电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统及方法与流程

本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统及方法。用于冻干机的搁板的无损检测。

背景技术：

搁板是冻干机中的重要的组成部件之一，是一种不锈钢板电弧塞焊密封结构，如图1所示。它主要的作用是对承载冻干物品进行热量交换。而电弧塞焊以其焊接质量高、成本低、易修补的特点被普遍的应用于搁板生产过程。搁板的塞焊采用TIG焊接方法，因此在焊接的过程存在诸多的不稳定性如焊接规范未执行，焊枪角度不正确，焊工操作不熟练，导电嘴因磨损孔径与焊丝不合适，焊丝、焊件及保护气体中含有水分原因，导致未熔合与未焊透等焊接缺陷的产生，而其中根部未熔缺陷会成为一种裂纹的扩展源在长期的热循环的作用下扩展到搁板的表面，导致搁板密封性失效，进而造成其内部导热油的泄漏污染冻干物品，尤其对冻干较昂贵药品的污染，会造成巨大的经济损失。因此能否可靠的检测出裂纹源及裂纹缺陷是保证搁板生产质量以及避免搁板在使用过程中漏液的关键。目前对搁板电弧塞焊接头的检测方法主要有两种，一种是采用双真空检漏技术，即搁板置于冻干室内，搁板内抽真空，搁板外抽真空，利用不断改变两侧的真空度进行对搁扳的检漏。虽然检测效率高，但此方法只能对已经泄露的搁板进行检测。对于未扩展到表面的裂纹源缺陷则无法检测。另一种是运用常规超声无损检测的方法进行检测，由于搁板表面经过刨平处理，因此难以对塞焊焊点的位置进行定位，降低了检测效率，同时由于检测分辨率低，难以准确的分辨裂纹源缺陷，因此会造成一定的误判，从而也增加的返修量。与常规超声相比相控阵超声检测对声束进行电子聚焦与偏转与扫查，电子聚焦可在会出现缺陷的位置处优化声速的形状和大小，提高检出率。同时进行扇形扫查的过程中，可以适当的角度生成被测工件的直观的映射图像。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明对塞焊接头位置自动定位，并进行缺陷自动识别检测，提高检测效率，同时装置结构简单，避免人工检测缺陷的漏检及误检。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统，三维滑移台2固定在探伤台1的上表面，三维滑移台2的水平移动轴为X轴和Y轴，垂直移动轴为Z轴，Y轴移动单元固定在X轴移动单元上，Z轴移动单元固定在Y轴移动单元上，Y轴移动单元沿着X轴移动，Z轴移动单元沿着Y轴与Z轴移动；旋转扫查装置6安装在Z轴移动单元下端，X轴、Y轴、Z轴移动单元上的伺服电机及探头旋转装置6上的伺服电机通过线缆连接到伺服电机驱动器3上，伺服电机驱动器3通过线缆连接到伺服电机运动控制卡4上，伺服电机运动控制卡4插在工控机5的PCI插槽上；相控阵超声探头14的探头激励信号的输入端与相控阵超声检测仪7的探头激励信号输出端连接，相控阵超声检测仪7的超声回波信号数据输出端通过网线与工控机5网口连接。

所述的旋转扫查装置6包括旋转伺服电机9、减速机10、探头水平移动距离标尺11、探头连杆12、探头夹具13及相控阵超声探头14，所述探头夹具13通过探头连杆12与减速机10的转动轴连接，减速机10与旋转伺服电机9连接；相控阵超声探头14安装在探头夹具13中；探头水平移动距离标尺11连接在减速机10的下端，探头水平移动距离标尺11显示值是探头连杆12的张开角度转换为探头楔块下表面中心与减速机10的转动轴轴心的水平距离值，通过调节探头连杆12的角度来确定相控阵超声探头14的扫查位置。

所述的探头连杆12的张开最大角度为55°，探头水平移动距离标尺11的最大值为50mm。

所述的探伤台1加工有凹槽，凹槽内安装有直角限位15，搁板8放入后其两条边分别平行于三维滑移台2的X轴与Y轴；从而保证搁板8的所在坐标系的原点与三维滑移台2的坐标系的原点重合。

所述的相控阵超声探头14是带有斜楔块的线阵相控阵超声探头。

本发明的另一目的在于提供一种电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测方法，包括如下步骤：

步骤（1）、系统连接：将三维滑移台2固定在探伤台1的上表面，三维滑移台2的水平移动轴为X轴和Y轴，垂直移动轴为Z轴，Y轴移动单元固定在X轴移动单元上，Z轴移动单元固定在Y轴移动单元上，Y轴移动单元沿着X轴移动，Z轴移动单元沿着Y轴与Z轴移动；旋转扫查装置6安装在Z轴移动单元下端，X轴、Y轴、Z轴移动单元上的伺服电机及探头旋转装置6上的伺服电机通过线缆连接到伺服电机驱动器3上，伺服电机驱动器3通过线缆连接到伺服电机运动控制卡4上，伺服电机运动控制卡4插在工控机5的PCI插槽上；相控阵超声探头14的探头激励信号的输入端与相控阵超声检测仪7的探头激励信号输出端连接，相控阵超声检测仪7的超声回波信号数据输出端通过网线与工控机5网口连接；

步骤（2）、将搁板8置于探伤台1的凹槽中，搁板8的直角贴紧直角限位15，通过搁板的尺寸，包括长和宽，塞焊孔的孔间距、孔边距、孔径、孔的行数及列数，计算出塞焊点的空间位置坐标，控制三维滑移台2准确的定位到待检测塞焊点的位置；

步骤（3）、相控阵超声探头扫查位置的标定：由于裂纹源缺陷21所出现的位置是搁板上层板18下表面与塞焊接头17的交界处，因此扇扫范围能够完全覆盖此位置，以扇扫的中心扫查线为基准，中心扫查线穿过搁板上层板18下表面与塞焊接头17的交界处时相控阵超声探头14所在的位置为扫查位置；通过塞焊孔的直径，上层板厚，扇扫的扫查角度范围，扫查中心线的扫查角度计算扫查位置；调节探头连杆12的角度使探头水平移动距离标尺11上的数值与计算出扫查位置值对应，锁死探头连杆12，移动Z轴的运动单元使相控阵超声探头14的斜楔块的下表面贴紧搁板8的上表面，工控机5记录Z轴移动单元的高度位置；

步骤（4）、开始扫查：工控机根据待检测塞焊点的空间位置控制三维滑移台的Z轴移动单元移动到塞焊点的正上方，旋转扫查装置的转轴的轴线与塞焊孔的中心线重合，根据步骤（3）标定的Z轴移动单元的高度下压相控阵超声探头14，工控机5控制旋转扫查装置6对塞焊焊点进行360°旋转扫查；

步骤（5）、缺陷识别：相控阵超声探头14每旋转一个步距角相控阵超声检测仪7进行一次扇扫检测，工控机记录相应的扫查位置，同时工控机5对扇扫图像进行自动缺陷识别，缺陷识别原理是裂纹扩展源21与搁板上层板18下表面对超声波产生端角反射，存在缺陷时工控机5会记录相控阵超声探头14此时的位置，扫查完成后工控机5建立塞焊点的平面示意图，并标注出缺陷的位置；

步骤（6）、按照在工控机5上预先设定的对塞焊点的扫查顺序，重复执行步骤（5），直到所有的焊点被检测完成。

本发明的有益效果在于：本发明通过三维运动滑移台与检测系统结合，实现对搁板塞焊接头的相控阵超声的自动检测。根据搁板的设计尺寸信息来控制三维运动滑移台自动定位塞焊点的位置，对塞焊点缺陷进行自动检测与识别，可以准确的获取缺陷的空间位置及所在塞焊点的位置信息，提高了检测效率及准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为搁板的结构示意图；

图2为本发明的电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统的结构示意图；

图3为本发明的旋转扫查装置的结构示意图；

图4为本发明的探伤台中搁板摆放位置示意图；

图5为本发明的相控阵超声探头扫查位置的示意图；

图6为本发明的相控阵超声探头旋转扫查俯视图；

图7为本发明的搁板塞焊裂纹源缺陷识别原理示意图。

图中：1、探伤台；2、三维滑移台；3、伺服电机驱动器；4、伺服电机运动控制卡；5、工控机；6、旋转扫查装置；7、相控阵超声检测仪；8、搁板；9、旋转伺服电机；10、减速机；11、探头水平移动距离标尺；12、探头连杆；13、探头夹具；14、相控阵超声探头；15、直角限位；16、塞焊孔；17、塞焊接头；18、搁板上层板；19、超声入射声束；20、超声反射声束；21、裂纹源缺陷。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图2至图7所示，本发明的电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测系统包括探伤台1、三维滑移台2、伺服电机驱动器3、伺服电机运动控制卡4、工控机5、旋转扫查装置6、探头夹具13、相控阵超声探头14及控阵超声检测仪7，所述三维滑移台2固定在探伤台1的上表面，三维滑移台2的水平移动轴为X轴和Y轴，垂直移动轴为Z轴，Y轴移动单元固定在X轴移动单元上，Z轴移动单元固定在Y轴移动单元上，Y轴移动单元沿着X轴移动，Z轴移动单元沿着Y轴与Z轴移动；旋转扫查装置6安装在Z轴移动单元下端，X轴、Y轴、Z轴移动单元上的伺服电机及探头旋转装置6上的旋转伺服电机9通过线缆连接到伺服电机驱动器3上，伺服电机驱动器3通过线缆连接到伺服电机运动控制卡4上，伺服电机运动控制卡4插在工控机5的PCI插槽上；相控阵超声探头14的探头激励信号的输入端与相控阵超声检测仪7的探头激励信号输出端连接，相控阵超声检测仪7的超声回波信号数据输出端通过网线与工控机5网口连接。

参见图3所示，所述的旋转扫查装置6包括旋转伺服电机9、减速机10、探头水平移动距离标尺11、探头连杆12、探头夹具13及相控阵超声探头14，所述探头夹具13通过探头连杆12与减速机10的转动轴连接，旋转伺服电机9的输出轴伸入减速机10里面，旋转伺服电机9与减速机10通过法兰连接，操作减速机10的锁紧螺丝把旋转伺服电机9的输出轴抱紧；相控阵超声探头14安装在探头夹具13中；探头水平移动距离标尺11连接在减速机10的下端，探头水平移动距离标尺11显示值是探头连杆12的张开角度转换为探头楔块下表面中心与减速机10的转动轴轴心的水平距离值，便于对塞焊位置的定位；通过调节探头连杆12的角度来确定相控阵超声探头14的扫查位置。

所述的探头连杆12的张开最大角度为55°，探头水平移动距离标尺11的最大值为50mm。

所述的探伤台1上加工有凹槽，凹槽内安装有直角限位，搁板8放入后其两条边分别平行于三维滑移台2的X轴与Y轴；从而保证搁板8的所在坐标系的原点与三维滑移台2的坐标系的原点重合。

本实施例中采用的相控阵超声检测仪7具有32通道，能同时激发32个晶片。

本实施例中采用的相控阵超声探头14具有32阵元，阵元间距为0.3mm，阵元的中心频率为10MHz。

本实施例中采用的相控阵超声探头14是带有斜楔块的线阵相控阵超声探头，楔块角度为36°。

本实施例中采用的探伤台1、探头连杆12、探头夹具13及探头水平移动标尺11的材料为不锈钢。

参见图2至图7所示，本发明的电弧塞焊接头的相控阵超声自动检测方法，包括如下步骤：

步骤1、系统连接：将三维滑移台2固定在探伤台1的上表面，三维滑移台2的水平移动轴为X轴和Y轴，垂直移动轴为Z轴，Y轴移动单元固定在X轴移动单元上，Z轴移动单元固定在Y轴移动单元上，Y轴移动单元沿着X轴移动，Z轴移动单元沿着Y轴与Z轴移动；旋转扫查装置6安装在Z轴移动单元下端，X轴、Y轴、Z轴移动单元上的伺服电机及探头旋转装置6上的伺服电机通过线缆连接到伺服电机驱动器3上，伺服电机驱动器3通过线缆连接到伺服电机运动控制卡4上，伺服电机运动控制卡4插在工控机5的PCI插槽上；相控阵超声探头14的探头激励信号的输入端与相控阵超声检测仪7的探头激励信号输出端连接，相控阵超声检测仪7的超声回波信号数据输出端通过网线与工控机5网口连接。

步骤2、将搁板8置于于探伤台的凹槽中，凹槽中注入水，使水面高于搁板8上表面1mm，如图4所示，凹槽中安装有直角限位，将搁板8的一个角紧贴左上角的直角限位15，以确保搁板8的长短边分别与三维滑移台的Y轴与X轴平行。

步骤3、如图4所示，将搁板8的长b和宽a，塞焊孔的孔间距e与f、孔边距c与d、孔的行数及列数输入到工控机5，计算探头到达塞焊点的XY平面位置坐标，工控机5根据此坐标通过伺服电机运动控制卡控制伺服电机驱动器来驱动三维滑移台的旋转扫查机构精确运动到塞焊点的位置。

步骤4、探头扫查位置的标定：为了让扇扫范围完全覆盖端角位置，因此以扇扫的中心扫查线为基准，如图5所示，当中心扫查线穿过上层板下表面与塞焊孔孔壁的交线时探头所在的位置即为扫查位置。塞焊孔的直径为d，上层板厚为h，探头楔块下表面中心与塞焊孔边缘的距离为m，探头楔块下表面中心与塞焊孔中心的距离为n，扇扫的扫查角度为，扫查中心线的角度为，，。，根据公式计算出距离n，通过n的数值来调节探头连杆12的角度使其对应标尺上的数值，锁死探头连杆12，移动Z轴的运动单元使相控阵超声探头14下表面贴紧搁板8上表面，让工控机5记录Z轴移动单元的高度位置，确定探头的Z轴坐标。

步骤5、开始扫查：工控机5根据待检测塞焊点的XY平面位置控制三维滑移台的Z轴移动单元移动到塞焊点的上方，此时Z轴移动单元下端旋转扫查装置6的减速机10转轴的轴线与塞焊孔的中心线重合，根据步骤3标定的Z轴移动单元的高度下压探头，此时探头所在的位置扫查位置，进一步工控机5控制旋转扫查装置6对塞焊焊点进行360°旋转扫查，如图6所示。

步骤6、缺陷识别：相控阵超声探头14每旋转一个步距角0.5°时相控阵超声检测仪7进行一次扇扫检测，工控机5记录相应的扫查位置，同时对扇扫图像进行自动缺陷识别，缺陷识别原理如图7所示，其中裂纹源缺陷21与搁板8上层板下表面构成端角，相控阵超声探头14以一定扫查角度对端角进行扫查时，其中一部分超声入射声束19照射到搁板上层板18下表面反射到裂纹源缺陷21，最终裂纹源缺陷21的超声反射声束20反射回超声探头，同时一部分超声入射声束19照射到裂纹源缺陷21后由搁板上层板18下表面超声反射声束20反射回超声探头。当检测到缺陷时工控机5会记录探头此时的位置，扫查完成后工控机5建立塞焊点的平面示意图，并标注出缺陷的位置显示在检测成像软件的缺陷位置图像显示区域。

步骤7、按照在工控机5上预先设定的对塞焊点的扫查顺序，重复执行步骤（5）。直到所有的焊点被检测完成。

步骤8、将所有的塞焊焊点的超声回波信号采集完成后，搁板8所有检测塞焊焊点的超声数据被存储到工控机5中，显示出所有存在缺陷的塞焊焊点。以提高缺陷的返修效率。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。