复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置及方法与流程

本发明涉及超声波检测领域，特别涉及一种复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置及方法。

背景技术：

搅拌摩擦点焊是一种新型的焊接方法，用以代替能耗大、质量不稳定、变形大、焊接飞溅严重的电阻点焊和成本高、噪音大、增加重量的铆接技术。主要应用在汽车、航空等领域，具有推动轻量化及提高运载能力的意义。

在工业生产中，超声波无损检测常用来对工件内部缺陷进行定性、定量检测。由于搅拌摩擦点焊焊点内部缺陷的取向通常具有随机性，在实际的检测中不论是直探头检测还是斜探头检测都只对取向在一定范围内的缺陷具有敏感性，所以采用单一方法对搅拌摩擦点焊进行检测都容易发生漏检的现象，这将给生产生活带来巨大的安全隐患。

目前针对取向随机的缺陷检测主要为相控阵超声检测，但相控阵超声检测装置价格高，对检测人员的技术水平要求高，很难在工业中广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对搅拌摩擦点焊缺陷取向随机的问题，将tofd检测和直探头检测相结合，提供了一种更加可靠的超声波检测装置及方法；本发明实现机械自动化，避免手持操作的人为因素影响，精确度高；通过工业计算机进行数据分析并对结果进行可视化，降低检测操作人员的技术门槛。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置，包含工业计算机1、电动转台2、复合超声检测机构3和平面位移机构4，所述工业计算机1通过数据线分别与电动转台2、复合超声检测机构3和平面位移机构4相连，驱动机构运动及超声检测，并采集反馈的超声回波信号；所述电动转台2和复合超声检测机构3安装到平面位移机构4上，并在平面位移机构4的带动下实现x向和y向的移动；所述复合超声检测机构3安装到电动转台2上，并在电动转台2的带动下实现绕z轴的平面360°回转运动；

所述复合超声检测机构3包含框架模块3-1、直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3，所述框架模块3-1支撑和固定直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3；所述直探头检测模块3-2包含一个直探头3-2-1，对焊点进行超声波a扫描检测；所述tofd检测模块3-3对焊点进行tofd超声波检测，包含两个tofd探头3-3-1、两个tofd探头固定支架3-3-2和双探头一体驱动机构3-3-3，其中，两个tofd探头3-3-1分别固定在两个tofd探头固定支架3-3-2上，两个tofd探头固定支架3-3-2分别固定在双探头一体驱动机构3-3-3两端，并在双探头一体驱动机构3-3-3的驱动下实现同步的靠近/远离运动，以调整检测距离。

所述的双探头一体驱动机构3-3-3是：电机3-3-3-1的输出轴通过电机轮3-3-3-2与皮带3-3-3-3啮合，皮带压板3-3-3-4将皮带3-3-3-3压紧在三角位移板3-3-3-5上，三角位移板3-3-3-5为等腰三角形，其双侧等长边与双侧tofd探头驱动板3-3-3-6呈线接触；当电机3-3-3-1运动时，电机轴转动，带动皮带3-3-3-3进行回转运动，从而使皮带压板3-3-3-4及三角位移板3-3-3-5呈往复直线运动；当三角位移板3-3-3-5前进时，双侧tofd探头驱动板3-3-3-6在三角位移板3-3-3-5双侧等长边的推动下同步双向远离，从而带动两个tofd探头3-3-1同步远离；当三角位移板3-3-3-5后退时，双侧tofd探头驱动板3-3-3-6在双侧弹簧3-3-3-7的推动和三角位移板3-3-3-5双侧等长边的限位下同步双向靠近。

所述的电机3-3-3-1为步进电机，通过电机固定装置固定在框架模块3-1的上盘3-1-2上。

所述的电动转台2为微型电动伺服旋转台，包含内部电机和外部转盘，所述外部转盘固定在内部电机的电机轴上，在内部电机的驱动下实现绕z轴的平面360°回转；复合超声检测机构3通过螺钉固定到电动转台2的外部转盘上。

所述的框架模块3-1包含外壳3-1-1、上盘3-1-2和下盘3-1-3，所述外壳3-1-1通过螺钉将上盘3-1-2和下盘3-1-3固定在其内部，起支撑和固定作用；所述上盘3-1-2安装电机3-3-3-1，下盘3-1-3安装直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3。

所述的直探头检测模块3-2包含直探头3-2-1和直探头固定装置3-2-2；直探头3-2-1固定在直探头固定装置3-2-2里，直探头固定装置3-2-2固定在下盘3-1-3的中心位置。

所述的平面位移机构4包含工作台4-1、x向移动装置4-2和y向移动装置4-3；所述x向移动装置4-2通过螺栓固定在工作台4-1上，y向移动装置4-3安装在x向移动装置4-2上，并在x向移动装置4-2中的步进电机的带动下实现x方向上的移动；电动转台2通过螺栓固定在y向移动装置4-3的平台上，并通过y向移动装置4-3中的步进电机实现电动转台2和复合超声检测机构3在y方向上的移动；所述平面位移机构4工作时通过x向移动装置4-2和y向移动装置4-3带动电动转台2和复合超声检测机构3在平面上定位移动进行检测。

本发明的另一目的在于提供一种复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测方法，包含如下步骤：

步骤一、采用直探头检测模块3-2进行步进覆盖式超声c扫描检测，获得搅拌摩擦点焊焊点的直径、中心位置坐标以及内部与表面平行的焊接缺陷信息，包含以下子步骤：

1.1将待检测试件放置在工作台4-1上，启动工业计算机1，设置平面位移机构的x向、y向位移及步长，使扫查区域完全覆盖需要检测的焊点区域；

1.2工业计算机1发出检测指令，平面位移机构4带动电动转台2和复合超声检测机构3到达预定位置开始进行步进式平面扫查；

1.3直探头检测模块3-2在每个步进点发射/接收超声波信号，并将超声a回波信号反馈给工业计算机1；同时平面位移机构4中的步进电机将步进信号反馈给工业计算机1；工业计算机1将步进信号转换为位置信息，并实时存储位置信息及当前位置的超声a回波信号；

1.4重复步骤1.3，直至完成平面扫查；

1.5工业计算机1通过位置信息与超声a回波信号，得出搅拌摩擦点焊焊点的中心坐标及直径；

步骤二、采用tofd检测模块3-3在搅拌摩擦点焊焊点的表面进行旋转覆盖式超声c扫描检测，获得搅拌摩擦点焊焊点内部与表面不平行的焊接缺陷信息，包含以下子步骤：

2.1根据工业计算机1反馈的搅拌摩擦点焊焊点的中心坐标，平面位移机构4带动电动转台2和复合超声检测机构3到达搅拌摩擦点焊焊点的中心位置；

2.2根据工业计算机1反馈的搅拌摩擦点焊焊点的直径，两个tofd探头3-3-1在双探头一体驱动机构3-3-3的驱动下实现同步的靠近/远离运动，以调整检测距离；

2.3电动转台2带动复合超声检测机构3绕搅拌摩擦点焊焊点的中心做180°步进式旋转；

2.4tofd检测模块3-3在每个步进点发射/接收超声波信号，获取当前位置搅拌摩擦点焊焊点的tofd检测信息，并将检测信号反馈给工业计算机1；

2.5工业计算机1根据tofd信号，获取搅拌摩擦点焊焊点的超声tofd回波信号。

步骤三、工业计算机1根据直探头检测模块3-2的超声检测结果与tofd检测模块3-3的超声检测结果，形成最终的搅拌摩擦点焊焊点超声c扫描图像。

本发明的有益效果在于：利用机械装置扫查，超声波定位检测精度更高；自动化程度高，降低了对检测人员专业性的要求；将两种焊接方法相结合，提高缺陷的识别率。本发明将tofd检测和直探头检测结果相结合，提供了一种更加可靠的超声波检测装置及方法；实现机械自动化，避免手持操作的人为因素的影响，精确度高；通过工业计算机进行数据分析并对结果进行可视化，降低检测操作人员的技术门槛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置的整体结构示意图；

图2为本发明的复合超声检测机构的结构示意图；

图3为本发明的双探头一体驱动机构的结构示意图；

图4为本发明的tofd检测模块及直探头检测模块的剖视结构示意图；

图5为本发明的超声探头扫查轨迹示意图。

图中：1、工业计算机；2、电动转台；3、复合超声检测机构；4、平面位移机构；3-1、框架模块；3-1-1、外壳；3-1-2、上盘；3-1-3、下盘；3-2、直探头检测模块；3-2-1、直探头；3-2-2、直探头固定装置；3-3、tofd检测模块；3-3-1、tofd探头；3-3-2、tofd探头固定支架；3-3-3、双探头一体驱动机构；3-3-3-1、电机；3-3-3-2、电机轮；3-3-3-3、皮带；3-3-3-4、皮带压板；3-3-3-5、三角位移板；3-3-3-6、双侧tofd探头驱动板；3-3-3-7、双侧弹簧；4-1、工作台；4-2、x向移动装置；4-3、y向移动装置。

具体实施方式

下面结合附图，以直径为10mm的搅拌摩擦点焊工件检测为例，进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置由工业计算机、电动转台、复合超声检测机构和平面位移机构组成。检测方法采用平面位移机构带动电动转台和复合超声检测机构进行平面扫查，电动转台带动复合超声检测机构进行旋转扫查，利用直探头和tofd探头对焊点进行超声检测并通过工业计算机的内置算法将位移数据、直探头和tofd探头的检测数据在工业计算机中进行处理整合形成图像，实现搅拌摩擦点焊的缺陷可视化。

参见图1所示，本发明的复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置，包含工业计算机1、电动转台2、复合超声检测机构3和平面位移机构4，所述工业计算机1通过数据线分别与电动转台2、复合超声检测机构3和平面位移机构4相连，用于驱动机构运动及超声检测，并采集反馈的超声回波信号；所述电动转台2和复合超声检测机构3安装到平面位移机构4上，并在平面位移机构4的带动下实现x向和y向的移动；所述复合超声检测机构3安装到电动转台2上，并在电动转台2的带动下实现绕z轴的平面360°回转运动；

参见图2及图4所示，所述复合超声检测机构3完成超声波的发射与接收，获取搅拌摩擦点焊焊点的检测数据并传回工业计算机1，结构包含框架模块3-1、直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3，所述框架模块3-1用于支撑和固定直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3；所述直探头检测模块3-2包含一个直探头3-2-1，用于对焊点进行超声波a扫描检测；所述tofd检测模块3-3包含两个tofd探头3-3-1，用于对焊点进行tofd超声波检测。

参见图2及图4所示，所述tofd检测模块3-3通过电机驱动达到合适的检测距离，完成超声波的发射与接收，获取搅拌摩擦点焊焊点的tofd检测数据，其结构包含两个tofd探头3-3-1、两个tofd探头固定支架3-3-2和双探头一体驱动机构3-3-3，其中，两个tofd探头3-3-1分别固定在两个tofd探头固定支架3-3-2上，两个tofd探头固定支架3-3-2分别固定在双探头一体驱动机构3-3-3两端，并在双探头一体驱动机构3-3-3的驱动下实现同步的靠近/远离运动，以达到合适的检测距离。

参见图2及图3所示，所述的双探头一体驱动机构3-3-3包含电机3-3-3-1、电机轮3-3-3-2、皮带3-3-3-3、皮带压板3-3-3-4、三角位移板3-3-3-5、双侧tofd探头驱动板3-3-3-6和双侧弹簧3-3-3-7；所述电机3-3-3-1的输出轴通过电机轮3-3-3-2与皮带3-3-3-3啮合，皮带压板3-3-3-4将皮带3-3-3-3压紧在三角位移板3-3-3-5上，三角位移板3-3-3-5为等腰三角形，其双侧等长边与双侧tofd探头驱动板3-3-3-6呈线接触；当电机3-3-3-1运动时，电机轴转动，带动皮带3-3-3-3进行回转运动，从而使皮带压板3-3-3-4及三角位移板3-3-3-5呈往复直线运动；当三角位移板3-3-3-5前进时，双侧tofd探头驱动板3-3-3-6在三角位移板3-3-3-5双侧等长边的推动下同步双向远离，从而带动两个tofd探头3-3-1同步远离；当三角位移板3-3-3-5后退时，双侧tofd探头驱动板3-3-3-6在双侧弹簧3-3-3-7的推动和三角位移板3-3-3-5双侧等长边的限位下同步双向靠近。

参见图1所示，所述电动转台2为微型电动伺服旋转台，通过转动与其固定的复合超声检测机构3实现旋转扫查，结构包含内部电机和外部转盘。所述外部转盘固定在内部电机的电机轴上，能够在内部电机的驱动下实现绕z轴的平面360°回转；所述复合超声检测机构3通过螺钉固定到电动转台2的外部转盘上。工作时电动转台2带动复合超声检测机构3绕搅拌摩擦点焊焊点的中心做180°步进式旋转，获取tofd检测信号传回工业计算机1。

参见图2所示，所述框架模块3-1用于支撑和固定复合超声检测机构3的部件，结构包含外壳3-1-1、上盘3-1-2和下盘3-1-3。所述外壳3-1-1通过螺钉将上盘3-1-2和下盘3-1-3固定在其内部，起支撑和固定作用；所述上盘3-1-2用于安装电机3-3-3-1及其传动机构，所述下盘3-1-3用于安装直探头检测模块3-2和tofd检测模块3-3。

参见图4所示，所述的直探头检测模块3-2包含直探头3-2-1和直探头固定装置3-2-2；直探头3-2-1固定在直探头固定装置3-2-2里，直探头固定装置3-2-2固定在下盘3-1-3的中心位置。工作时直探头3-2-1对焊点进行超声波a扫描检测并将数据传回工业计算机1。

参见图2所示，所述电机3-3-3-1为步进电机，由电机固定装置固定在上盘3-1-2上。

参见图1所示，所述平面位移机构4完成对搅拌摩擦点焊焊点的平面定位扫查，结构

包含工作台4-1、x向移动装置4-2和y向移动装置4-3；所述x向移动装置4-2用螺栓固定在工作台4-1上，y向移动装置4-3安装在x向移动装置4-2上，并通过x向移动装置4-2中的步进电机的带动下实现x方向上的移动；所述电动转台2通过螺栓固定在y向移动装置4-3的平台上，并通过y向移动装置4-3中的步进电机实现电动转台2和复合超声检测机构3在y方向上的移动。所述平面位移机构4工作时通过x向移动装置4-2和y向移动装置4-3带动电动转台2和复合超声检测机构3在平面上定位移动进行检测。

在工作状态下，本发明的复合式超声检测搅拌摩擦点焊的检测装置的运动方式为：

步骤一、采用直探头检测模块3-2进行步进覆盖式超声c扫描检测，获得搅拌摩擦点焊焊点的直径、中心位置坐标以及内部与表面平行的焊接缺陷信息，包含以下子步骤：

1.1将待检测试件放置在工作台4-1上，启动工业计算机1，设置平面位移机构x、y的位移及步长，使扫查区域完全覆盖需要检测的焊点区域；

1.2工业计算机1发出检测指令，平面位移机构4带动电动转台2和复合超声检测机构3到达预定位置开始进行步进式平面扫查；扫查开始时，y向移动装置4-3中的步进电机启动，y向移动装置4-3带动电动转台2和复合超声检测机构3沿y方向扫查一条位移长度的直线后终止运动；x向移动装置4-2中的步进电机启动，x向移动装置4-2带动电动转台2和复合超声检测机构3沿x方向移动一个步长后终止运动；y向移动装置4-3中的步进电机启动，y向移动装置4-3带动电动转台2和复合超声检测机构3沿y的反方向扫查一条位移长度的直线后终止运动；x向移动装置4-2中的步进电机启动，x向移动装置4-2带动电动转台2和复合超声检测机构3沿x方向移动一个步长后终止运动。

1.3直探头检测模块3-2在每个步进点发射/接收超声波信号，并将超声a回波信号反馈给工业计算机1；同时平面位移机构4中的步进电机将步进信号反馈给工业计算机1；工业计算机1根据内置算法将步进信号转换为位置信息，并实时存储位置信息及当前位置的超声a回波信号；

1.4重复1.3，直至完成平面扫查；

1.5工业计算机1根据内置算法将位置信息与超声a回波信号进行综合处理，计算出搅拌摩擦点焊焊点的中心坐标及直径。

步骤二、采用tofd检测模块3-3在搅拌摩擦点焊焊点的表面进行旋转覆盖式超声c扫描检测，获得搅拌摩擦点焊焊点内部与表面不平行的其他焊接缺陷信息，包含以下子步骤：

2.1根据工业计算机1反馈的搅拌摩擦点焊焊点的中心坐标，平面位移机构4带动电动转台2和复合超声检测机构3到达搅拌摩擦点焊焊点的中心位置；

2.2根据工业计算机1反馈的搅拌摩擦点焊焊点的直径，两个tofd探头3-3-1在双探头一体驱动机构3-3-3的驱动下实现同步的靠近/远离运动，以达到合适的检测距离；

2.3电动转台2带动复合超声检测机构3绕搅拌摩擦点焊焊点的中心做180°步进式旋转；

2.4tofd检测模块3-3在每个步进点发射/接收超声波信号，获取当前位置搅拌摩擦点焊焊点的tofd检测信息，并将检测信号反馈给工业计算机1；

2.5工业计算机1根据内置算法处理tofd信号，获取搅拌摩擦点焊焊点的超声tofd回波信号。

步骤三、工业计算机1根据内置算法将直探头检测模块3-2的超声检测结果与tofd检测模块3-3的超声检测结果综合处理，由工业计算机1形成最终的搅拌摩擦点焊焊点超声c扫描图像。

参见图5所示，本发明具体检测方式为在被检测试件表面进行x-y向步进覆盖式扫查，扫查范围为20*20mm，步长为80μm；在被检测试件表面进行以焊点为中心的覆盖式旋转扫查。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。