高頻窄脈沖探頭在從動盤超聲檢測中的應用*

薛 興，李寶強，陳偉康

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西桂林541004)

0 引言

超聲無損檢測技術具有檢測靈敏度高、速度快、費用低、對人體無害、對材料無污染、適應性強等優點［1］，廣泛應用于汽車零部件的無損檢測中。汽車離合器從動盤作為保證汽車安全行駛最重要的零部件之一，耐久性和可靠性是其最基本的性能。由于從動盤的材料、焊接工藝和焊接后處理等因素影響，電子束焊縫會產生表面形貌缺欠、氣孔、裂紋、未熔合及未焊透等缺陷，直接影響焊縫強度和從動盤的可靠性。為保證從動盤的焊接質量，超聲檢測以其獨特的優點適用于從動盤電子束焊縫缺陷檢測中。但由于從動盤厚度薄、焊縫窄、缺陷微小，在超聲檢測中易出現上下界面反射波混疊，界面回波與缺陷回波難以識別等現象，從而影響焊縫缺陷的有效識別。

超聲探頭作為超聲檢測系統最重要的部件之一，探頭性能直接影響超聲檢測系統的性能與缺陷檢測結果。為此，本文對從動盤自動超聲檢測專用探頭進行了研究，在分析從動盤結構特點和典型電子束焊縫缺陷的基礎上，討論了探頭參數對缺陷檢測結果的影響，并確定探頭參數;參照歐洲標準，融入窄脈沖技術研制了一種具有高頻率、窄脈沖、水浸聚焦等多種性能的專用超聲探頭。該探頭應用在超聲檢測中可有效提高超聲檢測系統的分辨率、靈敏度和信噪比，為從動盤自動超聲檢測的實現奠定基礎。

1 離合器從動盤的結構與檢測要求

離合器從動盤結構如圖1所示，主要由內盤與外盤組成，經過盈配合后，進行電子束環形焊接。電子束環形焊縫直徑110 mm，焊縫寬度2 mm，焊縫深度3 mm。檢測標準要求在從動盤的自動超聲檢測中有效檢測當量尺寸大于0.5 mm的表面形貌缺欠、氣孔、裂紋、偏焊、未熔合及未焊透等缺陷。

圖1 離合器從動盤結構圖Fig 1 Structure diagram of clutch driven disc

2 超聲探頭參數設計

探頭主要參數包括探頭形式、頻率、帶寬和晶片尺寸等。

2.1 探頭形式

由于離合器從動盤需要實現大批量的在線超聲檢測。為保證在自動檢測中微小缺陷的檢出率和成本的最小化，超聲探頭采用高靈敏度、高分辨率、壽命長的水浸聚焦探頭。該形式探頭在耦合劑水中不與工件直接接觸，超聲波的發射與接收比較穩定，探頭不易磨損，壽命長，易于實現自動化在線檢測，并且超聲波在水中便于實現聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率的檢測要求。由于從動盤電子束焊縫窄并且邊緣有弧形突起，水浸聚焦探頭可通過調節探頭角度，方便地改變聚焦聲束的方向，同時可獲得不同方向缺陷的最大回波，更有利于缺陷位置和類型的確定。

2.2 探頭頻率

因為在從動盤檢測中需要有效檢測當量尺寸大于0.5 mm的缺陷。根據波的繞射現象可知，超聲波的檢測靈敏度為波長的50%，頻率為15，10 MHz的高頻探頭理論可檢測0.2，0.3 mm的缺陷，從理論上能滿足從動盤焊縫的檢測要求，所以，采用高頻率的超聲探頭。高頻探頭還具有聲束窄、擴散角小、分辨力好、能量集中、缺陷定位準確等特點，適合微小缺陷的超聲檢測［2］。

2.3 晶片尺寸

超聲探頭通過晶片材料的壓電效應進行電能與聲能相互轉換，從而實現超聲波的產生與接收。晶片尺寸作為探頭的重要參數決定著發射聲場的強度、距離波幅特性與指向性。由于從動盤厚度薄，電子束焊縫寬度窄，一般檢測區域在超聲波聲場的近場區，因為小晶片探頭在近場區內聲束窄，有利于缺陷定位與定量，適合較小厚度工件的檢測，所以，選用直徑為6 mm的小晶片超聲探頭。

2.4 寬帶窄脈沖

探頭發射的超聲脈沖頻率并不單一，而是具有一定帶寬。由傅里葉分析可知，一個脈沖相當于無限多個不同頻率、持續時間無限的諧波在脈沖持續時間內疊加而成，而在持續時間外彼此抵消，脈沖持續時間越短，包含的諧波頻率越寬［3］。窄脈沖包含的不同頻率諧波都有自己的近場、遠場和軸線上的聲壓分布規律，在近場區內不同頻率諧波的聲壓疊加時，峰谷值相互抵消，使得近場區的聲壓—距離曲線趨于平滑，非常有利于近場區的檢測。實際檢測中，窄脈沖探頭的檢測都在近場區進行，可有效降低盲區，提高分辨力。

綜上所述，針對厚度薄、焊縫窄、缺陷微小的離合器從動盤電子束焊縫超聲檢測，研制專用高頻窄脈沖探頭A，B，其參數如表1所示。對照探頭C為普通超聲探頭，寬脈沖、頻率低、晶片尺寸大，用于和A，B探頭的頻率特性做對比，從而證明高頻窄脈沖探頭更適合應用于從動盤的超聲自動檢測。

表1 超聲探頭參數Tab 1 Parameters of ultrasonic probe

3 探頭頻率特性測試

測試采用歐洲標準學會頒布的EN 12668—2∶2001《無損檢測—超聲檢查設備的表征及驗證—探頭》［4］作為測試標準，并結合其它國際標準［5］，對水浸超聲探頭頻率特性進行測試。該歐洲標準規定了中心頻率在0.5～15 MHz液浸聚焦探頭的回波頻率特性的測試方法。

3.1 實驗裝置與數據采集

根據標準要求，測試采用基于CTS—04PC超聲探傷卡組成的自動超聲檢測系統作為測試儀器，同時配有長度2 m，50Ω的同軸電纜線與探頭相連，并使用尖電脈沖激勵探頭，對指定靶體產生的回波信號進行分析。靶體采用玻璃大平面反射體，靶體的橫向尺寸應比探頭在聚焦區末端的聲束直徑寬10倍，厚度比探頭波長厚5倍。所以，選擇長寬厚分別為100，100，30 mm的玻璃平板作為靶體。

根據圖2所示安裝檢測儀器與靶體，調整被測探頭與玻璃平板反射體的距離至焦距長度，微調探頭角度使探頭軸線與回波聲束處于同軸狀態，此時從反射體上表面返回的回波聲壓瞬時值達到最大，采集此時超聲回波，即為射頻脈沖的波形;再利用離散型傅里葉轉換，以閘門監控反射體回波并確定頻譜。波形圖和頻譜圖如圖3所示。

圖2 頻率特性測試裝置示意圖Fig 2 Diagram of frequency characteristics testing device

圖3 超聲探頭波形圖與頻譜圖Fig 3 Waveform diagram and frequency spectrogram of ultrasound probe

根據脈沖波形圖和頻譜圖可以得到探頭頻率特性參數并匯總于表2。

表2 探頭頻率特性參數表Tab 2 Frequency characteristic parameters of probe

3.2 數據分析與對比

高性能的超聲探頭回波信號應具有脈沖持續時間短、波形單峰性、頻帶寬和探頭標稱頻率與實測中心頻率應一致等特點。由表2可知，高頻窄脈沖探頭A，B的脈沖寬度僅有76，148 ns，遠小于普通探頭C的脈沖寬度692 ns;而相對帶寬卻有109.35%，55.94%遠寬于普通探頭C相對帶寬的24.49%，并且高頻窄脈沖探頭的回波形狀呈現單峰性。只有頻率一致性略顯不足，這是由于探頭的高頻性所致，相關研究［6］表明:探頭頻率小于5 MHz時，標稱頻率與實際中心頻率相差很小，探頭頻率超過10 MHz以上時，標稱頻率與實際中心頻率差異十分明顯，這與背襯、楔塊、電路等因素在晶片的振動過程中起到的阻尼作用有關。

在實際檢測中由于從動盤厚度薄，界面回波與缺陷回波易混疊，使得缺陷難以識別。為了提高距離分辨率，超聲脈沖的持續時間應越短越好，示波屏上顯示的脈沖寬度應小于2個缺陷在示波屏的聲程差，顯然高頻窄脈沖探頭的距離分辨率更高。窄脈沖超聲波遇缺陷反射后，缺陷回波中的各個諧波變化將造成頻譜的變化，從而提供更多判斷缺陷大小、方位和性質的信息。從探頭的頻率特性可知，高頻窄脈沖探頭更適合從動盤的電子束焊縫缺陷檢測。

4 自動超聲檢測測試

4.1 典型從動盤電子束焊縫缺陷

從動盤電子束焊接是通過高能密度的電子束轟擊焊件使焊件材料本身經過加熱、熔化、冶金和凝固等過程實現焊接［7］。在焊接過程中不可避免地產生各種焊接缺陷，其典型的電子束缺陷有燒穿、焊瘤、飛濺、咬邊、偏焊、未熔合、未焊透、氣孔和裂紋等。表3給出了從動盤電子束焊接生產中常見的焊縫缺陷。

表3 從動盤電子束焊縫缺陷Tab 3 EBW flaws of clutch driven disc

4.2 缺陷試塊制作

實驗分別采用人工模擬試塊和自然缺陷試塊對探頭進行測試。人工模擬試塊采用電火花技術，在從動盤電子束焊縫上制作4組直徑分別為0.4，0.5，0.7 mm和1 mm的孔，每組3個孔，孔深分別為1，2 mm和通孔，用其模擬焊縫表面形貌缺欠、未熔合及未焊透等缺陷。另外，在從動盤焊縫側面向焊縫內部制作0.4，0.5，0.7 mm橫孔，用其模擬埋藏缺陷。為彌補人工模擬試塊缺陷類型的不足，實驗采用大量自然缺陷試塊用于測試。自然缺陷試塊使用以往焊接過程中因電子束焊接工藝不合理或裝夾不穩固等因素引起的帶有各種自然缺陷的從動盤，這些從動盤中的自然缺陷均由廠家在抽檢合格率時使用X射線檢測或滲透檢測進行了定量定性的標定，并給出了缺陷的種類與尺寸。

4.3 缺陷檢測實驗

測試采用基于CTS—04PC超聲探傷卡配合工業計算機組成自動超聲檢測系統作為檢測儀器，該儀器具有4個超聲工作通道，單通道采樣頻率100 MHz，配合自行開發的機械傳動裝置，可實現自動檢測、自動報警和自動識別等功能。利用該儀器配合高頻窄脈沖探頭A，B，調整合適的檢測參數在水浸環境下對上述試塊進行檢測，檢測結果顯示:A，B探頭可有效檢測當量尺寸約為0.4mm和0.5mm以上的微小缺陷，滿足從動盤的檢測要求。

5 結論

針對從動盤厚度薄、焊縫窄、缺陷微小的結構特點和實現自動檢測微小缺陷的高檢測要求，研制了專用于從動盤電子束焊縫超聲檢測的高頻窄脈沖探頭，此專用探頭融合了高頻率、水浸聚焦、窄脈沖等多種性能，具有分辨力高、脈沖寬度窄、頻帶寬、波形單峰性等特點，有效彌補了普通探頭分辨力低，難以有效識別微小缺陷的不足。在實際檢測中可有效分辨出當量尺寸約為0.4 mm的微小缺陷，達到從動盤的檢測要求，同時應用在汽車離合器從動盤電子束焊縫缺陷自動超聲檢測中效果顯著。

［1］羅雄彪，陳鐵群.超聲無損檢測的發展趨勢［J］.無損檢測，2005，27(3):148-152.

［2］鄭 暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2008:103-108.

［3］程健云.超聲無損檢測中的缺陷識別與噪聲抑制［J］.無損探傷，2004，28(1):11-13.

［4］EN 12668—2—2001.Non-destructive testing—Characterization and verification of ultrasonic examination equipment—Part 2:Probes［S］.

［5］ASTM E1065—2008.Standard guide for evaluating characteristics of ultrasonic search units［S］.

［6］和世海.窄脈沖超聲波探傷技術研究［D］.北京:機械科學研究總院，2010:61-64.

［7］李亞江，王 娟.特種焊接技術及應用［M］.北京:化學工業出版社，2011:60-65.