铜与不锈钢钎焊水接头的超声波自动检测系统

王学权　任俊波　柴玉琨　刘彦明

【摘 要】本文讲述了铜与不锈钢异种金属钎焊水接头的检测原理，自动超声水浸检测系统设计，及检测系统各部件结构特点，并将超声检测结果与金相解剖图片进行对比。实验表明该方法是可行的，本系统已经用于实际工程检测。

【关键词】超声检测；水接头；超声水浸法

0 引言

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头，是三峡水轮发电机定子线圈的重要部件，其质量对于三峡电站的安全关系重大。铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头，主要由水接头支撑、衬管、水盒以及焊接钎料构成。为了保证产品的焊接质量，采用预置钎料环（片）真空钎焊进行焊接工艺试验，焊后进行超声检测使之满足水接头技术条件要求。

铜与不锈钢异种金属真空钎焊水接头的钎焊，属于异种金属的连接，其结构紧凑，外形尺寸不规则并带有螺纹结构，技术条件要求100%扫查，给水接头的钎焊质量检测工作带来很大的困难。必须从水接头工件内部进行检测，而内部空间非常狭小，这就对探头的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了特殊的要求：需要小直径、小晶片、小焦距；要求能发现小当量缺陷，因而具有高检测灵敏度高，即需要高频率点聚焦探头；而铜对超声波的衰减较大，要求必须使用低频率探头，如何解决这一矛盾，对超声检测技术提出了很高的要求，目前国内还无相关检测技术的报道。

1 检测原理

采用水浸超声脉冲反射法进行检测，利用单晶探头发射、接受脉冲。超声波从水接头内表面垂直入射到水接头中，在水-水接头内表面产生界面波，穿过水接头入射到水中时，又产生底面回波[1]。当材料内部有反射体时，超声波将从该处反射回来，在界面波和底面回波之间显示出来。

根据缺陷反射回波声压的高低及回波位置来确定反射体的性质、大小及位置，但实际上由于缺陷性质、表面状况、几何形状以及声束相对方向等诸多复杂因素的影响，目前的通用探伤方法尚无法测定缺陷的真实大小，因此，常用“当量尺寸”表示缺陷大小，相同探测条件下，如果缺陷反射回波声压与某种人工反射体的回波声压相同，即两者的反射波高相等时，则规则反射体的尺寸即为缺陷的当量尺寸。

2 检测装置简述

为了实现检测课题组成功设计加工了超声波自动检测系统，该检测系统由单晶水浸聚焦探头、专用对比试块、水接头专用检测软件系统、水接头专用自动检测装置组成[2]。其中水接头专用自动检测装置包括两个传动以及带动它们的电机、控制电机的电机驱动器、探头调角器、超声波探伤仪、电机驱动卡、工控机、采集系统组成。

3 单晶水浸聚焦探头

由于水接头外型复杂，上端为一方型平台，下面为圆形，并带有螺纹（如图1所示），无法从水接头外部实施超声检测，故采用从水接头内部实施超声检测，而内部的空间又非常狭小，这就对探头的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了要求。为此专门发明了专用单晶水晶聚焦探头，其外径不到φ10mm。

该探头优点在于结构小巧、灵敏度高、便于实现自动化。

4 专用对比试块

检测用对比试块采用了焊接的实际水接头制作而成，人工缺陷包括平底孔2个，矩形槽一个，深度为外径到焊缝位置的深度，示意图见图3。

本试块用于标定系统灵敏度，使系统能够满足水接头技术条件要求。

5 水接头专用自动检测装置结构

水接头专用自动检测装置主要包括探头调角器、传动装置、采集系统、超声波探伤仪、电机驱动器及工控机一台，结构示意图见图2。探头调角器（结构示意图见图3）包括3个调节选钮，2个支撑杆，一个探头夹具。调节旋钮8，9，可以实现探头夹具11在水平面内前后和左右移动，调节旋钮10可以实现探头在水平面内旋转，整个调角器通过水平杆13安装于传动，在电机带动下，实现上下运动；传动采用二维传动，垂直传动带动探头调角器进行上下运动，圆盘传动水接头做圆周运动；采集系统包括模数转换卡及配套接线和子卡，其功能为采集超声波探伤仪的检测结果信号转换成数字信号传给工控机；电机驱动器部分包括电机控制卡一张、电机驱动二个，水接头专用检测软件通过给电机控制卡信号以控制传动的运转，实现传动的精确控制。本自动检测装置自动化程度高、传动精度高。

6 水接頭专用检测软件系统

为了实现自动数据采集、数据处理以及结果输出存储，本检测小组编制了水接头专用检测软件。整套软件使用Visual C++6.0编写主要包括系统初始化、传动控制、数据采集分析、数据管理、结果保存等模块[3]。系统初始化模块主要包括采集系统、电机驱动系统初始化、各传动轴位置复位、初始化参数保存、待件工件的编号、长、宽等参数的读取；传动控制模块主要包括驱动系统控制（带正、反向控制）、原点及行程极限检测、传动速度控制；数据采集分析模块主要包括数据采集、异常数据分析剔除、数据分析；数据管理模块主要包括检测数据存储、查询、维护功能，记录原始检测数据和坐标位置，也可单独提供原始数据，以便使用其它软件进行二次开发统计；结果保存模块包括检测结果的保存、对报表进行后台打印。

（8—水平面X方向调节旋钮；9—水平面Y方向调节旋钮；10—水平面上旋转调节旋钮；11—探头夹具；12—调角器垂直杆；13—调角器水平杆）

图3 三维探头调角器示意图

本软件系统具有模块化、人性化、可视化、功能多样化的特点，完全具有现代大型软件的风格；本软件实现过程完全自动化，提供友好的人机接口，快速、准确、直观，能够自动识别缺陷、计算缺陷面积、给出检测结果展开图。

7 检测结果与金相对比

在对大量水接头进行了检测后，进行了金相检测对比试验，下面给出1个有典型缺陷和1个完好的水接头检测结果和进行金相解剖图片。超声检测结果图与金相解剖结果图见图4～图7。

通过对比看出超声检测结果图中代表缺陷的黑点处与金相解剖图中结合面中缺陷位置是对应的，对比结果基本一致。本结果表明使用本检测系统进行水接头焊接结合质量检测，检测结果准确可靠。

8 结论

通过实验证明，本方法是可行的。该自动检测系统能够实现整个检测的自动化，给出检测结果即缺陷数量、缺陷面积和有效缺陷数量、有效缺陷面积并给出直观的缺陷展开图，并能够保存检测结果，满足了三峡水接头批量生产检测需要。该检测系统已经使用于实际工程检测，并完成了一万二千多个水接头的检测任务。

【参考文献】

[1]郑晖，林树青.超声检测，中国劳动社会保障出版社，2008.

[2]美国无损检测协会编，美国无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]Programming Microsoft Visual C++ 6.0 技术开发内幕，北京希望电子出版社.

[责任编辑：朱丽娜]