专利名称：碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种专用超声传感器，主要用于碳钢点焊中焊点的熔核直径和熔核厚度的测量。
背景技术：
电阻点焊是现代制造业中最常用的焊接工艺之一，其工艺本身的诸多优点推动了电阻点焊的广泛应用。很多使用碳钢钢板的部件是用点焊工艺加工而成的。一个典型应用实例就是汽车车身部件的连接，根据有关资料可知，一个典型的汽车车身大约有5000多个点焊焊点。这些焊点的质量直接影响着车身的质量及汽车的整体性能，为了保证车身的质量，严格检测点焊质量是非常必要的。同样，其它碳钢焊接结构中的焊点也需要进行有效检测，以确保焊接质量。焊点的质量由焊点的连接强度来表征，而焊点强度主要取决于焊点的几何尺寸；实验表明，熔核直径与焊点强度近似成正比，熔核直径是焊点质量的主要决定因素。焊点质量检测的关键是熔核直径和厚度的测量。
在现在实际的生产中，点焊的质量检测是靠破坏性方法进行的。一种方法是，质量检测人员通过拉伸或扭转试验机将点焊试件进行破坏，观察焊点的断面，测量焊点的熔核直径，评价点焊质量；另一种方法是，抽取部分点焊产品，由质量检则人员用錾子将焊点撬开，同样根据焊点断面判断点焊质量。这种破坏性质量检测不仅耗时，增加了产品生产成本，而且只能检测焊点的熔核直径。自上世纪九十年代以来，国外出现了专用超声点焊质量检测设备，取得一定成效。但是，由于仍有诸多技术不成熟，这些设备的应用始终没有得到普及；其中的一个重要因素是，作为点焊质量检测设备关键部分的专用超声探头，其精度比较低，受人为因素影响大，导致检测结果误差较大。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种通过发射并接收碳钢焊点中的回波信号，以其回波信号的特征值为依据，判断碳钢焊点质量优劣的点焊质量无损检测专用超声传感器。这种专用超声传感器克服了上述超声探头精度低、易受人为因素影响的缺点。
本实用新型提供的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，其特征在于，包括有依次通过内、外螺纹联接在一起的第一部分壳体2、第二部分壳体5、第三部分壳体10，上盖1放置在第一部分壳体的空腔201的外侧开口处，各部分壳体之间采用密封件密封；包括有被粘接固定在第一部分壳体2的前端空腔202中的背衬材料4，被粘接固定在背衬材料4和保护层7之间压电元件6；置于第二部分壳体的空腔503内的、与保护层7直接接触的吸声橡胶管8；置于第三部分壳体10前端的耦合薄膜11，耦合薄膜的凸出部分1101嵌在第三部分壳体10的通孔1002中并外露，耦合介质9充满由第二部分壳体5、第三部分壳体10、耦合薄膜11、吸声橡胶管8组成的空腔中；还包括有固定在第三部分壳体前端的槽1003中的磁环12；整个传感器传递电信号的电极引线13的一端，与在专用激励装置的激励下发射超声波、并接收来自被测焊点的超声回波信号及将超声回波信号转换为电信号的压电元件6的电极粘接在一起，另一端与安装在第一部分壳体侧壁上的高频插头14连接，电信号通过电极引线13和高频插头14输出。
本实用新型中所述的传感器的第一部分壳体2为一个圆柱体，前端有外螺纹203和空腔202，后端有空腔201，在空腔201的一侧有一个螺纹通孔，用以安装高频插头14；空腔201的直径与背衬材料的直径一致；所述传感器的第二部分壳体5为一个圆柱体，前端有外螺纹502、内腔503、通孔504，后端有内螺纹501。内腔503的直径与吸声橡胶管8的外径一致，通孔504的直径根据跟据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替换件；所述传感器的第三部分壳体10，为一个具有内螺纹1001、中间通孔1002和环形槽1003的圆柱体，中间通孔1002的直径根据跟据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替换件；所述的上盖1，为中间有一个凸台的圆形薄片，凸台的直径与内腔201的直径相同且紧密配合。
本实用新型中所述的背衬材料4是由环氧树脂和钨粉按一定重量比混合制成的圆柱体，其一端制作成倒圆椎形状，另一向外的端面为经过抛光打磨的平面，用于粘贴压电元件6，如图3所示。
本实用新型中所述的压电元件6为PVDF、即聚偏二氟乙烯制成的圆形压电薄膜，其表面溅射有金属层作为压电元件的电极；PVDF压电薄膜的厚度为25～52μm，其两侧用导电胶粘接引出两根电极引线13，用于输出电信号。
本实用新型中所述的所述保护层7为圆形环氧树脂薄片，其外侧平面与第一部分壳体2的前端面在一个平面内。
本实用新型中所述的吸声橡胶管8为橡胶圆管，橡胶圆管的外径与第二部分壳体5的空腔503的直径一致，其内径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而具有一系列不同的尺寸。如图4中的(a)、(b)、(c)为内径不同的三个吸声橡胶管。
本实用新型中所述的耦合介质9可采用为对高频超声波的衰减系数最小且声阻抗与压电元件6接近的纯净水。
本实用新型中所述的耦合薄膜11为弹性好、透声性好的天然橡胶制成的厚度很薄的中间有一个凸出部分1101的橡胶部件，其外径与第三部分壳体的内螺纹的大径一致，凸出部分的内径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而具有一系列不同的尺寸。如图5中的(a)、(b)、(c)为具有不同内径的三个耦合薄膜。
本实用新型中所述的磁环12为镶嵌粘接在第三部分壳体前端环形槽1003中的环形磁铁，利用其磁力的作用，增强传感器与碳钢焊点的接触，提高超声耦合效果。
采用了上述结构，可以制成结构简单，中心频率高，阻尼高、脉冲窄、分辨率高、精度高，易于实现多种焊点检测的专用点焊质量无损检测传感器。制作成的这种传感器在超声激励装置、数字示波器和计算机等设备的配合下，采集并处理超声信号，实现碳钢点焊的无损检测。
这种专用超声传感器直接向被测焊点发射超声波脉冲信号，并接收该脉冲信号在焊点中传播产生的回波信号；根据回波信号的特征值，来判断焊点的质量。传感器使用时只需要将它的前端耦合薄膜部件和待测焊点紧密接触，在外加的超声信号激励和信号调理装置及波形显示设备的配合下，就可以进行焊点质量的无损检测工作。它可通过更换第二部分壳体5、吸声橡胶管8、第三部分壳体10、耦合薄膜11，用于检测不同厚度钢板、不同工艺参数下形成的焊点。
这种专用点焊质量检测传感器是一种结构简单、中心频率高、阻尼高、脉冲窄、分辨率高、精度高、易于实现多种焊点检测的专用点焊质量无损检测传感器。制作成的这种传感器在超声激励装置、数字示波器和计算机等设备的配合下，采集并处理超声信号，可实现碳钢点焊的无损检测。
图1为碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器剖视图；图2为第一部分壳体的俯视图；图3为背衬材料的剖视图；图4为吸声橡胶管的剖视图；图5为耦合薄膜的正视局部剖视图；图6为第二部分壳体的剖视图；图7为第三部分壳体的剖视图；图8为磁环的剖视图和俯视图；图中传感器上盖1、第一部分壳体2、密封橡胶圈3、背衬材料4、第二部分壳体5、压电元件6、保护层7、吸声橡胶管8、密封橡胶圈3、耦合介质9、第三部分壳体10、橡胶薄膜11、磁环12、电极引线13、高频插头14。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。
本实用新型提供的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器制作参见结构图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8。
按照图所示结构背衬材料4被粘接固定在第一部分壳体的空腔202中，其中平面一端向外；传感器的压电元件6用环氧树脂粘接在背衬材料经过抛光打磨的平面一端，电极引线13采用铜质薄片制作的铜丝，电极引线的一端用导电胶与压电元件6的电极粘接在一起，另一端用导电胶与高频插头14粘接连接，高频插头14安装在第一部分壳体的螺纹孔204中，在专用激励装置的激励下，压电元件6发射超声波并接收来自被测焊点的超声回波信号，压电元件6将接收到的超声回波信号转换为电信号，电信号通过电极引线13和高频插头14输出，高频插头14采用L-5螺纹高频插头，作为电信号的输出部件。保护层7用环氧树脂粘接在压电元件的外侧，保护层7的外侧平面与第一部分壳体2的前端面在一个平面内。上盖1放置在第一部分壳体的空腔201的外侧开口处，上盖的凸台的直径与内腔201的直径相同，凸台与内腔201紧密配合起到密封保护作用。磁环12粘接固定在第三部分壳体的环形槽1003中，耦合薄膜11置于第三部分壳体10前端，耦合薄膜的凸出部分通过通孔1002露在第三部分壳体的外部。密封橡胶圈3套在第二部分壳体外螺纹502的根部，第二部分壳体与第三部分壳体通过外螺纹502和内螺纹1001联接在一起。吸声橡胶管8置于第二部分壳体的空腔503中，作为耦合介质的纯净水充满由第二部分壳体5、第三部分壳体10、耦合薄膜11、吸声橡胶管8组成的空腔，密封橡胶圈3套在第一部分壳体外螺纹203的根部，第一部分壳体与第二部分壳体通过外螺纹203和内螺纹501联接在一起，吸声橡胶管8与保护层7直接接触；保护层7用环氧树脂粘接固定在压电元件6的外侧，以防止压电元件6与吸声橡胶管8之间的直接接触，导致电极磨损。根据被测焊点的工艺结构要求的不同，可以更换前耦合端的部件，包括吸声橡胶管8、第二部分壳体5、第三部分壳体10和耦合薄膜11，以适应不同的检测对象和要求。
本实用新型的装配制作技术方案其步骤为见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，第一步，首先将背衬材料，将环氧树脂和钨粉，加入少量凝固剂，均匀混合，制作成圆柱形，一端进行抛光打磨，另一端加工成倒圆锥状；第二步，在圆形PVDF压电薄膜的电极上用导电胶粘接引出两根电极引线，将压电元件用环氧树脂紧密粘贴到背衬材料抛光过的一端；将制作好的环氧树脂保护层用环氧树脂粘贴到压电元件的外侧；将粘接到一起的背衬材料、压电元件和保护层放置于第一部分壳体中，用环氧树脂灌注其中，将背衬材料、压电元件、保护层和第一部分壳体牢固地粘接到一起；将电极引线穿过背衬材料与高频插头相连，将传感器上盖安装好。压电元件采用厚度为25～52μm的圆形PVDF压电薄膜，其厚度主要决定了传感器的中心频率；第三步，将一端涂有粘接剂的磁环置于第三部分壳体前端预留的环形槽中，利用其磁力的作用，增强传感器与碳钢焊点的接触，提高超声耦合效果；第四步，如图5，选用弹性好、透声性好的天然橡胶制成的厚度很薄的中间有一个凸出部分的橡胶部件作为耦合薄膜，把耦合薄膜置于第三部分壳体中，耦合薄膜中间部分的凸起部分要通过中间孔外露于第三部分壳体；第五步，将吸声橡胶管置于第二部分壳体的空腔503内，将适量的作为耦合介质的纯净水浇注到第二部分壳体、第三部分壳体、吸声橡胶管、耦合薄膜组成的空腔中，可选用丁晴橡胶为材质的密封圈放置到第一部分壳体上外螺纹的根部，然后将第一部分壳体与第二部分壳体螺纹连接在一起，对耦合介质起到密封作用。经过这五个步骤，专用超声传感器组装完毕，即可投入适应。如果需要变化超声波束的直径以适应不同的被测焊点，只要选择具有适当尺寸的中间通孔的第二部分壳体和第三部分壳体和具有适当尺寸内径的吸声橡胶管和耦合薄膜，重复步骤四、五即可。
权利要求1.碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，包括有依次通过内、外螺纹联接在一起的第一部分壳体(2)、第二部分壳体(5)、第三部分壳体(10)，上盖(1)放置在第一部分壳体的空腔(201)的外侧开口处，各部分壳体之间采用密封件密封；包括有被粘接固定在第一部分壳体(2)的前端空腔(202)中的背衬材料(4)，被粘接固定在背衬材料(4)和保护层(7)之间的压电元件(6)；置于第二部分壳体(5)的空腔(503)内的、与保护层(7)直接接触的吸声橡胶管(8)；置于第三部分壳体(10)前端的耦合薄膜(11)，耦合薄膜(11)的凸出部分(1101)嵌在第三部分壳体(10)的通孔(1002)中并外露，耦合介质(9)充满由第二部分壳体(5)、第三部分壳体(10)、耦合薄膜(11)、吸声橡胶管(8)组成的空腔中；还包括有固定在第三部分壳体(10)前端的槽(1003)中的磁环(12)；整个传感器传递电信号的电极引线(13)的一端，与在专用激励装置的激励下发射超声波、并接收来自被测焊点的超声回波信号、及将超声回波信号转换为电信号的压电元件(6)的电极粘接在一起，另一端与安装在第一部分壳体侧壁上的高频插头(14)连接，电信号通过电极引线(13)和高频插头(14)输出。
2.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述传感器的第一部分壳体(2)为一个圆柱体，前端有外螺纹(203)和空腔(202)，后端有空腔(201)，在空腔(201)的一侧有一个螺纹通孔，用以安装高频插头(14)；空腔(202)的直径与背衬材料的直径一致；所述传感器的第二部分壳体(5)为一个圆柱体，前端有外螺纹(502)、内腔(503)、通孔(504)，后端有内螺纹(501)。内腔(503)的直径与吸声橡胶管(8)的外径一致，通孔(504)的直径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替换件；所述传感器的第三部分壳体(10)，为一个具有内螺纹(1001)、中间通孔(1002)和环形槽(1003)的圆柱体，中间通孔(1002)的直径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替换件；所述的上盖(1)，为中间有一个凸台的圆形薄片，凸台的直径与内腔(201)的直径相同。
3.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述背衬材料(4)是由环氧树脂和钨粉混合制成的圆柱体，其一端制作成倒圆椎形状，另一向外的端面为经过抛光打磨的平面，用于粘贴压电元件(6)。
4.根据权利要求1或3所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述压电元件(6)为PVDF、即聚偏二氟乙烯制成的圆形压电薄膜，其表面溅射有金属层作为压电元件的电极；PVDF压电薄膜的厚度为25～52μm，其两侧用导电胶粘接引出两根电极引线(13)，用于输出电信号。
5.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述保护层(7)为圆形环氧树脂薄片，其外侧平面与第一部分壳体(2)的前端面在一个平面内。
6.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述吸声橡胶管(8)为橡胶圆管，橡胶圆管的外径与第二部分壳体(5)的空腔(503)的直径一致，其内径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而具有一系列不同的尺寸。
7.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述耦合介质(9)可采用为对高频超声波的衰减系数最小且声阻抗与压电元件(6)接近的纯净水。
8.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述耦合薄膜(11)为弹性好、透声性好的天然橡胶制成的厚度很薄的中间有一个凸出部分(1101)的橡胶部件，其外径与第三部分壳体的内螺纹的大径一致，凸出部分的内径根据被测焊点对熔核直径的工艺要求不同而具有一系列不同的尺寸。
9.根据权利要求1所述的碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，特征在于，所述磁环(12)为镶嵌粘接在第三部分壳体(10)前端环形槽(1003)中的环形磁铁。
专利摘要碳钢点焊质量无损检测专用超声传感器，主要用于碳钢点焊中焊点的熔核直径和熔核厚度的测量。它包括有联接在一起的第一、第二、第三部分壳体，依次粘固在第一部分壳体空腔中的背衬材料、压电元件及保护层；置于第二部分壳体空腔内的吸声橡胶管；置于第三部分壳体前端并通过壳体通孔露出凸出部分的耦合薄膜；由第二、三部分壳体、耦合薄膜、吸声橡胶管组成的空腔中充满有耦合介质；固定第三部分壳体前端槽中的磁环；分别与压电元件及高频插头连接的电极引线。在专用激励装置的激励下，压电元件发射超声波并将接收到的超声回波信号转换为电信号输出。本发明具有结构简单，中心频率高，阻尼高、脉冲窄、分辨率高、精度高等特点，可实现碳钢点焊的无损检测。
文档编号G01B17/00GK2881627SQ20062000167
公开日2007年3月21日 申请日期2006年1月24日 优先权日2006年1月24日
发明者何存富, 冯喜旺, 王秀彦, 吴斌 申请人:北京工业大学