齿轮环焊缝超声检测系统的研制与应用

汽车变速箱齿轮是汽车的关键零部件。目前大都采用焊接加工工艺。齿轮焊接质量直接关系到变速箱质量,影响到整车的安全性。齿轮的焊接强度和焊缝的熔深以及焊缝区域内有无气孔缺陷密切相关。所以,精确评定齿轮焊缝的熔深和焊缝区域气孔缺陷多少成为保证齿轮焊接质量的关键。

目前,较好的评价方法是采用高频、宽带、窄脉冲超声波检测[1]。利用超声波在基体与焊缝的界面上发生反射和透过的原理进行焊缝区域气孔缺陷和熔深的检测。笔者根据超声波检测原理,研制出齿轮环焊缝超声C扫描检测系统,并进行了实验室和现场验证。

1　检测机理

    齿轮环焊缝超声波检测的机理如图1所示,图中A,B分别代表了齿轮内孔、焊缝及与之相对应的回波信号。

    环焊缝区域检测是基于超声波脉冲反射原理。当探头发射的超声波脉冲经水耦合进入齿轮内圈材料达到焊缝区域时,若未熔合,则分界面将脉冲反射回探头;焊缝区域熔合好,则分界面消失,超声脉冲将透过焊接面。通过精确定位分界面处超声脉冲反射闸门位置,查看闸门内有无反射回波,便可确定焊缝区域焊接质量。

    为了直观显示环焊缝区域质量,采用C扫描显示方式。齿轮周向旋转,同时超声探头轴向移动。齿轮每旋转一周,探头上升0.125 mm,当探头上升到已设定的行程,检测面即以螺旋扫查轨迹覆盖了整个焊缝区域。结果形成一幅展开的C扫描图形,以不同颜色展示焊接面的焊接质量情况。通过计算机对检测结果进行分析计算,可得到最大熔深,最小熔深,最大单个缺陷,累计缺陷角度及平均熔深等数据,再按相关判据对检测结果进行评定,自动评价被检测件是否合格。

2　超声波探头设计

    超声波探头是齿轮环焊缝检测的关键元件。由于实际变速箱齿轮内径壁至外齿轮接触面距离从3~20 mm变化。因此,探头设计时必须考虑采用纵波检测环焊缝时晶片的选择和透镜的制作。

2.1　晶片选择

    根据齿轮环焊缝的实际情况,超声波探头设计成窄脉冲,线聚焦水浸探头。采用纵波探伤,内壁厚最小为3 mm,已知钢中纵波声速为5.92 mm/μs,传播时间。假定界面波周期为3~4个,若选用晶片频率为5 MHz,则一个波周期是0.2μs,4个波的占用时间是0.2×4=0.8μs,接近1.014μs,焊接面反射信号容易被界面波信号湮没。若选用晶片频率为10 HMz,则1个波周期是0.1μs,4个波的时间是0.1×4=0.4μs ,远小于1.014μs,焊接面反射信号不容易被界面波信号湮没。为保证3 mm壁厚状况下焊接面反射信号不被界面波信号淹没,晶片选择频率为10 MHz,直径为8 mm。选用PT压电陶瓷晶片,其厚度模机电耦合系数Kt=0.42;径向机电耦合系数Kp=0.07。