張凌，張愛(ài)武，馬文超，于永生，何玉強(qiáng)，孔祥權(quán)

(1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林市132011；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州511458)

0 前言

吉林省維爾特隧道裝備有限公司生產(chǎn)的19吋滾刀刀座，外刀座材質(zhì)為Q345D，內(nèi)刀座材質(zhì)為42CrMo，屬于異種鋼焊接范疇。焊縫質(zhì)量直接影響刀座使用的安全性，因此必須進(jìn)行100%超聲波探傷。傳統(tǒng)的刀座焊縫探傷采用接觸法手工超聲檢測(cè)，其檢測(cè)過(guò)程受人為因素影響較大，探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低。單片刀座兩條焊縫采用單探頭雙面探測(cè)大約需要4 小時(shí)，而且經(jīng)常無(wú)法準(zhǔn)確控制探頭移動(dòng)速度，工藝要求探頭與工件接觸時(shí)，在探頭上應(yīng)施加20～30 N的壓力,手工操作因人而異，施加力的大小往往取決于個(gè)人的習(xí)慣，無(wú)法保證探測(cè)過(guò)程中施力大小一致，探測(cè)面不能保證達(dá)到100%，極易出現(xiàn)漏檢的情況，而且刀座本身重量達(dá)幾百斤，雙面檢測(cè)需要人工用吊車翻面，存在嚴(yán)重的不安全因素。

1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及示意圖

為克服上述種種問(wèn)題，經(jīng)過(guò)公司科研人員的共同努力，研制出一種掘進(jìn)機(jī)刀座數(shù)控?zé)o損檢測(cè)裝置，該裝置將刀座安裝在數(shù)控加工中心工作臺(tái)上，超聲波探傷儀探頭裝夾在夾具上，探頭安裝在一個(gè)萬(wàn)向測(cè)桿上。工作時(shí)探頭不動(dòng)，通過(guò)加工中心在X軸和Z軸方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保持探頭相對(duì)于入射面的角度和距離不變，實(shí)現(xiàn)刀座的自動(dòng)化數(shù)控?zé)o損探傷檢測(cè)。該裝置詳見圖1。

圖1 檢測(cè)裝置示意圖

2 檢測(cè)裝置的操作原理

2.1 實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)加工與自動(dòng)超聲波探傷的一體化

掘進(jìn)機(jī)滾刀刀座的數(shù)控自動(dòng)化超聲波探傷裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)刀座的數(shù)控編程銑加工與數(shù)控自動(dòng)化超聲波探傷檢測(cè)連續(xù)完成。整個(gè)加工-檢測(cè)過(guò)程只需要在數(shù)控編程插補(bǔ)銑之前進(jìn)行一次對(duì)刀找正操作，即可確保加工-檢測(cè)的基準(zhǔn)零點(diǎn)和定位坐標(biāo)系統(tǒng)一； 在數(shù)控插補(bǔ)銑加工完成后，只需要人工操作將銑刀更換為“超聲波檢測(cè)探頭總成”，同時(shí)更換檢測(cè)專用的數(shù)控程序，即可快速完成對(duì)零，將設(shè)備從“機(jī)加工模式”切換至“自動(dòng)探傷模式”。

超聲波探傷前，在同一臺(tái)加工中心上，使用特定規(guī)格的銑刀與定制的專用數(shù)控程序，對(duì)待探傷焊縫及毗連母材區(qū)域進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)銑，得到滿足圖紙尺寸和自動(dòng)化超聲波探傷要求的、平整而光滑的表面，為下一步實(shí)施自動(dòng)化超聲波檢驗(yàn)時(shí)保證探頭接觸壓力持續(xù)平穩(wěn)和界面良好耦合提供必要的條件。該工序本身為刀箱焊后加工及檢測(cè)作業(yè)的一個(gè)固有環(huán)節(jié)，將該工序與隨后的超聲波無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)合起來(lái)連續(xù)實(shí)施，能夠顯著減少中間過(guò)程流轉(zhuǎn)等待時(shí)間。

“超聲波檢測(cè)探頭總成” 是由一個(gè)固定于機(jī)床裝刀主軸上的夾具基座、一支萬(wàn)向測(cè)桿、一枚連接數(shù)據(jù)線的超聲波探傷儀探頭組成。一套探頭總成能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波檢測(cè)探頭的工作端面平行于待檢測(cè)面，保證在主軸上固定夾持的穩(wěn)定性和不超過(guò)0.5mm的空間綜合定位精度（調(diào)整并通過(guò)夾具基座鎖定后），且探頭工作端面的中心點(diǎn)與上一步完成插補(bǔ)銑加工所用對(duì)應(yīng)銑刀中心點(diǎn)之間的空間相對(duì)位置關(guān)系為恒定值，通過(guò)測(cè)試對(duì)刀、標(biāo)定出這一相對(duì)穩(wěn)定的空間位置關(guān)系（X/Y/Z坐標(biāo)差值），即可保證在數(shù)控插補(bǔ)銑加工完成、人工操作將銑刀更換為“超聲波檢測(cè)探頭總成”后，通過(guò)程序內(nèi)置的上述補(bǔ)償坐標(biāo)差值，即可快速完成超聲波檢測(cè)探頭端部的粗對(duì)零，減少檢測(cè)程序設(shè)定零點(diǎn)的操作時(shí)間，提高了連續(xù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化程度和效率。

先開啟超聲波探傷儀電源，設(shè)定初始參數(shù)、校準(zhǔn)儀器、聲速、前沿長(zhǎng)度和K 值參數(shù)，從儀器內(nèi)存中調(diào)取預(yù)設(shè)定好的探傷工藝數(shù)據(jù)，然后在執(zhí)行檢測(cè)專用數(shù)控程序開始空間插補(bǔ)路徑檢測(cè)之前，先手動(dòng)對(duì)探頭位置進(jìn)行精對(duì)零校準(zhǔn)，隨后即可開始執(zhí)行檢測(cè)程序，按程序設(shè)定的路徑自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)探傷檢測(cè)。

2.2 超聲波檢驗(yàn)探頭上集成有接觸壓力傳感器，直接顯示壓力數(shù)值

超聲波檢驗(yàn)探頭上集成有接觸壓力傳感器，該傳感器采用市面上常見的、基于壓敏電阻和信號(hào)電路原理的精密級(jí)數(shù)字壓力傳感器，能夠在超聲波檢測(cè)探頭開始與檢驗(yàn)表面接觸時(shí)即自動(dòng)檢測(cè)界面接觸壓力并直接顯示壓力值。

按探頭與檢驗(yàn)面的一般接觸耦合要求，壓力值在20～30 N范圍是較為理想的狀態(tài)。在實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，壓力值僅作為一個(gè)輔助快速調(diào)節(jié)的參考變量，精對(duì)零狀態(tài)的最終判斷依據(jù)為超聲波探傷儀的回波顯示效果，由無(wú)損檢驗(yàn)專業(yè)人員校準(zhǔn)。

2.3 創(chuàng)造了適用于自動(dòng)化連續(xù)操作的“標(biāo)準(zhǔn)固定程序全面通掃+調(diào)用子程序局部精掃”結(jié)合的高效率工作模式

通過(guò)與相關(guān)方合作，運(yùn)用商業(yè)化的成熟技術(shù)，對(duì)全數(shù)字式超聲波探傷儀進(jìn)行二次開發(fā)，將探傷儀檢測(cè)到的波形信號(hào)以數(shù)據(jù)形式經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議及串口方式調(diào)制輸出至PC終端，原始連續(xù)波形信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波及合并算法等處理，形成與探頭檢測(cè)位置坐標(biāo)映射對(duì)應(yīng)的完整連續(xù)波形，做一次全面掃描（以下稱“通掃”）即可獲知目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部各種缺陷所在的最大缺陷波位置及深度，最大缺陷波信號(hào)顯示的位置信息在工件坐標(biāo)系中以三維坐標(biāo)形式顯示?！巴⊕摺边^(guò)程目的是快速識(shí)別缺陷的大致所在位置，但難以確定缺陷的準(zhǔn)確信息。對(duì)缺陷的精確定位和性質(zhì)判別，則在下一步依靠專門設(shè)置的子程序“精掃”環(huán)節(jié)完成。通過(guò)“通掃+精掃”的結(jié)合，使超聲波探傷過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、程序化，提高了效率和準(zhǔn)確性、降低人為失誤概率。

3 檢測(cè)裝置的操作步驟（參閱圖1）

（1）開啟立式加工中心1，在主軸12上安裝銑刀，對(duì)刀座8進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)零，完成對(duì)零的坐標(biāo)系即為加工-檢測(cè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系基準(zhǔn)；調(diào)用加工中心存儲(chǔ)中的數(shù)控銑削加工焊縫13 專用數(shù)控程序，對(duì)刀座8進(jìn)行焊縫區(qū)域13的數(shù)控銑加工（屬于常規(guī)機(jī)加工）。

（2）加工完畢，將銑刀從機(jī)床主軸12上拆下，然后將超聲波檢測(cè)探頭總成9與萬(wàn)向測(cè)桿3、夾具基座10組裝為一體，再通過(guò)夾具基座10固定到機(jī)床主軸12上；通過(guò)預(yù)先標(biāo)定刻線等方式，確保每次安裝超聲波檢測(cè)探頭總成9+萬(wàn)向測(cè)桿3+夾具基座10之后，探頭端面中心點(diǎn)的空間定位精度和重復(fù)定位誤差不超過(guò)0.5 mm。

（3）通過(guò)加工中心顯示屏11，將程序坐標(biāo)系零點(diǎn)從加工程序零點(diǎn)切換為檢測(cè)程序的零點(diǎn)；啟動(dòng)立式加工中心1，將超聲波檢測(cè)探頭9移動(dòng)到零點(diǎn)，觀察其位置是否準(zhǔn)確。如有偏差，人工介入檢查校正。

（4）開啟超聲波探傷儀4電源，設(shè)置儀器初始參數(shù)、聲速及前沿長(zhǎng)度、K值等參數(shù)，然后進(jìn)行對(duì)零：調(diào)取加工中心系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存儲(chǔ)好的“通掃”數(shù)控程序，以手輪控制步進(jìn)方式試運(yùn)行，觀察在“通掃”程序控制下，超聲波檢測(cè)探頭總成9與目標(biāo)焊縫13的表面相接觸的接觸壓力是否滿足20～30 N的理想范圍，同時(shí)操作人員注意超聲波探傷儀4顯示的底波波形，判斷接觸耦合情況是否滿足要求。在對(duì)零步驟中，根據(jù)需要對(duì)焊縫13表面涂刷耦合劑（機(jī)油等）。

（5）確認(rèn)對(duì)零狀況滿足探傷要求后，開始實(shí)施對(duì)目標(biāo)焊縫13區(qū)域的“通掃”程序。在“通掃”過(guò)程中，探頭9掃查獲取的信號(hào)，通過(guò)與超聲波探傷儀4聯(lián)接的通用串口輸入PC終端，經(jīng)過(guò)調(diào)制處理形成連續(xù)的波形曲線，該波形曲線與探頭9掃查的路徑各點(diǎn)坐標(biāo)形成一對(duì)一的映射記錄關(guān)系，通過(guò)二次開發(fā)的軟件處理，得到“通掃”波形曲線報(bào)告。在該報(bào)告中，能夠初步判斷出存在缺陷的疑似嫌疑點(diǎn)坐標(biāo)，但由于“通掃”程序驅(qū)動(dòng)掃查動(dòng)作的特點(diǎn)，缺陷所在坐標(biāo)的定位精度和深度信息判定并不準(zhǔn)確，只能實(shí)現(xiàn)較粗略的位置示蹤標(biāo)定，但這已經(jīng)達(dá)到了自動(dòng)化實(shí)施“通掃”的既定目標(biāo)。檢驗(yàn)人員對(duì)“通掃”報(bào)告進(jìn)行判讀，篩選出所有波形信號(hào)幅度超出標(biāo)定閾值的坐標(biāo)，其數(shù)量記為N個(gè)，這N個(gè)坐標(biāo)將作為下一步執(zhí)行自動(dòng)化“精掃”前的程序裝訂依據(jù)。

（6）根據(jù)“通掃”波形曲線報(bào)告篩選出的N個(gè)存在缺陷的嫌疑點(diǎn)的坐標(biāo)值，操作人員調(diào)取出加工中心1系統(tǒng)存儲(chǔ)中預(yù)存的“精掃”主程序，在線修改該主程序，將N個(gè)上述坐標(biāo)依次裝訂到主程序語(yǔ)句里對(duì)應(yīng)位置中，并保存修改。完整的“精掃”程序由一段主程序和反復(fù)多次調(diào)用的子程序組成，二者均要預(yù)存于加工中心系統(tǒng)存儲(chǔ)器里，“精掃”子程序?yàn)楣潭ǜ袷絻?nèi)容，與每次變化的缺陷嫌疑點(diǎn)坐標(biāo)完全無(wú)關(guān)，因此子程序不需要修改。對(duì)于每個(gè)被檢焊縫，只需對(duì)“精掃”主程序在線裝訂好與之相應(yīng)的N個(gè)缺陷嫌疑點(diǎn)坐標(biāo)，就能夠?qū)崿F(xiàn)“精掃”子程序在N個(gè)缺陷嫌疑點(diǎn)位置周圍的精確定點(diǎn)細(xì)致掃查，從而使原本需要人工進(jìn)行的超聲波探傷精細(xì)掃查缺陷動(dòng)作得到了最大程度的自動(dòng)化改進(jìn)。

（7）開始執(zhí)行“精掃”程序，當(dāng)主程序語(yǔ)句執(zhí)行至含有某個(gè)缺陷嫌疑點(diǎn)坐標(biāo)的語(yǔ)句行，子程序就被該對(duì)應(yīng)語(yǔ)句調(diào)用、激活，開始按子程序所定義的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句進(jìn)行該嫌疑點(diǎn)周圍區(qū)域的往復(fù)細(xì)致掃查動(dòng)作，同時(shí)超聲波探傷儀4記錄下對(duì)應(yīng)的詳細(xì)波形信號(hào)。由于掃查速度慢、動(dòng)作精細(xì)，該信號(hào)相比“通掃”的波形信號(hào)更為精確，能夠準(zhǔn)確判斷疑似缺陷的真實(shí)位置信息和深度信息。在完成該焊縫所有N個(gè)缺陷嫌疑點(diǎn)坐標(biāo)的局部“精掃”動(dòng)作后，“精掃”主程序結(jié)束，與探傷儀4聯(lián)接的PC 端自動(dòng)生成報(bào)告。

（8）以同樣的方式，完成被檢刀座8 全部焊縫的自動(dòng)化“通掃”與“精掃”程序，從而完成一個(gè)刀座的所有焊縫的完整探傷。

4 結(jié)語(yǔ)

該方法采用自動(dòng)化檢測(cè)裝置，節(jié)約了人力成本，避免了因人工翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的不安全因素，檢測(cè)時(shí)間由原來(lái)的4 小時(shí)，降低為0.5 小時(shí)，檢測(cè)效率達(dá)原來(lái)的8 倍以上，檢測(cè)面積覆蓋率100%，且采用壓力傳感器保證了探測(cè)過(guò)程中施力大小一致，提高了檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度，對(duì)于缺陷的檢出起到了至關(guān)重要的作用。