（测试计量技术及仪器专业论文）齿轮环激光焊缝深度超声检测的研究.pdf

机械科学研究院硕：l 学位论文 摘要 齿轮环激光焊缝深度超声检测的研究 摘要 超声波检痢技术已经广泛应用于材料及机械零部件的微观组织、微观及宏观 不连续性的评价与检测中。针对具体的被检对象需要采取不同的检测方式，同时 还需根据具体情况设计不同的超声换能器，才可将被检试件中的非连续性等准确 检出或精确定位。 本研究的检测目标是齿轮环激光焊缝熔深，检测基于以下原理：焊接良好 的区域，超声波几乎可完全透过，而非焊接或者焊接不佳的区域由于存在界面造 成超声波反射；利用换能器在齿轮内孔中移动两次接收到反射波，通过测量换能 器两次接收到反射波之间所移动的距离确定焊缝熔深。 针对齿轮环激光焊缝这一特殊被检对象，本研究首先设计球面聚焦超声换能 器声透镜，然后开发设计特殊的声透镜，并分别将两种声透镜应用于超声换能器 中。此外，依据被检齿轮制作一校准件，对换能器性能进行评价。结果表明，本 研究开发设计的换能器不仅检测灵敏度相对球面聚焦换能器提高3 0 分贝，信噪 比也有显著提高，各检测结果的误差值相对球面聚焦换能器大大减小。因此，实 际检测齿轮环焊缝熔深时，采用新设计超声换能器。 为实现齿轮环激光焊缝深度的自动检测，本研究设计专门的检测系统和机械 传动系统。检测采用高速数据同步采集系统，快速采集来自超声探伤仪器的信号， 并运用先进的计算机对各种信号进行分析、处理。机械传动系统具备超声换能器 在齿轮内孔中匀速上升，齿轮同时旋转的能力。整套检测装置运转平稳、可靠性 高。 机械科学圳究院硕j 学位论文 摘要 实际梭测齿轮环激光焊缝熔深过程中，由于齿轮上部外表面为倾斜的圆弧面 且该圆弧丽与焊按区域连接的部位由于焊接工艺产生了圆弧面，导致超声波反射 蜃绝大部分不l 被怒声换篷器接牧到，硷溺系统落潮为簿缓莨野，捡溺续慕遗瑷 较大的偏熬。通过分析，明确了准确检测所需的象l 牛，即正确确定超声换能器的 上升停止位景，最终将齿轮环激光焊缝的起始及终止位溉准确定位，实现了对 其深度的精确测量，为该方法的工业应用奠定了技术支撑。 关键词：超声检测、超声换能器、声透镜、灵敏度、信噪比、 高速同步信号采集 2 机械科学研究院硕士学位论文 t h es t u d yo nu l t r a s o n i ct e s t i n go ft h e l a s e r w e l d i n gs e a md e p t ho ft h eg e a rr i n g a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di n t h et e s t i n ga n de v a l u a t i n go fm i e r o s t r u e t u r ea n dm i c r oo rm a c r o d i s c o n t i n u i t yo fs o l i dm a t e r i a l sa n dm a c h i n ep a r t s i no r d e rt of i n do u t t h o s ed i s c o n t i n u l t ya n da s c e r t a i nt h e i ra c c u r a t ep o s i t i o n si nt h eo b j e c t s ， d i f f e r e n tu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rm u s tb ed e s i g n e da c c o r d i n gt ov a t i o u s o b j e c t sa n dd i f f e r e n tm e t h o d sm u s tb ea d o p t e d t h et e s t i n go b j e c to ft h i sp a p e ri st h el a s e r w e l d i n gs e a md e p t h o ft h eg e a rr i n g t h eb a s i ct h e o r yo ft e s t i n gi st h a tt h eu l t r a s o n i cw a v e w i l lp a s st h ef i n ew e l d i n ga r e a ，b u tb er e f l e c t e db yt h ei n t e r f a c eo ft h e d e f e c t i v ew e l d i n ga r e ao rt h ea r e aw i t hn ow e d i n g s o ，i ft h eu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rm o v e si nt h ei n n e rh o l eo ft h eg e a r ，t w i c er e f l e c t e du l t r a s o n i c w a v ec a nb er e c e i v e da n dt h es e a md e p t hc a r lb ea s c e r t a i n e dt h r o u g h t e s t i n g t h ed i s t a n c eo ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rm o v i n gb e t w e e nt h et w op o s i t i o n s w h e r ei tr e c e i v e st h er e f l e e t e du l t r a s o n i cw a v e t h es p h e r i c a ll e n s o ft h ef o c u s e du l t r a s o n i ct r a n s d u c e rw a s d e s i g n e df i r s t l ya c c o r d i n g t ot h e t e s t i n gr e q u i r e m e n t o f t h e l a s e r w e l d i n gs e a md e p t ha n dt h e nak i n do fs p e c i a lu l t r a s o n i cl e n so f t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rw a sd e s i g n e dt o o m e a n w h i l e ，t w ok i n d so f 3 机械科学研究院硕士举位论文a b s t r a c t u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r sw i t hs p e c i a la n ds p h e r i c a ll e n sw e r em a d e i na d d i t i o n ，a na d j u s tw o r k p i e c em a c h i n e da c c o r d i n gt ot h et e s t e dg e a r w a st e s t e db yt h et w ok i r i d so ft r a n s d u c e r s + t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s e n s i t i v i t yo ft h et r a n s d u c e rw i t ht h es p e c i a ll e n si n c r e a s e s3 0d bt h a n t h a to ft h et r a n s d u c e rw i t hs p h e r i c a ll e n s ，a n dt h es n ri n c r e a s e sa sw e l l t h et e s t i n ge r r o r so ft h er e s u l t so ft h et r a n s d u c e rw i t ht h es p e c i a ll e n s d e c r e a s eg r e a t l yc o m p a r e dw i t ht h a to ft h et r a n s d u c e rw i t hs p h e r i c a ll e n s 。 s o ，t h et r a n s d u c e rw i t ht h es p e c i a ll e n sw a su s e dt ot e s tt h el a s e r w e l d i n g s e a md e p t ho ft h eg e a rr i n g i no r d e rt oa u t o m a t i c a l l yt e s tt h es e a md e p t h ，ak i n do fs p e c i a l t e s t i n gs y s t e m a n dm e c h a n i c a l s y s t e m w e r ed e s i g n e d 。h i g h s p e e d s y n c h r o n o u sd a t as a m p l i n gs y s t e mi sa d o p t e dt os a m p l et h ed a t af r o mt h e u l t r a s o n i ct e s t i n ga p p a r a t u sa tt h es a m e t fi m ea n da l ls i g n a l sa r e p r o c e s s e db yt h ea d v a n c e dc o m p u t e r t h em e c h a n i c a ls y s t e mh a st h ef u n c t i o n t o8 1 1 。wt h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rt om o v eu pa tt h ec o n s t a n ts p e e di n t h eg e a ri n n e rh o l ew i t ht h er o t a t i n go ft h eg e a r t h ew h o l et e s t i n g s y s t e mw o r k sw e l l i nt h ec o u r s eo ft h et e s t i n g ，t h et r a n s d u c e rw i t ht h es p e c i a ll e n s e o u l d n tr e c e i v et h er e f l e c t e du l t r a s o n i c w a v eb e c a u s et h eu p p e r e x t e r i o rs u r f a c eo ft h ei n n e rg e a ri sd e c l i n i n ga r cs u r f a c e ，a n dt h ea r e a t h a tt h ed e c l i n i n ga r cs u r f a c ea d j o i n sw i t ht h ew e l d i n ga r e ai sa l s oa n a f ts u r f a c ec a u s e db yt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，t h u s ，t h et e s t i n gs y s t e m 4 # l 撼科学聚究浆鞭士学链论文 j u d g e dt h ew e l d i n gs e a mw a sf i n eb ye r r o ra n dt h et e s t i n gr e s u l tw a s i n a c c u r a t e 。t h r o u g hs t u d y ，t h er e q u i r e m e n to ft h ee x a c tt e s t i n gw a sf o u n d a n dt h eb e g i n n i n ga n dt e r m i n a t i v ep o s i t i o n so ft h ef u s i o nz o n ew e r e a s c e r t a i n e da c c u r a t e l yb ya s c e r t a i n i n gt h ea c c u r a t ed i s t a n c eo ft h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rm o v e m e n t ，t h e n ，t h ew e l d i n gs e a md e p t hw a st e s t e d a c e u r a t e l v k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t i n g ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ，u l t r a s o n i c l e n s s e n s i t i v i t y ，s n r ，h i g h s p e e ds y n c h r o n o u sd a t as a m p l i n g 5 规槭辩学研究院琰圭学挝论文符譬渣攀 纵波 横波 熬声波声速 缀波声速 符号清单 横波声速 超声波波长 超声波频率 泊松比 剪切弹性模最 密度 声压掇辐 越始声压振幅 声源晶片直径 近场长度 声波衰减系数 甏晶片辐射下静指南熊系数 簿疫方囱辍电藕合系数 径向机电耦合系数 机械品质因素 糜电模量 厩电压力常数 k $ 已 。 h 岛 队 一 队 孙 c ； 如 酗 # i 披科学研究院硬士学谴论文符号滔攀 聚焦因子 聚焦探头水中声学焦距 聚焦探头水中，k 倪焦距 声透镜几何半径 超声波辑射率 超声波聚焦点直径 激光焊缝熔深 齿轮底部到激光焊接区域最低点的实际距离 压电晶片中，良到换嚣底郝的距离 开始调节换髓器戮回波消失换能器搿上升兹距离 纵波随温度变化的声速系数 横波随温度变化的声速系数 默。 如 “ 孙 币 肌 。翥 巳 吩 枫械科学酬究院硬士学位论u 艾 牺强渍单 插图清单 瀚2 ，1 波形转转换示意阁5 图2 ，2 圜熬片声艇上声燧分毒魏线8 黧2 3 越声糅饶搜邀踌方獯謦，l1 阉2 ，4 麓黟渡淬硬鼷深窿检溺示意图 阁2 + 5 斜探头横波检测法示意图 1 2 1 3 湖2 6 纵波法梭测示意熙，。，1 4 雕2 ? 被梭盏轮上表瑟承感霞l s 圈2 + 8 法鬻公司巍轮环澈竞簿缝熔深捡溺掰怒声羧髓溅示意鹜1 6 图3 1 被检齿轮示意图i 8 图3 。2 梭梭齿轮焊缝的实际金相蹦。，1 8 图3 3 掇伤仪波形示意图 瑟3 ，4 搽头缝秘黼 2 l 2 3 潮3 5 翅声换熊器终形示意鞠2 4 阑3 6 换能嚣校准块豳2 5 斟3 。7 校骏游标卡尺。2 6 瞬3 8梭骏系绫示意漤2 7 图3 。9 校骚设惫强豫 圈3 。1 0球澎声遵镜滂嚣下怒声波铃撩途径模拟黼， 2 3 0 图4 + 1越声波魏面入射传播示意阉3 2 图4 。2 声透镜作图法设讨示意图一 嬲4 。3声透镜经囱聚焦藏匿示惑图 3 5 3 7 # k 槭科学嫒究院疆t 学位论文 插攘清单 图4 4 改进型声透镜曲蘧示意图 强5 。1 税槭传动系统4 3 凿5 2 检测系统原理框图4 4 圈5 3 系统控制框图4 6 图5 4 接口电路框图4 8 圈5 5 软馋系统总体漉程圈4 9 图5 6 检测结栗显示强 酗6 1 齿轮检测示意图 圈6 2 水中点状反射体反射波声压交化曲线 5 0 5 4 5 8 机械科学研究院硕十学位论文表格清单 表格清单 表2 1 常用压电体及其性能一 表3 1 球面聚焦超声换能器圆形糟检测结果 l l 2 8 袭3 2 仪器调整螽球面聚焦超声换能器圆形槽检测结栗2 8 羡4 。1 声逶镶不溺x 僮下豹漫率半经3 4 表4 ，2 声逶镜作圈法设计糨关参数袁 袭4 3 平底孑l 检蠢结果 表4 4 改进型超声换能器圆形稽检测结果 3 6 3 9 4 0 表4 。5 纹器调整嚣改进燮超声挨艇嚣蚕形禧捡浏缡暴4 9 表6 1 抉能器上升距离4 + 7 5 m m 时的检测结果与盒相结果 5 2 表6 2 换能器上升距离5 r i m l 时的检测结果与金相结果5 3 表6 3 换能器上升距离4 8 7 5 m m 时检测结采与金相结果一5 5 1 2 独创性声明 本人f i 明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究12 作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文巾不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭越抖堂盟窥喧或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：t 象蚜，侈、 签字闩期：西年多月7r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭i 撼登堂盟盔瞳有关保留、使用学位论文的删 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁鼎，允许论文被查 阅和借阅。本人授权扭撼型堂迎究喧可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 学位论文作者签名： 签字r 期：眨，年 彦、 7 泐 g 月z 只 导师签名 强拳 签字闩期：竹j f ! j 岁i 机械科学研究院硕十学位论文 第一章序言 随着辩学技术的飞速发展和市场竞争斡目趋激熬，人们对产 品的质量标准要求也日益严格。汽车工业是我们国家重要的支柱 产业，各汽车厂商为在激烈的市场竞争中占得先机，均高度重视 产品溪璧，对零部件的质量评价提出了新韵要求。本研究旨在开 发用于轿车发动机变速箱中从动凌轮齿轮蓼激光焊缝深度魄超声 无损检测技术。这是一项保证发动机动力传动强度的重要工作。 以往，齿轮环激光焊缝的质量通常是采用从批量产品中抽样，并 戳金穗法评定的，但函其费时、费力，常不能适应现场生产的需要。 予是，羚发利蠲无损梭测技术方法便成为攘关零部件质量控刽的必然 选择。 在超声无损检测中，首要的是根据不同的检测对象和检测目的选 敬不蔺的参数，设计满足各舀功麓的超声换能器，它的性能将矗接影 响超声检测鲶簸终结鬃。因越，换鸯装器的设i , t 一与剖作是怒声检测中懿 一个重要环节。 为了把所开发的技术应用到实际生产中，实现对齿轮环激光焊缝熔 深的快速、准确、自动裣测，尚需结合专门设计的税辘传动系统，检测 所濡的襞 孛、软件，完成对齿轮环激光焊缝熔深昀超声c 扫描梭测，为 此确定了本研究的主要内容。 1 、按照被梭要求，依据球面聚焦换能器声透镜设计方法，设计声透 镜并应溺到超声换能辩中，通过校准俘的校验检测，探讨球面蒙 辊撼$ 学磷究院颈士学垃论文 焦超声换能器的适用性，并提出声透镜设计改进的途径。 2 、根据被检齿轮的具体特征，运用数学推导，证明声透镜的曲面 方程为超越函数，然后偌助作图缌橇法确定超声换能嚣声透镜 的噩驽蟊嚣方程，进而将加工成型酶声透镜运用赛l 超声换麓器中， 并通过校骏判断改进设计的正确性。 3 、依据检测要求，设计专门的机械传动系统、检测所需的硬件、 软件；根据实验过程中出现的问题，指嫩检测中针对被检齿 轮环激光焊缝露要注意憋阅题翔应该采取的搓蔗，实现对卷 轮环激光挥缝熔深的快速、准确、自动检溺；探讨环境戳素， 特别是温度变化对检测结果的影响。 机械科学研究院硕士学位论文 第二章文献综述 焊接加工在汽车巷l 造鲎中占有重要地俊。焊接件的矮量壹接关系到 整车质量，甚至影响整车安全性。 焊接件熔焊强度和焊缝熔深密切相关，因此精确评定焊缝熔深已经 成为保证焊接俘质量的关键之一。舀前，焊缝熔深测量的方法主要有： l 、目前最常用憋金相捡验法，即对酆分撼糕进行破坏性鳃剡，邋 过金棚观察，评定焊缝深度； 2 、美国一些大趔汽车生产厂，如福特公司等，利用熔焊时基体固 态与辫缝液态闻耪壤形态的区别，采用激光嫠声对霹缝熔深进 行测繁； 3 、采用高频、宽带、窄脉冲超声波，在基体与焊缝同为嘲态的情 况下，通过超声波在基体与焊缝界面上产生散射、反射现象进 行焊缝溶深的铡量。 在上述各耪检测方法中，金相法熹破坏工件虽费时，剩熙物理形态 区别检测则造价又太高，目前所掌握的常规无损检测方法中，采用涡流 方法检测焊缝熔深虽然在理论上是可能的，但由于趋肤效应和探头提离 效应，捡测将非常复杂。因此，对焊缝深凌检溯，采用趣声波检测应为 首选。 2 1 超声波检测应朋的基本理论 超声学作为声学的一个分支，涉及的频率常超过可听限度。声学领 域的发袋可追溯到古代，僵是超声学的研究则是始予十九懂纪。作为无 机械科学研究院硕士学位论文 文献综谴 损检测技术的一种，尽管早在1 9 2 9 和1 9 3 1 年，前苏联和德国科学家就 已经提出了使嗣怒声波进行无损检测应用的可钝性，僵直副1 9 4 2 年，由 f l o y df i r e s t o n e 发明了一零孛可用黥渖超声波列寒获 ! 譬从微小不连续性 反射的仪器时才引出了今天我们广泛使用的实用仪器和技术，并很快被 应用于制造业质邀控制中。 众骈溺知，超声渡穿过均匀连续弹性介髓时，将产生极少能量损失， 但当材料中存在慧晶赛，缺陷等不连续性隧隔时，憋产生比较多熬麓量 损失。因此，当一束超声能量射入被检物体时，可通过测量穿透的能量 或测量不连续性反射回的能量来评价材料内部的缺陷，这即为超声检测 酌罄本蘸理。 超声检测方法经过长期懿发展，不叛显示了荬在应建方瑟戆优越性 “3 ，如：( 1 ) 灵敏度高，能够检出微小不连续性；( 2 ) 穿透力强，能够检 验极厚部件；( 3 ) 在确定不连续性位噩并估计其尺寸时准确；( 4 ) 响应 迅速，能快速鸯动检测；( 5 ) 只需接近试俘一个表丽等。同时也由于下 列因素，限制了怒声技术在检测中的波爱“3 ，翔：( i ) 试传的几悸影状( 尺 寸、外形、表面粗糙度、复杂性及不连续性取向) 不合适；( 2 ) 不良的 内部组织( 晶粒尺寸、结构孔隙、夹杂物含量或细小弥散的沉淀物) 等。 2 1 1 超声波的反射和折射 一般超声换能器 擘厚度模振动糕封的趣声波为缀波，在一定条俘 下，倾斜入射时，当它遇到异质界戚，就会产生波形的转换“3 ，如图2 1 示。 机械科学研究院硕士举位论文 文献综述 l 。， 每 图2 1波形转换示意图 注：此时介质1 的声阻抗z ，小于介质2 的声阻抗z 。 转换后的超声波具有以下关系： l ；l s i n a s i n a s 式中： c l e a 口s 介质1 中的纵波声速； 介质2 中鹣禳渡声速； 介溪1 中的纵波入射翅； 介质2 中的横波折射角。 同样，转换后的各种波形之间都存在上述的关系。 ( 2 1 ) 当缴液以一定入萋| 燕麓入射，出现夯霞2 中豹缀波全部反射，静余 质2 中无纵波入射，该纵波入射焦称为第一临爨角。此时： 式中： 忑cl=cl92妒=clsln s i l l ： a 影l y u l 2 s i n - 1 嘞c l 第一介质中的纵波声速； ( 2 - 2 ) 机械科学研究院硕士学位论文 q ： 第二介质中的纵波声速； 吒。，第一临界角。 入射蹩大于第一瞧赛角款艨有纵波均不会传入第二套鹱，扶露产生 纵波全部反射现象。本课题采取相关攒施，使得入射角始终小于第一临 界角。 缀波入射角继续增大，便会产生横波全艇射现象，郎第= 奔璇中也 无横波入射，此鞋重纵波入射受为第二嚷爨煮。 瓦c l 一嘉* z 蚓珏。1 乏 3 ， 式审： q 第介质中的纵波声速； c s ， 第二介质中的横波声速； a 脒2 第二临界角。 因为气体却液体不砖撵摸波，爨忿著所有壤猿下均产生波形转 换。 2 1 2 纵波声源在声柬轴线上的声压分布 声压是声波传播过程中介顼质点在交变掭动静菜一瞬间所受的附加 嚣强，是耀对予无超声波传撵时余震矮点懿羚压强蠢言。 镶= p o cc o s ( , o t + 妒) = , o v cc o s ( e ) t + 妒) ( 2 4 ) 式中： p ；，声压振幅； 机械科学研究院硕士学位论文 p介质密度； c介质声速； 因频率； t质点位移时间； 妒质点振动相位角； v质点振速 实际运用时，只需用声压振幅p 。加以比较运算。因此，通常将声压 振嚷终为声压。 根据迭加原理，声窳中心轴线上任一点处的声援等于声源上各点辐 射出的声压在该点的迭加，由于声源上各点到达该点的声稷不同，迭加 时有相位差，因而在整个声束轴线上出现有声压极大和极小值的波动。 声源发窭瓣波懿暴是平露渡，鲻睡鑫掇动辐射戆声波在声寨搴鸯线上疆离 声源x 处的声压幅值分布为瞳1 ： 叫氧辱一瘟) 5 ， 式中： p 。声源的起始声压o p声辅上躐声源a 处的声压； 娶声源( 鑫片) 直径； 入 声波在介质中传播波长。 上式表明圆晶片声轴上辐射声压服从正弦函数变化规律，声压值是 距离( 声程) x 的正弦函数，如图2 2 示。 机械科学研究院硕士学位论文 文献综述 乱 虿 包 a “ 嚣2 。2瑟瑟冀声毒蠹上声基努京薤线黼 声荣轴线上最后一个声压极大值点至声源的距离称为近场长度，以 n 表示： ，d 2 一a 2 炎 4 旯 ( 2 - 6 ) 。堡( 2 一? ) 4 五 距离小于n 的范豳是声场的强干涉区，n - - i 6 7 n 范围是声场的弱 干涉区，大于1 6 7 n 为非干涉区，大于3 n 即近似为球面波。 2 1 3 压电晶片的性能要求 超声波换巍瀑中产生弱接收超声波酶主要部分楚压避磊片，主要蛀 能参数如下陆1 ： ( 1 ) 机电祸合系数k ： k 曼氅碧望磐塑娶1 0 0 ( 发射状态)( 2 8 )皇_ t 版目_ j 孤；簖j 厶 u ， 输入到晶片的总电娆 k ：i 曼苎蓼掣塑萼i i ! i 1 0 0 ( 接收状态) ( 2 9 ) “一输入到晶烽的总毒几蠛能“ 。 探头晶片一般具有厚度和径向两个方向的伸缩振动。凼此，机电耦合 机械科学研究院硕士学位论文 文献综述 系数具有方向性，其厚度方向以k t 表示，其径向方向以i ( p 表示。k 。越大， 表示晶片在厚度方向的电声转换效率越高，探测灵敏度也越高。晶片的 l * 越大，不零要的低频谴摄波增多，会使发瓣稼冲交宽，导致分瓣力下 降，盲区增大协1 。 ( 2 )介电常数e 介电常数是表征压魄晶片介电性能的参数，与晶片附上电极后的电容 有关，邸与其电阻撬誊关。攘头制作中考感剩阻撬霾醒隧对其寿一定要 求：越大，晶片电阻抗越小，为使探头有较好的阻抗匹配，不宣太 大”。 ( 3 ) 机械黼质因素瓯 辊槭燕矮因素： 绞t 虿蒜焉桊褊悉 ( 2 1 0 ) 。“ 一个振动蠲籁肉损耗翡筑械能量 是一个大予1 的数，反映了压电曩拷振动时克服内摩擦黢消耗的 能量的大小；瓯值越大，机械能损耗越小，则灵敏度会增高，但探头分 辩率却成反比地下降，脉冲变宽，盲隧也增大。本课题在晶片背面填充 阻篷材料降羝讯值，撬矗分辩力，减小盲区溯。 对于换能爨的枧械岛质因索逶鬻定义为换能器魄中心频率与其带宽 之比。 ( 4 ) 压电模量d 3 3 、压电压力常数9 3 3 和压电应力常数e 3 3 匿电模量d 。表示匿电钵斑力恒定时所产生疲囊交纯与电场强度之 魄，即： 机械科学研究院硕士学位论文 文献综述 屯；等( m v ) ( 2 - - 1 1 ) 班8 式中： 岔。厚度方向形变； 辩。乡 翔电歪。 d s s 越大，则由单位外加电压弓l 起魄变形越大，有利于提高鑫片的发 射效率；压电应力常数e 表示压电体应变恒定时，电场强度所产艇的应 力变化与电场强度之比，e 。越大，表示用较小的电压能产生较大的晶片 掇动，魏类晶待在裁俸发射鳌探头时使月较为合适。压电压力常数g 。 表示晶片厚度方向的接收性能。 9 3 3 = 等m 堋( 2 - - 1 2 ) 式中： u p 表示晶片产生的电压； p 表示晶片接收到的声压。 g s 3 大，接收到较小声基也可产生较大戆电压，从焉有剩于箍态接牧 灵敏度m 1 。 本课题中使用的检测方法为脉冲反射法，使用此类方法时选择超声 波探头龋片应注意： a 、有尽可缝高戆浮度方淘豹转换效率，邸k ，要大，径自转换效率 k * 要小，因此惫要大，这样才有剥予提高检测灵敏度； b 、要有尽可能短的脉冲持续时问，雕在激励后能非常快地圈到静 止状态，0 。值臻小，以求获得较高的分辨率和灵敏度。 机械科学酬究院硕士学位论文 c 、晶片的频谱包络应接近高斯曲线，以获得好的波形； d 、要求晶片声阻抗与被梭孝才料声阻抗接近，以乖j 于声阻抗瓯配。 表2 。1 为几秘常捌的压瞧体及冀性能“； 表2 i 常用压电体及其健能 石英0 0 钛酸钡 锆钛酸镪 糖瓣 x 一甥裁 国舔i 0 3( p z t ) 编键酸锯铁酸镣 ( p b n b ：o o )( p b t i 0 3 ) 物理性能 ( s i o ：) a 型b 型4 a 型5 a 型 密度p 1 0 3 k g m ： 2 6 55 75 77 67 55 85 4 声阻抗p 。1 0 3 k g m 31 5 2 3 03 1 53 02 8】62 7 频率簿度嚣数f 。鞠z 秘2 8 7 0 2 6 0 0 2 8 4 01 8 9 01 8 9 01 4 0 0 2 5 0 0 介电常数 4 5 1 7 0 01 2 0 01 2 0 01 5 0 02 2 5 1 0 0 0 蓐度枫毫辗合系数k 。o 。lo 5 2 o 。5 20 5 l0 建9 0 4 2o 。4 5 径向机电耦合系数k 。0 10 2 20 2 2o 5 8o 6 0 0 0 7o 3 0 机械品质因素镰 l 妒4 0 04 0 05 0 07 5l l 最高工作渝度。c5 5 07 0 9 07 0 9 02 5 0 2 9 0 1 1 5 一 1 1 5 一 鼹璺湿度5 7 0 3 2 03 6 05 0 0 1 5 01 5 0 2 1 4 超声探伤仪 在超声检i 燹| | 过程中，离不开超声波探伤仪。超声波探伤仪种类繁多， 分类方法不一，一般工作原理秘基本缝残如图2 。3 示池1 ： 图2 3 超声探伤仪电路方框图 机械科学研究院顶十学位论文 立献综述 c 、晶片的频谱包络应接近高斯曲线，以获得好的波形； d 、要求晶片声阻抗与被检材料声阻抗接近，以利于声阻抗匹配。 表2 1 为几种常用的压电体及其性能“： 表2l 常用压电休及其性能 石英0 0 钛酸钡锆钛酸铅 材料x 一切割 ( b a t i 如)( p z t ) 偏铌酸铝钛酸铅 ( p b n b ：( k )( p b 7 l i ( ) = 1 ) 物理性能、 ( s i o 。) a 型b 型4 a 型5 a 型 密度pi 0 3 k g m 326 5 5 75 77 67 55 85 4 声阻抗p 。1 0 3 k g m 3 15 23 03 1 53 02 81 62 7 频率厚度常数fs k i i z m2 8 7 0 2 6 0 0 2 8 4 01 8 9 01 8 9 01 4 0 02 5 0 0 介电常数e 4 5 1 7 0 01 2 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 2 2 5 1 0 0 0 厚度机电耦台系数k 。 o 10 5 2 0 5 2 05 l0 4 9 0 4 2 0 4 5 径向机电耦合系数k 。0 10 2 20 2 2 0 5 80 6 0 0 0 7o 3 0 机械品质因素q 1 0 64 0 04 0 05 0 07 51 1 最高工作温度。c5 5 07 0 - 9 0 7 0 - 9 02 5 0 2 9 0 1 1 5 1 1 5 居里温度o c 5 7 ( 33 2 03 6 05 0 0 1 5 01 5 0 2 1 4 超声探伤仪 在超声检测过程中，离不开超声波探伤仪。超声波探伤仪种类繁多 分类方法不一，一般工作原理和基本组成如图2 3 示“： 分类方法不一，一般工作原理和基本组成如图2 3 示“： 图2 3 超声探伤仪巾路方框图 l l 机械科学研究院硕上学位论文 文献综述 2 2 超声波在确定焊缝熔深及类似检测中的应用 采用超声波检焊缝熔深是基于超声波入射到金属内部产生的散射、 反射现象。如果金属中存在两个不同晶粒度的分隔界面或者不同的界 面，则在这一分隔界面或者界面超声波会产生散射、反射。反射后的超 声波被换能器接收，以信号的形式显示在探伤仪示波屏上m 。 2 2 1 超声波检测金属淬硬层深度 德国弗朗霍弗学会无损检测研究所研制的超声波测量淬硬层深度 仪器“剐( 采用超声波频率为2 2 m h z ) ，该超声系统主要采用超声背散射技 术测量淬硬层深度，可快速、无损地测定淬硬部件的硬化深度。由于淬 火硬化的表面层晶粒度较细，而未淬火硬化的基体晶粒度较粗，对超声 的散射明显增加，在硬化的表面层与基体的界面上产生超声波散射现象 “。根据最终超声波的传播时间，就可以评估和指示表面与基体之间的 距离，如图2 4 示，( 注：测量的硬化深度l 姗) 图2 4 超声波淬硬层深度检测示意网 该超声检测系统的测量结果与金相检验比较，其结果非常一致。但 机械科学研究院硕士举位论立 该设备所检测工件为平整试件，淬硬层也是深度较为均一的一层，与焊 缝测量的其体清况有徽大差异。诧外，由予焊缝的几何形状为非规则的 拱形趁嚣，超声波在爆缝与基体暴露产生的数射褪反射受为复杂，实践 证明无法用于焊缝深度的检测。 2 2 2超声波检测焊缝熔深的常见方法“7 ”1 l 、斜探头横波检测法。 懿圈2 。5 示，剥爆超声波在基体鄹浑缝的过渡爨委处壶予菇粒度变 化产生的散射现象，进行焊缝熔深的测量。 图2 ，5 斜探头横波检测法婿总图 波形图中，t 为超声波从换能器发射麓经换施器斜楔块入射到试件 表露再折射入试件内，戮达群缝与蒸钵赛霹蠹，焉漆爨露反射基到换戆器 的时闻。 f 。2 生+ 2 生( 2 一1 3 ) c l c s 式中： l 。斜楔块的声程 q斜禊块介覆中怒声静缀渡这度 k基体中起声到焊缝与麓体界氯的声程 c 。熬体中超声横波的速度 辊槭辩学辨究貌鹾士学谴谂文 文融综述 将如。垦尝代入上式，褥 c o s 髟 亨+ 2 尝旦( 2 - - 1 4 ) 。 e s c o s 3 式中： t基体叛浮 辍遐缝蕊深 砉蓐射焦 杰上式可确定熔深淹： 一p 水c o s ( 2 - - 1 5 ， 2 、缀波检测法，如惹2 6 示，稳藤超声波在过渡爨瑟上蠢菇粒度晒变 化产生蔽龛雪现象，进行媾缝薅溪懿溅量。 黧2 6 缓波法獠溅示意瓣 波澎霾中，t 为怒声波扶羧巍溪发黪搭经抉愁臻羲纛入射筏试 孛内， 到达髂缝与鏊体器嚣，露瞻器 蠢i 殿瓣匮到换畿潞牌时阆。烬缝熔深可杰 下式计黧： 嚣= 一肇 ( 2 一1 6 ) 1 4 机械科学耐f 究院硕上学位论文文献综述 式中： 烨缝潞深 羊 基体叛浮 t超声波由界面反射到换能器的时间 c熬体纵波声速 采用上述的几种检测方式，对换能器的要求较高，箕频率必须远远 褰予凿邋鲍超声检溅蹶霉要魄频率( 2 一i o m h z ) 。缀多蘩嚣下，如果选 用的超声换能器频率低，基体与焊缝的声阻抗相差不明显，界颓处就不 会产生明显的反射，熔深的测量自然无从谈起。根据相关记录，检测焊 缝熔深所需超声换能器的频率至少为2 0 m h z “。 2 2 3 超声波检测不巍裂表巍爆缝熔深鳇疯用 以上介绍的常用焊缝及淬硬层深度的超声检测方法，具备一个共 同前提，即超声波入射面为平面。本课题的检测对象如下： 圈2 7 彼梭齿轮上表萄示意图 图2 7 中，齿轮的上表丽由几部分组成，形状较为复杂，采用上述 的检测方法显然己经不合适。查阅相关资料，检测类似被检对蒙的国内 机槭科学研究院硕士学位论义 外技术及产品有如下几种： l 、上海上搴砉邀磁设备公司生产懿齿轮环邀予泵辫缝熔深螽动检测系统 该系统采溺的检测方法与以上几种截然不同。它采嗣级波从齿轮内 壁入射，摄射后聚焦到焊接区蠛。检测使用的超声换龛建嚣频率必5 m h z ， 因为检测频率较低，齿轮基体与焊缝的声阻抗差别不大，如果齿轮环与 基体之润焊接庭好，超声波刘麓够颗剃透遘，如果焊接较差或者没有簿 接，因为荫轮环与基体之间存猩结合颟，造成超声波反射并回剿换能器。 邋过测爨换能器在卷轮内臻中的糕关移动距离爰可确定焊缝鳇燃深。 2 、法国公司生产的齿轮环激光焊缝熔深手动检测仪器 辛串龙汽车有限公瑟使蹋套瘫法国菜公司生产的齿轮环激光爝缝 熔深手动超声检测设备，其检测方法与上海上材电磁设备公司每造的齿 轮环电子窳焊缝熔深检测系统枢似，超声换能器的检测频率嗣为5 m h z ， 但其超声换能器设计较为特别，超声波通过一面镜子的反射后再入射到 齿轮内壤，后折射聚焦至辫接蘧域。强2 8 为其捺能嚣豹羚形示意图。 该系统在实际使用过程中，检测效果不理想。 图2 8 法围公司齿轮环激光焊缝熔深稔测用超声换能器示意图 机械科学研究院硕十学位论文 文献综述 以上两种产品的焊缝熔深检测结果与金相检测的结果相比较，误差 远大子本课题中的要求，但箕采用韵检溺方法对本研究适用。 磋究发现，上述鼹秘产鹣的超声换能器均采爆对称球瑟聚焦形式， 检测精度缘何不能满足本课题要求，最大影响因索应该为超声换能器导 致。本研究中所检测的齿轮环激光焊缝熔深对精度要求较高，误差不能 翘过0 1 2 5 r a m ，因 i 辩：，必须在超声换能器的设计上有所突破，这成为 本课题中最为关键憋一步“。 型! 塑鲎兰鳖堑堕堡鲎焦堡皇球面聚焦换能器声透镜的设计及换能器校验 第三章球面聚焦换能器声透镜的设计及换能器校验 3 。l 实验分柝 进行各种设计工作必须对被检对象有清楚地认识，本研究中，检测对 象如图3 1 示： 图3 1 被检齿轮示意图 拜接琶壤 齿篷臻 齿转由胚 图中，齿轮内径壁至内夕 盥接触面距离为1 3 r a m ，运用超声波测厚 仪测出常温下( 2 0 0 c ) ，该材料中纵波声速为： q & 一5 9 2 m m 强s ( 3 一1 ) 零漫下拳中涎缎波声速戈： c 一1 4 8 m m 芦s ( 3 2 ) 图3 2 即为熔深的金相图： 图3 2 被检齿轮环激光焊缝的实际金相图( 放大5 0 倍) 女! 熊至 堂丛塞堕堡主堂丝鸷文 球面聚焦换能器声透镜的设计及换能器校验 上图中，中间颜色较深部分为焊接区域，待检测的焊缝深度鼹指从 阉中上部颜色最深区域的最低点至中间焊接区域的最低点之间的垂直 距离。分褥匿3 1 ，齿轮丽与母体齿轮为压紧配合，扶上鄂采用激光将 结合面部分高温熔为体，实现焊接的目的。焊接良好的区域，越声波 几乎可以完全透过，而没有焊接或者焊接不健的区域因为存在不连续接 触丽丽反射。予是，通过溺量该反射阐来的能量，舆体表现为超声探伤 仪示波嚣上显示反射豳波，供韵换戆器在逡轮蠹孔中匀速上势，从毳确 定焊接部分的起始、终止位置，然后分析、计算出熔深。激光焊接由于 其自身工艺特点所决定，熔深不可能很深，在通常功率( 1 5 k w ) 情况 下，焊接深度一般为2 m m 左右。所戳，对熔深的检测精度凄求较高。 3 。2 声透壤设计 制作声透镜使用的环氧树脂中声速为： e 。= 2 6 2 r a m z s ( 3 - 3 ) 根据被裣对象的材料将性，选择频率为5 m i z ，直径为l o m m 的窄脉冲、 宽频p z t 压电陶瓷晶片，依茂设诗裁嚣探头。( 该麓片静攘关参数为： 声速：6 0 0 0 m s ；厚度机电耦合系数k t ：0 5 1 ；径向机电耦合系 数k d ：0 5 8 ；工作温度：2 5 0 ”c ) 现有资料表明：以往检测类儆本课题中的对象，换能器的声透镜设 计，缘采尾球瑟聚焦方法，即将超声波入射覆作为平瑟妻