分享：全自動汽車蓄能器焊縫檢測設(shè)備的設(shè)計及應(yīng)用

蓄能器（又稱蓄壓器）是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置，常用于系統(tǒng)保壓、吸收壓力沖擊、吸收壓力脈沖、儲存能量以及作為輔助動力源補償壓力等。汽車動力系統(tǒng)中金屬蓄能器是用來蓄存高壓液（氣）的關(guān)鍵部件，包括波紋管蓄能器、隔膜蓄能器和活塞蓄能器等不同種類。其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到汽車動力總成系統(tǒng)的整體性能，因此蓄能器殼體件焊縫內(nèi)部的裂紋、疏松、氣孔、夾雜等缺陷對蓄能器的安全使用有極大地影響。電子束焊接（Electron beam welding，EBW）是近年來迅速發(fā)展起來的一種焊接技術(shù)，其利用高速電子流撞擊工件，撞擊過程中將動能轉(zhuǎn)化為熱能使工件快速熔化，從而實現(xiàn)焊接連接[1]。受材料結(jié)構(gòu)及焊接條件等的限制，焊縫位置金屬強度要弱于非焊接區(qū)域的，而隨著蓄能器內(nèi)壓力的增大，焊縫位置容易破裂，無法滿足技術(shù)要求。以汽車隔膜蓄能器為例，其殼體件焊縫主要包括油端接頭與上殼體焊縫、上殼體與下殼體焊縫，剖面示意如圖1所示。 

圖  1  汽車隔膜蓄能器剖面示意

汽車蓄能器殼體件在加工完成以后需要進行徹底檢查，往往因其種類和型號繁多，大小、形狀、結(jié)構(gòu)和焊縫位置等千變?nèi)f化，人工檢測難以徹底檢測到焊縫內(nèi)部，并且檢測效率低、重復性差，對檢測人員的要求較高，人工成本高[2]。無損檢測的可追溯性與質(zhì)量控制方法對于保證檢測結(jié)果的可靠性與準確性至關(guān)重要，這也是零部件研制、生產(chǎn)過程的普遍要求，故迫切需要全自動智能化的檢測設(shè)備來保證檢測結(jié)果穩(wěn)定、準確、可靠。 

針對此現(xiàn)狀和需求，發(fā)明了一套倒掛式夾持檢測工件自轉(zhuǎn)、探頭固定、全水浸耦合的全自動汽車蓄能器焊縫檢測設(shè)備，其核心活動零部件不用浸泡在水中，可靠性好，能夠24 h穩(wěn)定工作。研制出開口導套式多自由度自適應(yīng)探頭夾具，其可快速穩(wěn)定地吻合不同種類和型號汽車蓄能器的掃查部位，確保機械爪夾持蓄能器旋轉(zhuǎn)時，探頭和檢測部位的相對位置不變，大大提高了檢測精度和效率。生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測設(shè)備能滿足不同種類和型號的汽車蓄能器全自動無損檢測需求，實現(xiàn)對汽車蓄能器真空電子束焊縫的全面快速掃查評估檢測，支持A掃+S掃+D掃，檢測圖像及掃查數(shù)據(jù)可實時自動采集、記錄和顯示。 

1.   檢測原理

設(shè)備采用的扇形掃描(S-Scan)可使陣列中相同晶片發(fā)射的聲束在某一聚焦深度掃描范圍內(nèi)移動，對于其他不同焦點深度可擴大掃描范圍[3]。一個聚焦法則形成一條聲束，任意兩條聲束之間的間隔角度相同[4]。采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，可提高檢測速度，自由變換超聲波束方向，以及調(diào)節(jié)焦點甚至實現(xiàn)動態(tài)聚焦，能夠在探頭固定的情況下滿足關(guān)注區(qū)域的檢測需求[5]。汽車隔膜蓄能器焊縫聲束覆蓋示意如圖2所示，通過采用不同角度扇形掃描的一次波、二次波，可檢測整個焊縫區(qū)域，實現(xiàn)真空電子束焊縫的全覆蓋檢測。 

圖  2  汽車隔膜蓄能器焊縫聲束覆蓋示意

2.   檢測方法

焊縫內(nèi)部的裂紋、未熔合、氣孔、夾雜等缺陷的聲阻抗比殼體本身材料的聲阻抗小得多，所以在缺陷處會有大部分聲能反射回探頭。采用相控陣模塊與小徑管探頭，可快速實現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷的掃查。結(jié)合S掃+D掃的成像結(jié)果，可輕松識別焊縫中的缺陷，并獲得缺陷在焊縫中的位置和深度信息。當缺陷波高超過預(yù)設(shè)的閘門波高時，會有缺陷提示及聲光報警，從而實現(xiàn)自動化輔助判傷功能。對于汽車蓄能器焊縫的檢測，可將汽車蓄能器完全浸于液面以下，以水作為耦合液，然后將小徑管探頭對準蓄能器焊縫的掃查部位不動，汽車蓄能器旋轉(zhuǎn)一周，超聲波就可以覆蓋需要檢測的區(qū)域，完成整個掃查。汽車蓄能器焊縫的掃查方式示意如圖3所示。 

圖  3  汽車蓄能器焊縫的掃查方式示意

3.   檢測設(shè)備的設(shè)計

3.1   方案確定

設(shè)備的研制目標是要實現(xiàn)對汽車蓄能器的24 h全自動上下料、檢測和分揀等功能。蓄能器立式自轉(zhuǎn)的掃查結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是旋轉(zhuǎn)臺固定后自轉(zhuǎn)吸住蓄能器底部轉(zhuǎn)動，探頭動作后固定；另一種是旋轉(zhuǎn)爪動作后自轉(zhuǎn)夾住蓄能器頂部轉(zhuǎn)動，探頭全程固定。兩種掃查結(jié)構(gòu)中，小徑管探頭均浸泡在耦合液中不直接接觸蓄能器，由與其匹配的水楔塊定位。水楔塊與蓄能器的掃查部位是否接觸，由探頭夾具的結(jié)構(gòu)決定。由于蓄能器采用水浸式檢測，需要將蓄能器浸于水中，若采用固定式旋轉(zhuǎn)臺自轉(zhuǎn)的掃查結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)臺需長期浸泡在水中工作，零部件極易生銹，從而影響結(jié)構(gòu)安全可靠性和檢測精度，后續(xù)設(shè)備維護成本也較高。因此，設(shè)備采用第二種掃查結(jié)構(gòu)。 

3.2   設(shè)備構(gòu)成

設(shè)備主要由全自動機械平臺、相控陣檢測系統(tǒng)和檢測軟件3部分構(gòu)成。 

3.2.1   全自動機械平臺

機械平臺結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，所有全自動檢測動作分別在待檢測區(qū)、檢測區(qū)和分揀區(qū)完成，3個區(qū)的動作各成獨立系統(tǒng)，動作時序有機銜接。 

圖  4  機械平臺結(jié)構(gòu)示意

（1）機架 

該設(shè)備動載荷較大，沖擊振動大，且對精度要求高，因此機架采用底部方通焊接座架+四周鋁型材骨架+鈑金開門的設(shè)計形式。方通焊接座架可以提供穩(wěn)定的支撐，確保設(shè)備在搬運和使用過程中保持穩(wěn)定。鋁型材骨架由4040和4080鋁型材進行搭接，能夠提供穩(wěn)定的支撐，并且可以方便地與其他組件進行連接，使骨架具有輕便、靈活、易于組裝和拆卸的特點，其最大優(yōu)點是可以循環(huán)利用，有效降低成本。鈑金門板可以保護設(shè)備內(nèi)部的部件，并且可以方便地開合，便于設(shè)備的維護和修理。 

（2）機械手 

機械手安裝在機架上，是機械平臺實現(xiàn)全自動的核心執(zhí)行件。動作執(zhí)行件的核心部件，可以根據(jù)實際應(yīng)用場景和需求選擇機械臂或者組合滑臺，實現(xiàn)檢測工件全自動上下料及全自動檢測。此設(shè)備動作簡單，故采用性價比高的組合滑臺，該組合滑臺由F形端架、三軸組合滑臺、旋轉(zhuǎn)夾爪、手指、保壓裝置等組成。通過PLC（可編程邏輯控制器）控制三軸組合滑臺移動旋轉(zhuǎn)爪抓取工件自轉(zhuǎn)完成整個檢測流程。 

（3）耦合系統(tǒng) 

耦合系統(tǒng)由水槽、水位刻度尺、自動補液水路、溢流水路等組成。自動補液水路由水泵、電磁水閥、非接觸式液位傳感器、過濾裝置、進水管及配附件等組成。其具備水位自動補充功能，當液位傳感器檢測到水位低于設(shè)定范圍時，會控制電磁水閥開合以保證水位回到設(shè)定值；當水位高于設(shè)定水位時，水會從溢流水路溢出，直至回到設(shè)定值。 

（4）電控系統(tǒng) 

電控系統(tǒng)由電氣元件、電氣電源、傳感器和控制器4個基本單元組成。該系統(tǒng)用于控制和操作現(xiàn)場機械設(shè)備，是實現(xiàn)自動化和智能化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。電氣元件包含按鈕、繼電器、接觸器、驅(qū)動器、中控觸摸屏、PLC等，用于控制電路的連接和斷開，實現(xiàn)對設(shè)備的控制。電氣電源包含電源接入、變壓器、懸臂控箱、配電箱等設(shè)備，負責將輸入電壓轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需的電壓，并對電控系統(tǒng)進行供電。傳感器是電控系統(tǒng)中的重要組成部分，包括光電傳感器、液位傳感器、安全光柵等，用于感知設(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境信息，并將感知到的信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給電控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對設(shè)備的精確控制。PLC是電控系統(tǒng)中的大腦，其根據(jù)傳感器的反饋信息和預(yù)設(shè)的控制程序，對設(shè)備進行控制。 

3.2.2   相控陣檢測系統(tǒng)

相控陣檢測系統(tǒng)是專門為自動化檢測系統(tǒng)集成配套的，具有多機組合和多組相控陣或常規(guī)檢測的功能，可以滿足超大自動化檢測系統(tǒng)的配套檢測需求，支持二次開發(fā)的相控陣超聲A掃、B掃、C掃、D掃、S掃和P掃等快速成像檢測平臺，由觸摸電腦一體機（PC電腦）、CTS-PA22M型相控陣超聲檢測模塊、相控陣雙晶探頭及掃查裝置等組成。儀器端與電腦端通過網(wǎng)線進行連接并通過串口與PLC模塊連接通信，實現(xiàn)全自動檢測。 

根據(jù)檢測需求，文章系統(tǒng)配置1臺CTS-PA22M型相控陣超聲檢測模塊（并行16通道，最大重復頻率為20 kHz），1套相控陣小徑管雙晶探頭，1套掃查裝置（旋轉(zhuǎn)夾爪掃查精度為0.036°/脈沖）。掃查裝置包含旋轉(zhuǎn)夾爪、頂部探頭夾具和中部探頭夾具。探頭夾具是確保機械爪夾持汽車蓄能器旋轉(zhuǎn)時，探頭和檢測部位的相對位置不變從而實施高效檢測的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。通過匹配汽車蓄能器外形，研制出不同規(guī)格的導套+楔塊，可適應(yīng)不同種類和型號蓄能器的大小、形狀和焊縫位置等的變化，并穩(wěn)定地吻合汽車蓄能器檢測部位。結(jié)構(gòu)布局上，旋轉(zhuǎn)夾爪安裝在組合滑臺上，相控陣小徑管雙晶探頭一分為二，分別安裝在頂部探頭夾具和中部探頭夾具中，探頭夾具又各自安裝在水槽內(nèi)側(cè)兩壁的轉(zhuǎn)接板上，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。 

圖  5  掃查裝置結(jié)構(gòu)示意

3.2.3   檢測軟件

檢測軟件基于PC電腦，以現(xiàn)場檢測的基本流程為設(shè)計理念。檢測軟件界面如圖6所示，其支持A掃+C掃+D掃+S掃，檢測圖像及掃查數(shù)據(jù)可實時自動采集、記錄，可對掃查數(shù)據(jù)進行在線和離線分析，支持圖像處理、缺陷測量、定位分析、TCG曲線定量。檢測時，通過計算預(yù)先設(shè)定的成像框進行D掃成像，并將超過設(shè)定閘門波高的缺陷顯示在環(huán)形示意圖中的相應(yīng)角度位置，同時進行聲光報警提示。整個檢測過程無需檢測人員參與，系統(tǒng)可自動判別缺陷。檢測結(jié)束后，可進行在線分析或離線分析。離線分析增加了某一聲束的B掃成像功能，方便檢測人員更好地分析缺陷。成像由各聲束A掃數(shù)據(jù)產(chǎn)生，同步顯示A掃、S掃、D掃的圖像，其檢測結(jié)果可根據(jù)客戶需求自動生成報告，并以電子文件格式存儲，以備日后溯源。 

圖  6  汽車蓄能器焊縫檢測軟件界面

4.   試驗及結(jié)果

為驗證設(shè)備的準確性和穩(wěn)定性，在國內(nèi)某大型車企零配件生產(chǎn)廠，采用上述檢測工藝對50件汽車隔膜蓄能器樣品進行測量系統(tǒng)分析。該50件檢測樣品中有3件含缺陷，另47件無缺陷，缺陷是根據(jù)用戶企業(yè)標準預(yù)制的人工鉆孔，如圖7所示。50件汽車隔膜蓄能器試件分別重復測量3次，結(jié)果表明，研制的設(shè)備可清晰、穩(wěn)定、準確地識別出3件含缺陷樣品，缺陷圖像如圖8所示。 

圖  7  檢測樣品中的預(yù)制人工鉆孔

圖  8  汽車蓄能器焊縫檢測得到的缺陷圖像

該設(shè)備投入實際生產(chǎn)運行1年多，適用于流水線作業(yè)，能清晰、穩(wěn)定、準確地檢測到波紋管、隔膜和活塞等不同種類和型號的汽車蓄能器金樣中直徑為0.3，0.6，1.6 mm的人工鉆孔和槽長為5 mm，寬為0.2 mm，深為3 mm的圓弧刻槽，并且能判斷其焊縫熔深是否達標，以及焊縫內(nèi)部的裂紋、虛焊、氣孔、夾雜等缺陷，滿足標準NB/T 47013.15的規(guī)定。 

設(shè)備檢測節(jié)拍不大于60 s(含取放時間)，能24 h穩(wěn)定工作。與人工探傷大概30 min/個的檢測速度進行對比，文章設(shè)備的檢測效率提高了30倍，單套設(shè)備的汽車蓄能器年檢測量高達525 000個。 

5.   結(jié)論與應(yīng)用

（1）通過匹配汽車蓄能器外形，研制出的開口導套式多自由度自適應(yīng)夾具，能快速穩(wěn)定地吻合不同種類和型號汽車蓄能器的掃查部位，解決了掃查部位結(jié)構(gòu)空間狹窄造成的探頭翹起和定位不準等技術(shù)難題。 

（2）采用了基于深度學習的目標檢測器算法，通過對大量缺陷工件圖像的學習以及采集數(shù)據(jù)驗證，軟件算法不斷迭代優(yōu)化，人工智能判傷功能可準確快速識別出所有缺陷件。解決了汽車蓄能器結(jié)構(gòu)波影響探傷判別，以及不同種類和型號汽車蓄能器的大小、形狀和焊縫位置等的不同導致全自動智能化探傷難以實現(xiàn)等技術(shù)困難。 

（3）相控陣探頭磨損為零，極大地降低了檢測成本。 

（4）設(shè)備可應(yīng)用于實際生產(chǎn)，為汽車制造業(yè)提供了一種高效、可靠的焊縫質(zhì)量保障手段。

文章來源——材料與測試網(wǎng)