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        某型車用齒輪電子束焊縫相控陣超聲自動化檢測系統(tǒng)的設(shè)計

        2023-03-11 07:46:28陳秀明李雁南吳佐端蔡慶生
        無損檢測 2023年1期
        關(guān)鍵詞:電子束車用相控陣

        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。

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