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嘉峪檢測網 2023-04-01 08:25
汽車變速器通常采用焊接齒輪組結構，其具有體積小、重量輕、產品結構及制造工藝相對簡單、生產效率高和成本低等優點。汽車行駛過程中，變速器齒輪不斷地受到沖擊和振動作用，同時還要傳遞動力，承載高負荷扭矩，故齒輪焊縫易出現問題，進而導致變速器失效。因此，需要通過檢查、試驗和無損檢測等方法來控制齒輪焊縫質量。
汽車齒輪的焊接方法主要為電子束焊和激光焊，一般采用無坡口對接。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。焊接質量控制方法包括焊縫微觀組織檢查、齒輪扭矩試驗、焊縫表面檢查、無損檢測等。其中前兩項屬于破壞性檢查試驗，一般在產品定型階段驗證焊接工藝時采用；后兩項則是批量產品生產中控制焊接表面質量和焊縫內部缺陷必不可少的方法。齒輪焊縫內部缺陷包括氣孔、熔深不足、裂紋、未熔合等。
數十年來，汽車齒輪焊縫無損檢測普遍采用的方法為脈沖反射法超聲檢測，該方法掃查速度較慢，圖像的分辨率、信噪比等指標較差。文章采用相控陣超聲技術對汽車齒輪焊縫實施檢測，以探討該技術在齒輪焊縫檢測中的可行性。
齒輪焊縫相控陣超聲檢測技術
在分析脈沖反射法超聲技術應用優缺點的基礎上，對齒輪焊縫相控陣超聲檢測的技術、設備、工藝進行研究。
1 掃查面和檢測方向選擇
汽車變速器齒輪組多采用空心軸設計。脈沖反射法超聲檢測選擇軸內壁作為掃查面，其優點是內壁形狀規則，便于實施旋轉掃查；且探頭離焊縫較近，可避開齒輪復雜形狀帶來的各種雜亂信號的影響。另一方面，內壁掃查的超聲波束方向垂直于焊縫深度方向，利于發現缺陷和測量熔深，因此，相控陣超聲檢測跟脈沖反射法一樣，采用從空心軸內壁對焊縫進行掃查的方案。
2 掃描方法和數據采集速度對比
相控陣超聲技術掃描焊縫的具體方法為：在軸線方向采用電子掃描，在圓周方向采用機械掃描，探頭旋轉一圈即可完成一道齒輪環焊縫的檢測；而脈沖反射法掃描焊縫的具體方法為：探頭與齒輪相對運動，形成軌跡為螺旋線的機械掃描，探頭或齒輪需要旋轉很多圈才能完成一道齒輪環焊縫的檢測。
如果檢測要求分辨率為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，一次激發孔徑為4 mm，電子掃描最大行程為12 mm，完成一道環焊縫檢測探頭只需旋轉1圈；而脈沖反射法掃描則需要探頭與齒輪相對旋轉24圈才能完成檢測，也就是說，相控陣超聲的掃描和完成數據采集速度比脈沖反射法快20～30倍。
3 探頭與掃查前端設計
按照檢測技術和質量標準的要求選擇相控陣探頭參數，包括頻率、晶片尺寸、陣元數、陣元寬度、陣元長度等，并結合不同齒輪的規格尺寸和結構設計制作適配的探頭，根據檢測現場條件和耦合方法設計制作適用的掃查系統前端。
相控陣超聲探頭采用壓電復合材料制作，與脈沖反射法探頭使用的壓電材料鋯鈦酸鉛相比，其發射接收系數值提高了5～25倍，機械品質因數降低至原來的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，探頭帶寬指標提升了2級，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系統主機：
① 通用型儀器Omniscan MX3；
② 自研的專用儀器ZT-SC-W1。
前者是多用途儀器，功能更多，技術性能指標更穩定；后者是專用設備，體積小，重量輕，操作簡便，成本低。
相控陣超聲儀器比脈沖反射法超聲儀器先進2～3代，對于各項功能和性能指標，例如電子電路的帶寬、降噪、濾波、信號發射接收、信號處理速度、顯示圖像性能、數據存儲能力等，兩者具有代差，不具有可比性。
5 電動掃查器研發
研制了ZTCY-A型電動掃查器，其采用步進電機驅動。設計了一種前端可更換結構，適用于內腔直徑大于19 mm的各規格齒輪焊縫檢測，并且該結構既能用于水浸法檢測掃查，又能用于直接接觸法檢測掃查。
6 耦合方法選擇
采用兩種耦合方法分別進行檢測試驗，即以水為耦合劑的水浸檢測法和以凝膠為耦合劑的直接接觸檢測法。前者需要配備水浸系統設備，適宜自動檢測；后者方便靈活，可使用電動掃查器進行半自動檢測，對工件形狀結構、規格尺寸、場地條件的適應性更好。
7 專用軟件和圖形顯示處理功能
開發了具有較多功能的齒輪相控陣檢測專用軟件，可提供5種視圖以展示檢測結果，包括從相互垂直的三個方向進行觀察的三向視圖以及通過映射方法進行重構的仿形視圖。軟件功能包括測量缺陷的五圖聯動指針、去除不相干信號的數據層析處理等。
齒輪焊縫相控陣超聲檢測試驗
1 試驗參考標準和驗收條件
受某汽車齒輪廠委托，對兩種型號焊接齒輪進行相控陣檢測試驗，以檢查兩種齒輪的焊接工藝，同時評價相控陣技術應用于汽車焊接齒輪檢測的可行性和可靠性。
試驗參考標準GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》，利用平底孔試塊進行系統校準，檢測靈敏度設置為ф0.5 mm平底孔回波達滿屏高度的80%。
由于汽車齒輪焊縫相控陣超聲檢測沒有驗收標準，委托單位參照國外某企業標準給出驗收條件：
① 焊縫不允許存在裂紋；
② 體積型缺陷數量不超過3個；
③ 單個缺陷尺寸不大于3 mm；
④ 缺陷長度之和不超過焊縫長度的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 第一種齒輪檢測試驗
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，采用不開坡口的真空電子束焊接成型，其結構尺寸及相控陣檢測探頭掃查位置如圖1所示。
圖1 第一種齒輪結構及探頭位置示意
焊縫中心至空心軸內壁距離為8.4 mm，齒輪1的空心軸內徑為47 mm，具備從內壁實施掃查的檢測條件。研制可伸進空心軸內的掃查器前端以及與內徑適配的探頭，就可以從空心軸內表面對環焊縫實施掃查。
試驗設備
試驗采用ZTCY-A型電動掃查器，配合Omniscan MX3型主機，通過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；通過電機驅動前端旋轉完成周向的掃查覆蓋，探頭旋轉365°即完成一道環焊縫的數據采集，用時12 s。
檢測參數
選擇直接接觸法實施檢測。在空心軸內壁涂布凝膠作為耦合劑，掃查時探頭的楔塊與工件內壁接觸，超聲波通過楔塊進入齒輪對焊縫實施掃查。
根據靈敏度和探測聲程要求，結合工件情況，選擇以下參數：
① 一次激發6個陣元，激發孔徑為3 mm；
② 聚焦深度設置在焊縫中心，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。
儀器校準和檢測掃查過程順利，系統工作平穩，數據采集完整，靈敏度、分辨率、信噪比滿足標準要求。
檢測圖譜與數據分析
第一種齒輪焊縫的相控陣檢測圖譜如圖2～4所示。通過三向視圖展示相控陣檢測結果，有助于正確判斷信號性質，準確測量缺陷位置和尺寸。有關說明如下：
圖2 第一種齒輪檢測的G掃描(俯視)顯示
圖3 第一種齒輪檢測的D掃描顯示
圖4 第一種齒輪檢測的C掃描顯示
(1) 圖2為利用離線軟件的映射重構功能制作的從齒輪頂部向下看的G掃描顯示。通過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為從軸空腔內向外看的整圈焊縫展開后的C掃描顯示，可以清晰顯現焊縫上各點的熔深數據。筆者使用專用軟件的層析功能將距離焊縫僅1.5 mm的結構孔的反射信號去除，使信號觀察和評定不受影響。焊縫熔深不足的測量結果如表1所示。
表1 第一種齒輪焊縫的熔深不足缺陷數據
(4) 檢測未發現裂紋、氣孔等焊接缺陷,但有3處局部熔深小于2.5 mm，評定為熔深不足，不合格。
試件解剖驗證
選擇熔深不足的3#缺陷進行解剖，采用線切割加工方法從113.1°至293.1°方位剖開齒輪，解剖位置如圖5所示。其中113.1°點位相控陣檢測熔深合格；293.1°點位相控陣檢測熔深不合格。
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。從試件剖面測量得到的焊縫熔深數據如下：
① 113.1°點位的焊縫熔深為4 mm，合格；
② 293.1°點位的焊縫熔深為1.6 mm，不合格。剖面上實測數據和相控陣圖譜的測量數據相符。
圖6 第一種齒輪剖面照片
圖7 第一種齒輪293.1°點位剖面圖（焊縫熔深1.6 mm）
圖8 第一種齒輪113.1°點位剖面圖（焊縫熔深4 mm）
3 第二種齒輪檢測試驗
第二種齒輪焊接結構如圖9所示。其焊縫直徑為53 mm，材料為20MnCr5。試驗采用水浸法檢測，將整個齒輪浸入水槽，掃查器前端伸進軸心空腔，探頭距離空腔內壁適當距離，使焊縫位置的回波信號出現在水層的一次反射波后面，二次反射波前面。
圖9 第二種齒輪焊接結構示意
試驗結果表明，水浸法相控陣檢測效果同樣優良，所采集的數據完整，靈敏度、分辨率、信噪比滿足標準要求。檢測未發現焊縫中有裂紋、熔深不足等缺陷，但發現多個氣孔。第二種齒輪檢測數據評定結果如表2所示，檢測信號圖譜如圖10～12所示。
表2 第二種齒輪焊縫檢測數據評定結果
圖10 第二種齒輪檢測的G掃描顯示
圖11 第二種齒輪檢測的C掃描顯示
圖12 第二種齒輪倒角造成的檢測盲區示意
由于齒輪空心軸內壁有高度為3 mm的倒角結構，會引起超聲信號傳輸耦合不良和波束紊亂，造成工件近表面處出現約2.5 mm的超聲未覆蓋區，如圖12所示。為此向焊接齒輪設計制造部門特別強調：需要進行脈沖反射法超聲或相控陣超聲檢測的焊接齒輪，其空心軸內壁不能采用倒角結構。
結語
1 利用相控陣超聲技術檢測齒輪焊縫是可行的，在數據采集速度、氣孔檢出靈敏度、熔深線完整顯示、熔深不足數據的高精度測量以及圖像分辨率、記錄、存儲、顯示功能等各個方面，相控陣超聲均顯示出優良的特性。
2 此次試驗未在試件中制作裂紋缺陷，所以試驗無法提供裂紋的相控陣技術檢出數據。但是近十年來有專家學者對相控陣超聲與脈沖反射法超聲技術的裂紋檢出率進行過大量對比研究，結果表明，相控陣超聲技術的裂紋檢出能力優于脈沖反射技術。
3 在汽車齒輪焊縫檢測中推廣應用相控陣超聲技術能顯著提高檢測效率和可靠性，進而提高齒輪焊接質量，降低變速器失效概率和汽車故障率。
來源：無損檢測NDT
