銅與不銹鋼釬焊水接頭的超聲波自動檢測系統

王學權　任俊波　柴玉琨　劉彥明

【摘 要】本文講述了銅與不銹鋼異種金屬釬焊水接頭的檢測原理，自動超聲水浸檢測系統設計，及檢測系統各部件結構特點，并將超聲檢測結果與金相解剖圖片進行對比。實驗表明該方法是可行的，本系統已經用于實際工程檢測。

【關鍵詞】超聲檢測；水接頭；超聲水浸法

0 引言

銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭，是三峽水輪發電機定子線圈的重要部件，其質量對于三峽電站的安全關系重大。銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭，主要由水接頭支撐、襯管、水盒以及焊接釬料構成。為了保證產品的焊接質量，采用預置釬料環（片）真空釬焊進行焊接工藝試驗，焊后進行超聲檢測使之滿足水接頭技術條件要求。

銅與不銹鋼異種金屬真空釬焊水接頭的釬焊，屬于異種金屬的連接，其結構緊湊，外形尺寸不規則并帶有螺紋結構，技術條件要求100%掃查，給水接頭的釬焊質量檢測工作帶來很大的困難。必須從水接頭工件內部進行檢測，而內部空間非常狹小，這就對探頭的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了特殊的要求：需要小直徑、小晶片、小焦距；要求能發現小當量缺陷，因而具有高檢測靈敏度高，即需要高頻率點聚焦探頭；而銅對超聲波的衰減較大，要求必須使用低頻率探頭，如何解決這一矛盾，對超聲檢測技術提出了很高的要求，目前國內還無相關檢測技術的報道。

1 檢測原理

采用水浸超聲脈沖反射法進行檢測，利用單晶探頭發射、接受脈沖。超聲波從水接頭內表面垂直入射到水接頭中，在水-水接頭內表面產生界面波，穿過水接頭入射到水中時，又產生底面回波[1]。當材料內部有反射體時，超聲波將從該處反射回來，在界面波和底面回波之間顯示出來。

根據缺陷反射回波聲壓的高低及回波位置來確定反射體的性質、大小及位置，但實際上由于缺陷性質、表面狀況、幾何形狀以及聲束相對方向等諸多復雜因素的影響，目前的通用探傷方法尚無法測定缺陷的真實大小，因此，常用“當量尺寸”表示缺陷大小，相同探測條件下，如果缺陷反射回波聲壓與某種人工反射體的回波聲壓相同，即兩者的反射波高相等時，則規則反射體的尺寸即為缺陷的當量尺寸。

2 檢測裝置簡述

為了實現檢測課題組成功設計加工了超聲波自動檢測系統，該檢測系統由單晶水浸聚焦探頭、專用對比試塊、水接頭專用檢測軟件系統、水接頭專用自動檢測裝置組成[2]。其中水接頭專用自動檢測裝置包括兩個傳動以及帶動它們的電機、控制電機的電機驅動器、探頭調角器、超聲波探傷儀、電機驅動卡、工控機、采集系統組成。

3 單晶水浸聚焦探頭

由于水接頭外型復雜，上端為一方型平臺，下面為圓形，并帶有螺紋（如圖1所示），無法從水接頭外部實施超聲檢測，故采用從水接頭內部實施超聲檢測，而內部的空間又非常狹小，這就對探頭的尺寸、晶片尺寸和焦距提出了要求。為此專門發明了專用單晶水晶聚焦探頭，其外徑不到φ10mm。

該探頭優點在于結構小巧、靈敏度高、便于實現自動化。

4 專用對比試塊

檢測用對比試塊采用了焊接的實際水接頭制作而成，人工缺陷包括平底孔2個，矩形槽一個，深度為外徑到焊縫位置的深度，示意圖見圖3。

本試塊用于標定系統靈敏度，使系統能夠滿足水接頭技術條件要求。

5 水接頭專用自動檢測裝置結構

水接頭專用自動檢測裝置主要包括探頭調角器、傳動裝置、采集系統、超聲波探傷儀、電機驅動器及工控機一臺，結構示意圖見圖2。探頭調角器（結構示意圖見圖3）包括3個調節選鈕，2個支撐桿，一個探頭夾具。調節旋鈕8，9，可以實現探頭夾具11在水平面內前后和左右移動，調節旋鈕10可以實現探頭在水平面內旋轉，整個調角器通過水平桿13安裝于傳動，在電機帶動下，實現上下運動；傳動采用二維傳動，垂直傳動帶動探頭調角器進行上下運動，圓盤傳動水接頭做圓周運動；采集系統包括模數轉換卡及配套接線和子卡，其功能為采集超聲波探傷儀的檢測結果信號轉換成數字信號傳給工控機；電機驅動器部分包括電機控制卡一張、電機驅動二個，水接頭專用檢測軟件通過給電機控制卡信號以控制傳動的運轉，實現傳動的精確控制。本自動檢測裝置自動化程度高、傳動精度高。

6 水接頭專用檢測軟件系統

為了實現自動數據采集、數據處理以及結果輸出存儲，本檢測小組編制了水接頭專用檢測軟件。整套軟件使用Visual C++6.0編寫主要包括系統初始化、傳動控制、數據采集分析、數據管理、結果保存等模塊[3]。系統初始化模塊主要包括采集系統、電機驅動系統初始化、各傳動軸位置復位、初始化參數保存、待件工件的編號、長、寬等參數的讀取；傳動控制模塊主要包括驅動系統控制（帶正、反向控制）、原點及行程極限檢測、傳動速度控制；數據采集分析模塊主要包括數據采集、異常數據分析剔除、數據分析；數據管理模塊主要包括檢測數據存儲、查詢、維護功能，記錄原始檢測數據和坐標位置，也可單獨提供原始數據，以便使用其它軟件進行二次開發統計；結果保存模塊包括檢測結果的保存、對報表進行后臺打印。

（8—水平面X方向調節旋鈕；9—水平面Y方向調節旋鈕；10—水平面上旋轉調節旋鈕；11—探頭夾具；12—調角器垂直桿；13—調角器水平桿）

圖3 三維探頭調角器示意圖

本軟件系統具有模塊化、人性化、可視化、功能多樣化的特點，完全具有現代大型軟件的風格；本軟件實現過程完全自動化，提供友好的人機接口，快速、準確、直觀，能夠自動識別缺陷、計算缺陷面積、給出檢測結果展開圖。

7 檢測結果與金相對比

在對大量水接頭進行了檢測后，進行了金相檢測對比試驗，下面給出1個有典型缺陷和1個完好的水接頭檢測結果和進行金相解剖圖片。超聲檢測結果圖與金相解剖結果圖見圖4～圖7。

通過對比看出超聲檢測結果圖中代表缺陷的黑點處與金相解剖圖中結合面中缺陷位置是對應的，對比結果基本一致。本結果表明使用本檢測系統進行水接頭焊接結合質量檢測，檢測結果準確可靠。

8 結論

通過實驗證明，本方法是可行的。該自動檢測系統能夠實現整個檢測的自動化，給出檢測結果即缺陷數量、缺陷面積和有效缺陷數量、有效缺陷面積并給出直觀的缺陷展開圖，并能夠保存檢測結果，滿足了三峽水接頭批量生產檢測需要。該檢測系統已經使用于實際工程檢測，并完成了一萬二千多個水接頭的檢測任務。

【參考文獻】

[1]鄭暉，林樹青.超聲檢測，中國勞動社會保障出版社，2008.

[2]美國無損檢測協會編，美國無損檢測手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]Programming Microsoft Visual C++ 6.0 技術開發內幕，北京希望電子出版社.

[責任編輯：朱麗娜]