尹 璐，陳秀明，鄧 宇，李雁南，吳佐端，蔡慶生

(廣州多浦樂電子科技股份有限公司，廣州 510663)

汽車變速箱齒輪是汽車傳動過程中的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到汽車行駛安全。目前車用變速箱齒輪焊接主要采用電子束焊、激光焊等兩種焊接方式，文章針對采用電子束焊的某型號車用變速箱齒輪焊縫檢測進(jìn)行了研究。由于電子束焊焊接工藝問題、焊工操作問題或焊機設(shè)備問題等客觀因素，焊縫不可避免地會產(chǎn)生各種各樣的制造缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣或未焊透等。為了保證行車安全，我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 982-2014 《汽車變速器齒輪激光焊接和電子束焊接技術(shù)規(guī)范》 要求變速箱齒輪在出廠前需進(jìn)行嚴(yán)格的焊縫質(zhì)量檢測[1]。

1 變速箱齒輪電子束焊縫檢測現(xiàn)狀

圖1為某型車用變速箱齒輪實物照片，圖中兩條紅色橢圓線之間的區(qū)域即為該齒輪的電子束焊縫位置。目前，一般采用目視檢測或者使用測量工具等對變速箱齒輪電子束焊縫進(jìn)行檢測，這些方法僅能將帶有表面缺陷的少量不合格產(chǎn)品篩選出來，且長期大量目視檢測會使品控工人視覺疲勞，容易出現(xiàn)漏檢。

圖1 某型車用變速箱齒輪實物照片

針對內(nèi)部的氣孔、夾渣、未融合、未焊透等焊接缺陷，部分生產(chǎn)廠采取抽樣方式進(jìn)行破壞性解剖，通過觀察解剖樣品的合格情況，來確定該批次樣品是否合格，該方式無法有效保障產(chǎn)品質(zhì)量。還有部分廠商采取常規(guī)超聲檢測技術(shù)，通過單晶片探頭旋轉(zhuǎn)一周完成環(huán)焊縫的檢測[2-3]。該技術(shù)一定程度上解決了內(nèi)部缺陷檢測問題，但仍存在以下不足：① 單晶片的探頭檢測角度單一，覆蓋率無法保證，且齒輪焊縫檢測位置有限，無法依靠探頭移動來提高覆蓋率；② 超聲對缺陷走向較敏感，單一角度檢測難免會造成漏檢；③ 傳統(tǒng)的A型超聲檢測是波形顯示，顯示不直觀，非專業(yè)人員難于識別。

針對以上問題，開發(fā)了一套汽車齒輪焊縫自動化檢測系統(tǒng)，采用相控陣超聲技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多角度聲束檢測，大大提高了覆蓋率。系統(tǒng)配備了相控陣板卡，可實現(xiàn)缺陷圖像實時顯示；采用了短前沿、自聚焦探頭進(jìn)行檢測，較好地解決了齒輪焊縫焊板厚度薄、放置位置有限等問題。

2 相控陣超聲無損檢測技術(shù)介紹

近年來，相控陣超聲技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能而受到人們的重視，加之壓電復(fù)合材料、納秒級脈沖信號控制處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等高新技術(shù)在相控陣超聲成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用，該技術(shù)得以快速發(fā)展，并越來越多地應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。與常規(guī)超聲檢測相比，相控陣超聲檢測技術(shù)在該種齒輪焊縫檢測上具有非常大的優(yōu)勢，如：① 使用多個晶片對聲束進(jìn)行聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃查[4]，通過電子掃描單次就可對齒輪電子束焊縫的整個焊縫區(qū)域進(jìn)行多角度大面積覆蓋；② 可連續(xù)記錄和保存全過程檢測信號[5]，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的長年數(shù)字化存儲，保證每一個編號齒輪的數(shù)據(jù)都可追溯，而常規(guī)超聲無法準(zhǔn)確記錄檢測信號；③ A掃描信號可轉(zhuǎn)化為B，S，C掃描彩色圖像，缺陷信息直觀，可識別性好，可對焊縫缺陷信息進(jìn)行智能化快速自動判別；⑤ 通過高精度算法軟件可高精度控制激勵探頭各個陣元的延時時間，將超聲波聲束有效聚焦在指定焊縫區(qū)域，提高焊縫區(qū)域的檢測靈敏度、缺陷分辨率和信噪比。

3 檢測工藝設(shè)計

由于焊縫外圍齒輪盤上可用于擺放探頭的實際檢測位置十分有限，且部分批次產(chǎn)品焊縫余高未去除，故探頭需要做得很??；另一方面齒輪盤板厚很薄，僅為2.4 mm，故為了保證相控陣探頭具有更好的薄壁聚焦能力和大角度聲束偏轉(zhuǎn)能力，選用了多浦樂16晶片自聚焦相控陣探頭(見圖2，3)，并專門設(shè)計了短前沿大角度專用楔塊。當(dāng)探頭頻率較小時，不利于小缺陷檢測；探頭頻率較大時，聲束指向性好分辨率高[6]，但頻率過大聲束衰減會很嚴(yán)重。綜合考慮各因素，經(jīng)試驗對比，頻率確定為7.5 MHz。

圖2 自聚焦線陣探頭及短前沿楔塊

圖3 自聚焦線陣探頭晶片陣列形式

進(jìn)一步分析該齒輪焊縫斷面結(jié)構(gòu)，探頭下方齒輪盤板厚很薄(最薄處僅2.4 mm)，宜使用較大角度超聲波束進(jìn)行檢測，但當(dāng)波束角度大于75°時，橫波對應(yīng)的有效激活孔徑很小，聲波能量較弱，且隨著角度的增大，橫波能量逐漸轉(zhuǎn)化為表面波，不宜使用。該齒輪焊縫下底面存在變厚度過渡區(qū)，通過聲束覆蓋模擬仿真(結(jié)果見圖4)可見,當(dāng)設(shè)置40°～75°范圍的扇掃時，1次波僅能檢測到焊縫根部很小的區(qū)域，2次波可覆蓋焊縫中間段大部分區(qū)域，該焊縫必須增加使用3～4次波輔助檢測才能實現(xiàn)全覆蓋。經(jīng)過工藝仿真以及前期試驗驗證，最終確定該焊縫的檢測工藝方案為采用40°～75°范圍的扇形掃查，同時監(jiān)控14次回波信號。實際檢測時探頭的擺放位置如圖5所示。

圖4 齒輪電子束焊縫聲束覆蓋仿真結(jié)果

圖5 實際檢測時的探頭擺放位置

4 系統(tǒng)軟件優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場高效率、智能化的檢測需求，對包含固有結(jié)構(gòu)回波信號等復(fù)雜圖像信號的相控陣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速自動化判讀是檢測人員面臨的重點問題。單純沿用傳統(tǒng)的直線深度閘門或是曲線聲程閘門獲取的檢測數(shù)據(jù)來進(jìn)行缺陷自動判讀均無法有效避免非缺陷信號的干擾。

經(jīng)過深入研究，在相控陣S掃描視圖中采用了矩形框選雙閘門設(shè)計，根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、位置以及多次波缺陷報警幅度的差異，共用A、B雙閘門，使用不同的報警幅度，框選焊縫的不同區(qū)域，有效避開了其他非缺陷固有結(jié)構(gòu)信號。齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測界面如圖6，7所示，圖中紅色矩形虛線框為A閘門，綠色矩形虛線框為B閘門。檢測時，2次波覆蓋了焊縫中心的絕大部分區(qū)域，波幅相對較高，1次波覆蓋了焊縫根部區(qū)域，選用閘門B作為主要閘門監(jiān)控2次波和1次波。由于焊縫底面存在變厚度過渡區(qū)，3次、4次波反射位置多樣，經(jīng)多次反射后聲路走向復(fù)雜，波幅相對較弱，故選用閘門A作為輔助閘門監(jiān)控3次波和4次波。圖7 中B閘門內(nèi)為2次波檢測到的較大缺陷信號，A閘門內(nèi)為該缺陷的3,4次波檢測到的信號。由此，只要框選閘門中出現(xiàn)超標(biāo)反射信號，便可告知系統(tǒng)自動將問題齒輪工件分選至不良品區(qū)，反之將工件歸入合格品區(qū)。

圖6 齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測界面(閘門外存在干擾信號)

圖7 齒輪電子束焊縫相控陣超聲檢測界面(閘門內(nèi)出現(xiàn)缺陷信號)

5 自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計

該齒輪焊縫相控陣超聲檢測系統(tǒng)由相控陣超聲檢測板卡、探頭、工控機、檢測工作臺、觸控操作屏、控制柜等部分組成,檢測系統(tǒng)3D結(jié)核如圖8所示。檢測系統(tǒng)工作臺如圖9所示。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮到汽車零配件企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏快、日產(chǎn)量高等特點，選用高等級零部件以保證設(shè)備能長期連續(xù)穩(wěn)定運行；采用全傻瓜式操作設(shè)計，操作員只需將齒輪工件放入指定檢測工位，撥動開關(guān)，儀器便開始進(jìn)入全自動檢測程序，30 s即可自動完成一個齒輪焊縫的相控陣超聲全記錄成像檢測、焊縫缺陷自動分析識別、不良品工件自動剔除分選等全流程操作，大大簡化了車用零部件企業(yè)的人力物力，嚴(yán)格把控了車用齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖8 齒輪焊縫檢測系統(tǒng)3D結(jié)構(gòu)示意

圖9 檢測工作臺照片

檢測完成后，合格品將滑入合格品槽中，不合格品將滑入不合格品槽中。根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)及焊接工藝分析需要，不合格品可以手動復(fù)檢，精準(zhǔn)標(biāo)出缺陷位置后進(jìn)行破壞性驗證，以便優(yōu)化后續(xù)焊接技術(shù)工藝，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

6 現(xiàn)場驗證及典型檢測圖譜分析

由于該焊縫板厚僅為2.4 mm,現(xiàn)有相控陣超聲及常規(guī)超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)都不適用。經(jīng)與客戶商議，將“缺陷信號波幅達(dá)到或超出0.3 mm×3 mm(直徑×長度)短橫孔反射波幅的產(chǎn)品視為NG品(即不合格品)，波幅低于該短橫孔波幅的產(chǎn)品視為合格品”作為產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)。

在廣東某汽車配件生產(chǎn)廠，針對9 500個常態(tài)化生產(chǎn)的該型號車用齒輪進(jìn)行檢測，目視檢測發(fā)現(xiàn)疑似有焊縫缺陷的齒輪12個，相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)疑似有焊縫缺陷的齒輪158個(目視檢測疑似有焊縫缺陷的齒輪均被該系統(tǒng)自動識別出)。

現(xiàn)選取部分合格工件及不良品工件的典型檢測圖譜進(jìn)行分析，并借助切割解剖、射線檢測、滲透檢測等方法進(jìn)行二次對比驗證。

典型合格工件的相控陣超聲檢測圖譜如圖10所示，可見整個C掃描圖像呈現(xiàn)淡藍(lán)色，并無紅色缺陷信號出現(xiàn)。

圖10 典型合格工件的相控陣超聲檢測圖譜

不良品工件1的相控陣超聲檢測圖譜如圖11所示，可見圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色條形缺陷圖像，經(jīng)軟件測量缺陷指示長度約為42 mm。對其進(jìn)行切割解剖后，可見明顯孔洞(見圖12)，經(jīng)穿入鋼絲驗證為環(huán)狀條形缺陷，實測長度與相控陣檢測數(shù)據(jù)基本相符。

圖11 不良品工件1的相控陣超聲檢測圖譜

圖12 不良品工件1的切割解剖結(jié)果(可見孔洞)

不良品工件2的相控陣超聲檢測圖譜如圖13所示，可見圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色條形缺陷圖像，經(jīng)軟件測量缺陷指示長度約為17 mm。

圖13 不良品工件2的相控陣超聲檢測圖譜

對不良品工件2采用數(shù)字射線(DR)拍片進(jìn)行二次驗證，可見明顯環(huán)狀條形缺陷(見圖14)，DR測得的缺陷長度與相控陣檢測數(shù)據(jù)基本相符。該齒輪焊縫結(jié)構(gòu)特殊，焊縫位置被相對很厚的齒輪擋住，如果采用射線檢測，必須先對齒輪進(jìn)行銑削加工，故實際上使用射線技術(shù)對該類齒輪進(jìn)行焊縫檢測根本不可行。

圖14 不良品工件2的DR影像

不良品工件3的相控陣超聲檢測圖譜如圖15所示，可見圖譜下方C掃描視圖中出現(xiàn)明顯的紅色點狀缺陷圖像。

圖15 不良品工件3的相控陣超聲檢測圖譜

對不良品工件進(jìn)行了DR射線檢測驗證，未能發(fā)現(xiàn)缺陷(見圖16)，切割后對其進(jìn)行滲透檢測，同樣未能發(fā)現(xiàn)缺陷(見圖17)。經(jīng)拋光腐蝕后，借助200倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)了裂紋，實測該裂紋長度為0.36 mm(見圖18)。

圖16 不良品工件3的DR影像

圖17 不良品工件3的滲透檢測結(jié)果(未檢出缺陷)

圖18 不良品工件3在200倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)的裂紋

從相控陣系統(tǒng)檢出的158個問題工件中，抽樣選取20%的工件，采用切割解剖、DR檢測、滲透檢測等方法進(jìn)行二次驗證，均能發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的存在，證明了相控陣超聲技術(shù)在該型號車用齒輪焊縫檢測上的實用性和準(zhǔn)確性，與常規(guī)目視檢測方法相比，可靠性大幅提升。對相控陣系統(tǒng)檢出的問題工件進(jìn)行破壞性解剖，發(fā)現(xiàn)存在環(huán)狀條形缺陷(見圖19)。

圖19 破壞性解剖發(fā)現(xiàn)的環(huán)狀條形缺陷照片

7 結(jié)語

(1) 開發(fā)了一套車用齒輪焊縫自動化檢測系統(tǒng)，可較好地實現(xiàn)對車用變速箱齒輪電子束焊縫區(qū)域的全覆蓋相控陣超聲檢測。

(2) 該系統(tǒng)30 s內(nèi)即可自動完成一個齒輪焊縫的相控陣超聲全記錄成像檢測、焊縫缺陷自動分析識別、缺陷工件自動剔除分選等全流程操作，結(jié)合射線檢測、滲透檢測以及破壞性解剖等方法進(jìn)行二次驗證，證明了這套系統(tǒng)在該型號車用齒輪電子束焊縫檢測上的實用性和準(zhǔn)確性。