超聲自動焊接藥筒環焊縫缺陷檢測系統的設計

1　焊接藥筒環焊縫超聲檢測方法

1.1　焊接藥筒介紹

　　焊接鋼質藥筒是國營753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環焊機焊接而成的。在焊接處，筒底厚度為2.6 mm，筒體厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm寬的環形焊縫，且內表面有起伏，不規則。在炮彈發射時，藥筒內壓力很大，焊縫中的疵病可能導致嚴重的后果。焊縫中主要會出現氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應生產線批量生產自動檢測的要求，結合成本等因素，采用水浸超聲自動檢測方法。

1.2　環焊縫超聲正交掃描檢測方案

　　疵病有點狀和線狀兩種。通過對藥筒及環焊縫的具體分析，采取如圖1所示方案，從兩個方向對焊縫進行正交檢測，這樣不易漏檢，也可根據兩個方向獲得的信息對缺陷進行定性分析。圖1中三個探頭裝在一個探頭架上，全部采用水浸聚焦探頭。整個探頭和藥筒被測部分浸在水中(圖中未畫出水)。

　　圖1(a)中，探頭1是發射探頭，發射的縱波在水中傳播斜入射到藥筒筒體，在鋼板中產生A1模式的板波。板波沿垂直于焊縫的方向傳播，在傳播的同時部分能量以縱波的形式向水中輻射，穿過焊縫的板波到達某一點時，其輻射的縱波能量被探頭2接收。當板波聲束穿過的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時，探頭2接收到的信號變小。

　　圖1(b)中，探頭3發射的縱波斜入射到焊縫上，在焊縫中產生表面波，沿焊縫方向傳播，當在焊道上距入射點一定距離內有橫裂紋、氣孔等缺陷時，表面波沿焊縫方向反射，反射回波的部分能量以縱波的形式向水中輻射，被探頭3接收形成缺陷反射回波信號(無疵病時，信號幅度為零)。

　　通過對兩組探頭信號的處理與綜合分析，可得出焊道上被測點的焊接情況。這就是檢測的基本原理和方法。

2　自動檢測系統總體設計

　　根據檢測方案，檢測系統應具有以下功能：

①兩組探頭對同一點先后檢測，并把各自的回波信號進行處理;

②提取回波信號的主要特征以便分析判斷;

③為了獲得整個焊道的信息，藥筒和探頭須有相對運動，使系統對整個圓周的焊縫都能檢測到;

④整個系統由微機進行控制和數據處理。根據檢測到的數據自動做出結論;

⑤遇到不合格的藥筒報警，并能在不合格的位置自動打標記，以便操作人員進行X射線檢驗核對。

　　根據以上考慮設計的檢測系統框圖，如圖2所示。微機是監控中心，它通過測控及處理電路和各部分有機地聯合在一起。測控及處理電路包括兩組發射電路，回波信號預處理電路，物位檢測電路，打標控制電路，狀態指示電路。數據采集電路是用來對處理后的回波信號進行特征提取的，檢測系統總的工作過程是：

①先檢測藥筒是否到位(物位檢測)，不到位則等待，到位給出檢測指示狀態;

②垂直于焊縫的雙探頭組發射超聲波，接收探頭接收到信號后進行放大、檢波、采樣后把數據儲存起來。然后單探頭發射超聲波并把接收到的有用信號經過以上處理后儲存起來;

③在微機控制下，步進電機轉動一角度，通過傳動系統對應藥筒轉動到下一點;

④重復②的檢測，直到藥筒轉完一圈，這時整個焊道兩組探頭檢測到的數據已經儲存起來;

⑤經過數據處理后給出結論，若不合格則報警并在不合格處打標記，需另行處理。然后等待下一發藥筒到位，重復以上檢測步驟。

3　多輸入-單輸出適配電路

　　正交檢測方案要求對同一點進行兩組探頭測量。為了兩組超聲波不混疊，兩組探頭應先后分別測量，兩個回波的后期處理基本相同，而工廠現有CTS-23型單通道探傷儀，為了用一個通道來處理兩路信號(采用單通道探傷儀)，設計了多輸入-單輸出的適配電路。電路框圖如圖3(a)所示，工作原理是：在計算機的控制之下，控制單元首先讓雙探頭發射，延時一定時間，打開雙探頭多路轉換通道，使雙探頭接收到的信號經過預處理后，通過多路轉換器進入探傷儀進行處理及后期特征提取，然后關閉雙探頭通道，讓單探頭發射，延時一定的時間后，打開單探頭多路轉換通道，讓單探頭接收的疵病信號，經過預處理后，通過多路轉換器進行后期處理(始波信號通不過)，然后關閉單探頭通道，完成此次的檢測工作 (藥筒轉到下一點時重復以上步驟) 。其工作時序圖如圖3 (b)所示?；夭ㄐ盘栔?，1為始波，2為有用信號波，3為干擾信號，干擾信號幅值時大時小，有時不出現，單探頭的疵病信號是隨著藥筒轉動而逐漸向始波移動，當移到某一點時幅值大。

4　疵病信號特征提取電路設計

　　對于雙探頭組接收信號，在有疵病時表現為信號幅度下降，波形略有變化(和無疵病信號比較)，其主要特征是幅值，通過分析其頻譜，有疵病時頻譜略有展寬，根據這一特性，在信號處理電路中，設計了適合于無疵病信號頻譜的帶通濾波器，這樣，當有疵病時，幅值進一步下降。對于單探頭回波信號，當有橫裂紋等疵病時，有疵病信號，其大小與疵病大小有關，所以其特性也是信號的幅值。因此，為了簡化處理電路和減少處理時間，特性提取電路的功能就是要采集有用回波信號的峰值。

　　因為探傷儀處理后的回波信號是時域上變化很快的脈沖信號，信號過去后，為了保持住信號的峰值進行A/D轉換，設計了如圖4所示的兩級采保電路。級由分立元件( 高頻三極管和阻容等元件)組成，利用電容充電來采集峰值。信號到來時(SW斷開)，通過D1給C2充電，由于D1的單向導電性，信號過去后，C2兩端的電壓等于信號的峰值，但C2的保持能力差，由集成采樣保持器LF398在級峰保的基礎上采保。所以對采集速度要求不高，它的保持特性很好，滿足A/D轉換的要求。

　　由于單、雙探頭組的回波信號中，不僅有有用信號，還有一些始波及干擾信號存在，所以須根據超聲波傳播的時間來控制峰保電路，使其保持有用信號的峰值，而使干擾信號不影響其輸出，在下一次采樣前，須使電容C2上的充電放掉(SW接通)，為此設計的控制信號KZ1，KZ2，KZ3的時序如圖5所示。