点的缺陷深度信息。默认情况下忽略缺陷深度信息，显示所有符合缺陷波高或报警条件的图像点，相当于把这个焊接接头上各个深度的缺陷在图像上叠加显示。可以选择按缺陷深度显示，指定缺陷深度，只显示缺陷深度符合指定值的图像点，相当于只显示焊接接头上指定截面的缺陷分布图像。不同图像点筛取方式下平面图像的显示效果如图5所示。

图5 焊接接头平面图像

立体图像（见图6）显示方式的基本思路为：以扫描路径上点的坐标为横、纵坐标x、y，以该点存在的缺陷深度为竖直方向坐标z，应用OpenGL技术[4]在屏幕上绘制空间点，点的颜色取决于缺陷波高，算法和平面图像显示方式完全一样。如此就可以显示焊接接头的立体图像。可通过鼠标控制图像的放大缩小、推远拉近以及旋转，有助于更逼真、更准确的分析缺陷位置、形状和大小。

图6 焊接接头立体图像（波高门槛50%）

4 结论

应用超声波探伤机对电子束焊焊接的副箱输出轴和CO2气体保护焊焊接的副箱输出轴进行了探伤，成像效果满意。实践证明，超声波探伤机既能用于电子束焊接头的自动化探伤，也能用于CO2焊接头的探伤。能用多种方式对焊接接头缺陷分布进行图像分析，并存档管理探伤数据，便于焊接质量问题的跟踪和回溯。探伤机的各项性能完全符合预期，为副箱输出轴的超声波探伤提供了有力手段。

[1]北京市技术交流站.超声波探伤原理及其应用[M].北京:机械工业出版社，1982.

[2]李 靖，马羽宽，蔡清福，等.超声波探伤法[M].广州:广东科技出版社，1981.

[3]《超声波探伤》编写组.超声波探伤[M].北京:水利电力出版社，1985.

[4]向世明.OpenGL编程与实例[M].北京：电子工业出版社，1999.