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汽車(chē)變速器通常采用焊接齒輪組結(jié)構(gòu)，其具有體積小、重量輕、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。汽車(chē)行駛過(guò)程中，變速器齒輪不斷地受到?jīng)_擊和振動(dòng)作用，同時(shí)還要傳遞動(dòng)力，承載高負(fù)荷扭矩，故齒輪焊縫易出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致變速器失效。因此，需要通過(guò)檢查、試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)等方法來(lái)控制齒輪焊縫質(zhì)量。

 

汽車(chē)齒輪的焊接方法主要為電子束焊和激光焊，一般采用無(wú)坡口對(duì)接。該焊接方法的焊縫深寬比較大，其深度一般為2.5～8 mm，焊縫剖面呈Y形。焊接質(zhì)量控制方法包括焊縫微觀組織檢查、齒輪扭矩試驗(yàn)、焊縫表面檢查、無(wú)損檢測(cè)等。其中前兩項(xiàng)屬于破壞性檢查試驗(yàn)，一般在產(chǎn)品定型階段驗(yàn)證焊接工藝時(shí)采用；后兩項(xiàng)則是批量產(chǎn)品生產(chǎn)中控制焊接表面質(zhì)量和焊縫內(nèi)部缺陷必不可少的方法。齒輪焊縫內(nèi)部缺陷包括氣孔、熔深不足、裂紋、未熔合等。

 

數(shù)十年來(lái)，汽車(chē)齒輪焊縫無(wú)損檢測(cè)普遍采用的方法為脈沖反射法超聲檢測(cè)，該方法掃查速度較慢，圖像的分辨率、信噪比等指標(biāo)較差。文章采用相控陣超聲技術(shù)對(duì)汽車(chē)齒輪焊縫實(shí)施檢測(cè)，以探討該技術(shù)在齒輪焊縫檢測(cè)中的可行性。

 

齒輪焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

 

在分析脈沖反射法超聲技術(shù)應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)齒輪焊縫相控陣超聲檢測(cè)的技術(shù)、設(shè)備、工藝進(jìn)行研究。

 

1 掃查面和檢測(cè)方向選擇

 

汽車(chē)變速器齒輪組多采用空心軸設(shè)計(jì)。脈沖反射法超聲檢測(cè)選擇軸內(nèi)壁作為掃查面，其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)壁形狀規(guī)則，便于實(shí)施旋轉(zhuǎn)掃查；且探頭離焊縫較近，可避開(kāi)齒輪復(fù)雜形狀帶來(lái)的各種雜亂信號(hào)的影響。另一方面，內(nèi)壁掃查的超聲波束方向垂直于焊縫深度方向，利于發(fā)現(xiàn)缺陷和測(cè)量熔深，因此，相控陣超聲檢測(cè)跟脈沖反射法一樣，采用從空心軸內(nèi)壁對(duì)焊縫進(jìn)行掃查的方案。

 

2 掃描方法和數(shù)據(jù)采集速度對(duì)比

 

相控陣超聲技術(shù)掃描焊縫的具體方法為：在軸線方向采用電子掃描，在圓周方向采用機(jī)械掃描，探頭旋轉(zhuǎn)一圈即可完成一道齒輪環(huán)焊縫的檢測(cè)；而脈沖反射法掃描焊縫的具體方法為：探頭與齒輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成軌跡為螺旋線的機(jī)械掃描，探頭或齒輪需要旋轉(zhuǎn)很多圈才能完成一道齒輪環(huán)焊縫的檢測(cè)。

 

如果檢測(cè)要求分辨率為0.5 mm，焊縫熔深方向覆蓋范圍為12 mm，采用間距為0.5 mm的32陣元相控陣超聲線陣列探頭，一次激發(fā)孔徑為4 mm，電子掃描最大行程為12 mm，完成一道環(huán)焊縫檢測(cè)探頭只需旋轉(zhuǎn)1圈；而脈沖反射法掃描則需要探頭與齒輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)24圈才能完成檢測(cè)，也就是說(shuō)，相控陣超聲的掃描和完成數(shù)據(jù)采集速度比脈沖反射法快20～30倍。

 

3 探頭與掃查前端設(shè)計(jì)

 

按照檢測(cè)技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇相控陣探頭參數(shù)，包括頻率、晶片尺寸、陣元數(shù)、陣元寬度、陣元長(zhǎng)度等，并結(jié)合不同齒輪的規(guī)格尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作適配的探頭，根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件和耦合方法設(shè)計(jì)制作適用的掃查系統(tǒng)前端。

 

相控陣超聲探頭采用壓電復(fù)合材料制作，與脈沖反射法探頭使用的壓電材料鋯鈦酸鉛相比，其發(fā)射接收系數(shù)值提高了5～25倍，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)降低至原來(lái)的1/10～1/30。相控陣超聲探頭與脈沖反射法探頭相比，靈敏度提高了12～24 dB，探頭帶寬指標(biāo)提升了2級(jí)，縱向分辨率提高了2～3倍。

 

4 相控陣超聲儀器選擇

 

可使用兩種相控陣儀器作為檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)：

 

① 通用型儀器Omniscan MX3；

 

② 自研的專(zhuān)用儀器ZT-SC-W1。

 

前者是多用途儀器，功能更多，技術(shù)性能指標(biāo)更穩(wěn)定；后者是專(zhuān)用設(shè)備，體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)便，成本低。

 

相控陣超聲儀器比脈沖反射法超聲儀器先進(jìn)2～3代，對(duì)于各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)，例如電子電路的帶寬、降噪、濾波、信號(hào)發(fā)射接收、信號(hào)處理速度、顯示圖像性能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力等，兩者具有代差，不具有可比性。

 

5 電動(dòng)掃查器研發(fā)

 

研制了ZTCY-A型電動(dòng)掃查器，其采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)了一種前端可更換結(jié)構(gòu)，適用于內(nèi)腔直徑大于19 mm的各規(guī)格齒輪焊縫檢測(cè)，并且該結(jié)構(gòu)既能用于水浸法檢測(cè)掃查，又能用于直接接觸法檢測(cè)掃查。

 

6 耦合方法選擇

 

采用兩種耦合方法分別進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，即以水為耦合劑的水浸檢測(cè)法和以凝膠為耦合劑的直接接觸檢測(cè)法。前者需要配備水浸系統(tǒng)設(shè)備，適宜自動(dòng)檢測(cè)；后者方便靈活，可使用電動(dòng)掃查器進(jìn)行半自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)工件形狀結(jié)構(gòu)、規(guī)格尺寸、場(chǎng)地條件的適應(yīng)性更好。

 

7 專(zhuān)用軟件和圖形顯示處理功能

 

開(kāi)發(fā)了具有較多功能的齒輪相控陣檢測(cè)專(zhuān)用軟件，可提供5種視圖以展示檢測(cè)結(jié)果，包括從相互垂直的三個(gè)方向進(jìn)行觀察的三向視圖以及通過(guò)映射方法進(jìn)行重構(gòu)的仿形視圖。軟件功能包括測(cè)量缺陷的五圖聯(lián)動(dòng)指針、去除不相干信號(hào)的數(shù)據(jù)層析處理等。

 

齒輪焊縫相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)

 

1 試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收條件

 

受某汽車(chē)齒輪廠委托，對(duì)兩種型號(hào)焊接齒輪進(jìn)行相控陣檢測(cè)試驗(yàn)，以檢查兩種齒輪的焊接工藝，同時(shí)評(píng)價(jià)相控陣技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)焊接齒輪檢測(cè)的可行性和可靠性。

 

試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32563-2016《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》，利用平底孔試塊進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，檢測(cè)靈敏度設(shè)置為ф0.5 mm平底孔回波達(dá)滿屏高度的80%。

 

由于汽車(chē)齒輪焊縫相控陣超聲檢測(cè)沒(méi)有驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，委托單位參照國(guó)外某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出驗(yàn)收條件：

 

① 焊縫不允許存在裂紋；

 

② 體積型缺陷數(shù)量不超過(guò)3個(gè)；

 

③ 單個(gè)缺陷尺寸不大于3 mm；

 

④ 缺陷長(zhǎng)度之和不超過(guò)焊縫長(zhǎng)度的5%；

 

⑤ 第一種齒輪的焊縫熔深不小于2.5 mm，第二種齒輪的焊縫熔深不小于4 mm。

 

2 第一種齒輪檢測(cè)試驗(yàn)

 

工件概況

 

試件由齒輪1和齒輪2組成,將齒輪2套裝在齒輪1的空心軸上，采用不開(kāi)坡口的真空電子束焊接成型，其結(jié)構(gòu)尺寸及相控陣檢測(cè)探頭掃查位置如圖1所示。

 

 

圖1 第一種齒輪結(jié)構(gòu)及探頭位置示意

 

焊縫中心至空心軸內(nèi)壁距離為8.4 mm，齒輪1的空心軸內(nèi)徑為47 mm，具備從內(nèi)壁實(shí)施掃查的檢測(cè)條件。研制可伸進(jìn)空心軸內(nèi)的掃查器前端以及與內(nèi)徑適配的探頭，就可以從空心軸內(nèi)表面對(duì)環(huán)焊縫實(shí)施掃查。

 

試驗(yàn)設(shè)備

 

試驗(yàn)采用ZTCY-A型電動(dòng)掃查器，配合Omniscan MX3型主機(jī)，通過(guò)電子掃描完成焊接熔深范圍的覆蓋；使用32陣元的線陣探頭，設(shè)置頻率為10 MHz，晶片間距為0.5 mm，電子掃描的最大行程為14 mm；通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前端旋轉(zhuǎn)完成周向的掃查覆蓋，探頭旋轉(zhuǎn)365°即完成一道環(huán)焊縫的數(shù)據(jù)采集，用時(shí)12 s。

 

檢測(cè)參數(shù)

 

選擇直接接觸法實(shí)施檢測(cè)。在空心軸內(nèi)壁涂布凝膠作為耦合劑，掃查時(shí)探頭的楔塊與工件內(nèi)壁接觸，超聲波通過(guò)楔塊進(jìn)入齒輪對(duì)焊縫實(shí)施掃查。

 

根據(jù)靈敏度和探測(cè)聲程要求，結(jié)合工件情況，選擇以下參數(shù)： 

 

① 一次激發(fā)6個(gè)陣元，激發(fā)孔徑為3 mm；

 

② 聚焦深度設(shè)置在焊縫中心，距離掃查面8.3 mm；

 

③ 電子掃描角度選擇0°，掃描行程選擇13 mm。

 

儀器校準(zhǔn)和檢測(cè)掃查過(guò)程順利，系統(tǒng)工作平穩(wěn)，數(shù)據(jù)采集完整，靈敏度、分辨率、信噪比滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

檢測(cè)圖譜與數(shù)據(jù)分析

 

第一種齒輪焊縫的相控陣檢測(cè)圖譜如圖2～4所示。通過(guò)三向視圖展示相控陣檢測(cè)結(jié)果，有助于正確判斷信號(hào)性質(zhì)，準(zhǔn)確測(cè)量缺陷位置和尺寸。有關(guān)說(shuō)明如下：

 

圖2 第一種齒輪檢測(cè)的G掃描(俯視)顯示

 

圖3 第一種齒輪檢測(cè)的D掃描顯示

 

圖4 第一種齒輪檢測(cè)的C掃描顯示

 

(1) 圖2為利用離線軟件的映射重構(gòu)功能制作的從齒輪頂部向下看的G掃描顯示。通過(guò)該圖可以快速瀏覽焊縫的缺陷情況，缺陷在圓周方向的分布一目了然。

 

(2) 圖3為焊縫剖面上3個(gè)缺陷的D掃描顯示。相控陣軟件可以切出任意位置的剖面圖，以便精確測(cè)量缺陷深度、高度和在焊縫寬度方向的位置。

 

(3) 圖4為從軸空腔內(nèi)向外看的整圈焊縫展開(kāi)后的C掃描顯示，可以清晰顯現(xiàn)焊縫上各點(diǎn)的熔深數(shù)據(jù)。筆者使用專(zhuān)用軟件的層析功能將距離焊縫僅1.5 mm的結(jié)構(gòu)孔的反射信號(hào)去除，使信號(hào)觀察和評(píng)定不受影響。焊縫熔深不足的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

 

表1 第一種齒輪焊縫的熔深不足缺陷數(shù)據(jù)

 

(4) 檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等焊接缺陷,但有3處局部熔深小于2.5 mm，評(píng)定為熔深不足，不合格。

 

試件解剖驗(yàn)證

 

選擇熔深不足的3#缺陷進(jìn)行解剖，采用線切割加工方法從113.1°至293.1°方位剖開(kāi)齒輪，解剖位置如圖5所示。其中113.1°點(diǎn)位相控陣檢測(cè)熔深合格；293.1°點(diǎn)位相控陣檢測(cè)熔深不合格。

 

 

圖5 第一種齒輪的線切割解剖位置示意

 

解剖后的齒輪剖面照片如圖6～8所示。從試件剖面測(cè)量得到的焊縫熔深數(shù)據(jù)如下：

 

① 113.1°點(diǎn)位的焊縫熔深為4 mm，合格；

 

② 293.1°點(diǎn)位的焊縫熔深為1.6 mm，不合格。剖面上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和相控陣圖譜的測(cè)量數(shù)據(jù)相符。

 

圖6 第一種齒輪剖面照片

 

圖7 第一種齒輪293.1°點(diǎn)位剖面圖（焊縫熔深1.6 mm）

 

圖8 第一種齒輪113.1°點(diǎn)位剖面圖（焊縫熔深4 mm）

 

3 第二種齒輪檢測(cè)試驗(yàn)

 

第二種齒輪焊接結(jié)構(gòu)如圖9所示。其焊縫直徑為53 mm，材料為20MnCr5。試驗(yàn)采用水浸法檢測(cè)，將整個(gè)齒輪浸入水槽，掃查器前端伸進(jìn)軸心空腔，探頭距離空腔內(nèi)壁適當(dāng)距離，使焊縫位置的回波信號(hào)出現(xiàn)在水層的一次反射波后面，二次反射波前面。

 

 

圖9 第二種齒輪焊接結(jié)構(gòu)示意

 

試驗(yàn)結(jié)果表明，水浸法相控陣檢測(cè)效果同樣優(yōu)良，所采集的數(shù)據(jù)完整，靈敏度、分辨率、信噪比滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)焊縫中有裂紋、熔深不足等缺陷，但發(fā)現(xiàn)多個(gè)氣孔。第二種齒輪檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)定結(jié)果如表2所示，檢測(cè)信號(hào)圖譜如圖10～12所示。

 

表2 第二種齒輪焊縫檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)定結(jié)果

 

圖10 第二種齒輪檢測(cè)的G掃描顯示

 

圖11 第二種齒輪檢測(cè)的C掃描顯示

 

圖12 第二種齒輪倒角造成的檢測(cè)盲區(qū)示意

 

由于齒輪空心軸內(nèi)壁有高度為3 mm的倒角結(jié)構(gòu)，會(huì)引起超聲信號(hào)傳輸耦合不良和波束紊亂，造成工件近表面處出現(xiàn)約2.5 mm的超聲未覆蓋區(qū)，如圖12所示。為此向焊接齒輪設(shè)計(jì)制造部門(mén)特別強(qiáng)調(diào)：需要進(jìn)行脈沖反射法超聲或相控陣超聲檢測(cè)的焊接齒輪，其空心軸內(nèi)壁不能采用倒角結(jié)構(gòu)。

 

結(jié)語(yǔ)

 

1 利用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)齒輪焊縫是可行的，在數(shù)據(jù)采集速度、氣孔檢出靈敏度、熔深線完整顯示、熔深不足數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量以及圖像分辨率、記錄、存儲(chǔ)、顯示功能等各個(gè)方面，相控陣超聲均顯示出優(yōu)良的特性。

 

2 此次試驗(yàn)未在試件中制作裂紋缺陷，所以試驗(yàn)無(wú)法提供裂紋的相控陣技術(shù)檢出數(shù)據(jù)。但是近十年來(lái)有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)相控陣超聲與脈沖反射法超聲技術(shù)的裂紋檢出率進(jìn)行過(guò)大量對(duì)比研究，結(jié)果表明，相控陣超聲技術(shù)的裂紋檢出能力優(yōu)于脈沖反射技術(shù)。

 

3 在汽車(chē)齒輪焊縫檢測(cè)中推廣應(yīng)用相控陣超聲技術(shù)能顯著提高檢測(cè)效率和可靠性，進(jìn)而提高齒輪焊接質(zhì)量，降低變速器失效概率和汽車(chē)故障率。