飞机框梁结构电子束焊缝的超声检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无损检测领域，涉及一种飞机框梁结构电子束焊缝区的喷水式超声相控阵检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]在未来飞机中，电子束焊接技术将成为一种重要的连接技术，用于制造钛合金主承力结构、铝锂合金次承力结构，以满足实现高减重和长寿命、高可靠及低成本要求。其中某些结构电子束焊缝厚度可能达120mm?150mm。为了检测出焊缝中微小的气孔型缺陷，常采用水浸聚焦超声技术对焊缝内部进行高灵敏度检测。但存在的问题是，聚焦探头的焦区长度有限，检测的厚度范围一般较小，焦区外灵敏度急剧下降。因此为了实现厚度较大零件例如飞机框梁结构焊缝的高灵敏度检测，需要采用多个不同焦距的探头检测不同深度区域，以便在整个检测范围内实现超声声束的聚焦。这就需要在检测过程中频繁更换探头，造成检测效率下降。此外，由于飞机框梁结构零件常常较大，必须制造体积很大的水槽，以实现飞机框梁结构全部水浸。其次，由于零件往往不需要整体检测，只需要检测很小一部分焊缝区域，造成设备体积庞大，成本高，但利用率很低。第三，由于设备体积庞大，不便携带，无法进行外场检测。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:提出一种飞机框梁结构电子束焊缝区的喷水式超声相控阵检测装置及检测方法，以便避免频繁更换探头，提高检测效率；减小设备体积，降低设备成本；便于携带，方便进行外场检测。
[0004]本发明的技术方案是:飞机框梁结构电子束焊缝的超声检测装置，包括集水槽1、水泵2、控制柜3、三维移动装置4、超声探伤仪、控制计算机6、探头夹具7、超声探头8和软管9 ;三维移动装置4位于集水槽I的外面，水泵2位于集水槽I内，三维移动装置4的第一水平移动轴为X轴，探头夹具7的上端固定在X轴上，探头夹具7可以沿X轴水平左右移动，超声探头8安装在探头夹具7的下端，被检测的飞机框梁结构10通过支架固定在集水槽I的上方，三维移动装置4的垂直移动轴为Z轴，X轴固定在Z轴上，X轴可以沿Z轴上下移动，三维移动装置4的第二水平移动轴为Y轴，Z轴的下端固定在Y轴上，Z轴可以沿Y轴水平前后移动，X轴与Y轴垂直；三维移动装置4的控制信号输入端通过电缆与控制柜3的三维移动装置控制信号输出端连接，三维移动装置4的位置反馈信号输出端通过电缆与控制柜3的三维移动装置位置反馈信号输入端连接，控制柜3的总线接口通过电缆与控制计算机6的总线接口连接，其特征在于:所说的超声探伤仪是超声相控阵探伤仪5 ;所说的超声探头由环阵超声相控阵探头8a和水套Sb组成，水套Sb为内部空腔为倒圆锥形的中空结构，水套8b上端开口的直径略大于环阵超声相控阵探头8a的外径，下端开口直径为1mm?20mm，水套8b的上端通过螺丝固定在环阵超声相控阵探头8a下部；在水套8b侧壁上有一个进水口，软管9的一端与水套8b的侧壁上的进水口连接，软管9的另一端与水泵2的出水口相连接，水泵2的进水口位于集水槽I的液面以下，工作时水经由软管9流至水套Sb内，在环阵超声相控阵探头8a前端形成局部喷水耦合层，实现超声波的局部耦合；在飞机框梁结构10表面设有挡水围堰，多余的水由挡水围堰的泄水口回到集水槽I中；超声相控阵探伤仪5超声回波信号输出端通过电缆与控制计算机6的超声回波信号输入端连接，环阵超声相控阵探头8a的探头激励信号输入端通过电缆与超声相控阵探伤仪5的探头激励信号输出端连接。
[0005]飞机框梁结构电子束焊缝的检测方法，使用如上面所述的飞机框梁结构电子束焊缝区的超声检测装置进行检测，其特征在于，检测的步骤如下:
[0006]1、系统连接:将待检的飞机框梁结构10通过支架固定在集水槽I上方，将超声探头8置于飞机框梁结构10上方，使水套Sb末端与飞机框梁结构10上表面距离为Imm?2mm，连接好控制柜3、三维移动装置4、超声相控阵探伤仪5、控制计算机6和环阵超声相控阵探头8a的电缆，在集水槽I中加入足以没过水泵2的水，打开水泵2，调整水泵2流量和水套Sb末端与飞机框梁结构10上表面距离，直至水套Sb出水稳定，水套Sb内无气泡；
[0007]2、获取和记录超声回波信号:
[0008]2.1、确定初始位置:利用三维移动装置4移动环阵超声相控阵探头8a使其中心轴线位于飞机框梁结构10边缘、焊缝外侧，作为环阵超声相控阵探头8a的初始位置；
[0009]2.2、确定超声信号发射和接收的延迟时间:
[0010]确定环阵超声相控阵探头8a的第一聚焦深度δ P δ1= 6mm?12 mm，超声相控阵探伤仪5根据第一聚焦深度S1确定环阵超声相控阵探头8a各个晶片的延迟时间τ
为环阵超声相控阵探头8a上晶片的序号，i = 1，2，……，n;延迟时间τ 是超声信号发射的延迟时间，又是超声信号接收的延迟时间；
[0011]2.3、超声信号的发射:超声相控阵探伤仪5根据延迟时间τ i分别输出各个晶片的探头激励信号，通过线缆传递给环阵超声相控阵探头8a内的不同环形晶片，使环形晶片顺次产生振动并发出超声波，最后各个环形晶片发出的超声波合成为带有聚焦效果的超声波进入飞机框梁结构10 ;
[0012]2.4、超声回波信号的接收:带有聚焦效果的超声波进入飞机框梁结构10，经过缺陷或飞机框梁结构10本身的反射返回环阵超声相控阵探头8a，使环阵超声相控阵探头8a内的环形晶片发生振动，环形晶片将振动转化为电信号通过线缆传输给超声相控阵探伤仪5，超声相控阵探伤仪5接收各个晶片返回的电信号，并根据超声信号接收的延迟时间τ i将所有传回的电信号合成为超声回波信号ζ工传递给控制计算机6 ;
[0013]2.5、确定环阵超声相控阵探头8a的第二聚焦深度δ2，δ2= δ i+Umm，然后重复步骤2.2?步骤2.4，使超声波聚焦于飞机框梁结构10中的第二聚焦深度，得到第二聚焦深度下的超声回波信号ζ2;
[0014]2.6、重复步骤2.5，直到聚焦深度的增加量不足12_为止，共得到m个超声回波信号ζ j, j = I, 2，......，m每个超声回波信号与一个聚焦深度对应；
[0015]2.7、改变环阵超声相控阵探头8a的沿X方向的平面位置后，获取和记录超声回波信号:利用三维移动装置4控制环阵超声相控阵探头8a沿飞机框梁结构10的垂直于焊缝方向移动距离Δ X，Δ X = 0.1mm?1mm，重复步骤2.2?步骤2.6，直到环阵超声相控阵探头8a由飞机框梁结构10焊缝的一侧移动到另一侧为止；
[0016]2.8、改变环阵超声相控阵探头8a的沿Y方向的平面位置后，获取和记录超声回波信号:利用三维移动装置4控制环阵超声相控阵探头8a沿飞机框梁结构10的平行于焊缝方向移动距离Δ y，Ay = 0.1mm?1mm，重复步骤2.2?步骤2.7，直到环阵超声相控阵探头8a由飞机框梁结构10 —侧边缘移动到另一侧边缘为止。
[0017]本发明的优点是:提出了一种飞机框梁结构电子束焊缝区的喷水式超声相控阵检测装置及检测方法，避免了频繁更换探头，提高了检测效率；减小了设备体积，降低了设备成本；便于携带，方便进行外场检测。本发明的一个实施例，经实际检测证明，检测效率提高了 3倍以上。
【附图说明】
[0018]图1是本发明检测装置的结构原理框图。
[0019]图2是图1超声探头8的放大图。
【具体实施方式】
[0020]下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，飞机框梁结构电子束焊缝的超声检测装置，包括集水槽1、水泵2、控制柜3、三维移动装置4、超声探伤仪、控制计算机6、探头夹具
7、超声探头8和软管9 ;三维移动装置4位于集水槽I的外面，水泵2位于集水槽I内，三维移动装置4的第一水平移动轴为X轴，探头夹具7的上端固定在X轴上，探头夹具7可以沿X轴水平左右移动，超声探头8安装在探头夹具7的下端，被检测的飞机框梁结构10通过支架固定在集水槽I的上方，三维移动装置4的垂直移动轴为Z轴，X轴固定在Z轴上，X轴可以沿Z轴上下移动，三维移动装置4的第二水平移动轴为Y轴，Z轴的下端固定在Y轴上，Z轴可以沿Y轴水平前后移动，X轴与Y轴垂直；三维移动装置4的控制信号输入端通过电缆与控制柜3的三维移动装置控制信号输出端连接，三维移动装置4的位置反馈信号输出端通过电缆与控制柜3的三维移动装置位置反馈信号输入端连接，控制柜3的总线接口通过电缆与控制计算机6的总线接口连接，其特征在于:所说的超声探伤仪是超声相控阵探伤仪5 ;所说的超声探头由环阵超声相控阵探头8a和水套Sb组成，水套Sb为内部空腔为倒圆锥形的中空结构，水套Sb上端开口的直径略大于环阵超声相控阵探头8a的外径，下端开口直径为1mm?20