超声自动焊接药筒环焊缝缺陷检测系统的设计

1　焊接药筒环焊缝超声检测方法

1.1　焊接药筒介绍

　　焊接钢质药筒是国营753厂研制定型的火炮药筒。其筒底和筒体是由环焊机焊接而成的。在焊接处，筒底厚度为2.6 mm，筒体厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm宽的环形焊缝，且内表面有起伏，不规则。在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、焊偏等缺陷。为了适应生产线批量生产自动检测的要求，结合成本等因素，采用水浸超声自动检测方法。

1.2　环焊缝超声正交扫描检测方案

　　疵病有点状和线状两种。通过对药筒及环焊缝的具体分析，采取如图1所示方案，从两个方向对焊缝进行正交检测，这样不易漏检，也可根据两个方向获得的信息对缺陷进行定性分析。图1中三个探头装在一个探头架上，全部采用水浸聚焦探头。整个探头和药筒被测部分浸在水中(图中未画出水)。

　　图1(a)中，探头1是发射探头，发射的纵波在水中传播斜入射到药筒筒体，在钢板中产生A1模式的板波。板波沿垂直于焊缝的方向传播，在传播的同时部分能量以纵波的形式向水中辐射，穿过焊缝的板波到达某一点时，其辐射的纵波能量被探头2接收。当板波声束穿过的焊缝处有气孔或焊偏缺陷时，探头2接收到的信号变小。

　　图1(b)中，探头3发射的纵波斜入射到焊缝上，在焊缝中产生表面波，沿焊缝方向传播，当在焊道上距入射点一定距离内有横裂纹、气孔等缺陷时，表面波沿焊缝方向反射，反射回波的部分能量以纵波的形式向水中辐射，被探头3接收形成缺陷反射回波信号(无疵病时，信号幅度为零)。

　　通过对两组探头信号的处理与综合分析，可得出焊道上被测点的焊接情况。这就是检测的基本原理和方法。

2　自动检测系统总体设计

　　根据检测方案，检测系统应具有以下功能：

①两组探头对同一点先后检测，并把各自的回波信号进行处理;

②提取回波信号的主要特征以便分析判断;

③为了获得整个焊道的信息，药筒和探头须有相对运动，使系统对整个圆周的焊缝都能检测到;

④整个系统由微机进行控制和数据处理。根据检测到的数据自动做出结论;

⑤遇到不合格的药筒报警，并能在不合格的位置自动打标记，以便操作人员进行X射线检验核对。

　　根据以上考虑设计的检测系统框图，如图2所示。微机是监控中心，它通过测控及处理电路和各部分有机地联合在一起。测控及处理电路包括两组发射电路，回波信号预处理电路，物位检测电路，打标控制电路，状态指示电路。数据采集电路是用来对处理后的回波信号进行特征提取的，检测系统总的工作过程是：

①先检测药筒是否到位(物位检测)，不到位则等待，到位给出检测指示状态;

②垂直于焊缝的双探头组发射超声波，接收探头接收到信号后进行放大、检波、采样后把数据储存起来。然后单探头发射超声波并把接收到的有用信号经过以上处理后储存起来;

③在微机控制下，步进电机转动一角度，通过传动系统对应药筒转动到下一点;

④重复②的检测，直到药筒转完一圈，这时整个焊道两组探头检测到的数据已经储存起来;

⑤经过数据处理后给出结论，若不合格则报警并在不合格处打标记，需另行处理。然后等待下一发药筒到位，重复以上检测步骤。

3　多输入-单输出适配电路

　　正交检测方案要求对同一点进行两组探头测量。为了两组超声波不混叠，两组探头应先后分别测量，两个回波的后期处理基本相同，而工厂现有CTS-23型单通道探伤仪，为了用一个通道来处理两路信号(采用单通道探伤仪)，设计了多输入-单输出的适配电路。电路框图如图3(a)所示，工作原理是：在计算机的控制之下，控制单元首先让双探头发射，延时一定时间，打开双探头多路转换通道，使双探头接收到的信号经过预处理后，通过多路转换器进入探伤仪进行处理及后期特征提取，然后关闭双探头通道，让单探头发射，延时一定的时间后，打开单探头多路转换通道，让单探头接收的疵病信号，经过预处理后，通过多路转换器进行后期处理(始波信号通不过)，然后关闭单探头通道，完成此次的检测工作 (药筒转到下一点时重复以上步骤) 。其工作时序图如图3 (b)所示。回波信号中，1为始波，2为有用信号波，3为干扰信号，干扰信号幅值时大时小，有时不出现，单探头的疵病信号是随着药筒转动而逐渐向始波移动，当移到某一点时幅值大。

4　疵病信号特征提取电路设计

　　对于双探头组接收信号，在有疵病时表现为信号幅度下降，波形略有变化(和无疵病信号比较)，其主要特征是幅值，通过分析其频谱，有疵病时频谱略有展宽，根据这一特性，在信号处理电路中，设计了适合于无疵病信号频谱的带通滤波器，这样，当有疵病时，幅值进一步下降。对于单探头回波信号，当有横裂纹等疵病时，有疵病信号，其大小与疵病大小有关，所以其特性也是信号的幅值。因此，为了简化处理电路和减少处理时间，特性提取电路的功能就是要采集有用回波信号的峰值。

　　因为探伤仪处理后的回波信号是时域上变化很快的脉冲信号，信号过去后，为了保持住信号的峰值进行A/D转换，设计了如图4所示的两级采保电路。级由分立元件( 高频三极管和阻容等元件)组成，利用电容充电来采集峰值。信号到来时(SW断开)，通过D1给C2充电，由于D1的单向导电性，信号过去后，C2两端的电压等于信号的峰值，但C2的保持能力差，由集成采样保持器LF398在级峰保的基础上采保。所以对采集速度要求不高，它的保持特性很好，满足A/D转换的要求。

　　由于单、双探头组的回波信号中，不仅有有用信号，还有一些始波及干扰信号存在，所以须根据超声波传播的时间来控制峰保电路，使其保持有用信号的峰值，而使干扰信号不影响其输出，在下一次采样前，须使电容C2上的充电放掉(SW接通)，为此设计的控制信号KZ1，KZ2，KZ3的时序如图5所示。