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技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及对孔类零件的相控阵超声检测领 域。

背景技术

发动机缸体作为一种典型的孔类零件，是发动机整个系统中重要的一 部分，在工作中易出现漏水或者漏油的现象，出现这些故障的原因是由于 缸体存在裂纹缺陷，由于其材料特殊，直接对其进行更换，成本太高，不 符合可持续发展战略，对其进行再制造修复则在很大程度上节约了成本。 为了清楚要修复的对象，在再制造修复前对缸体缺陷的定性则显得十分重 要，因此无损检测发挥了很大的作用。

常用的五大无损检测方法主要有磁粉检测、涡流检测、渗透检测、射 线检测、超声检测，这些技术方法能够完成对工件的表面、近表面及内部 缺陷的检测，但是他们的应用也具有局限性，很难对复杂构件进行检测， 随着工业领域对无损检测的要求越来越高，相控阵超声检测技术开始从医 学领域应用到工业检测，并迅速成为一种高效、快速的检测方法。

目前，相控阵超声检测已经成功的应用于管道焊缝、曲轴、汽轮机叶 片等复杂构件的检测，在实际检测中一般是通过耦合剂将探头、楔块、工 件连接在一起对特定区域进行B(S)扫描，通过显示图像确定缺陷位置。 但是，对于发动机缸体而言，其结构复杂，由于其表面形状的特殊性，常 用的相控阵检测装置、检测方法都无法对发动机进行全方位的扫描，尤其 是无法对发动机的特定区域进行扫描，甚至探头无法放置，这就给发动机 缺陷的超声检测带来了很大的困难。

发明内容

针对上述问题，本发明希望提供一种能够用于对发动机进行无损检测 的孔类零件内孔相控阵超声检测装置，该装置能够对各种复杂结构的工件 进行无损检测，而且能够避免探头与工件之间因耦合剂的均匀性带来的耦 合问题，提高检测系统的稳定性，减少人为因素的影响。本发明为一些特 殊形状、同时又很难确定检测位置的孔类零件，如齿轮、叶轮、发动机缸 体等，提供了一种新的无损检测解决方法。

具体而言，本发明提供一种孔类零件内孔缺陷相控阵超声检测装置，其 特征在于，所述相控阵超声检测装置包括：探头定位装置、相控阵超声探 头、信号处理装置、探测容器、台架，所述探测容器和所述探头定位装置 均安装在所述台架上，所述探头定位装置包括纵向滑块、横向滑块、纵向 滑道、横向滑道、传动杆、探头夹，所述纵向滑道竖直固定在所述台架上， 所述纵向滑块与所述纵向滑道匹配，套在所述纵向滑道上，并且能够沿着 所述纵向滑道在竖直方向滑动，所述横向滑道的一端水平地固定在所述纵 向滑块上，并且，所述横向滑道上安装有所述横向滑块，所述横向滑块与 所述横向滑道匹配并且能够在所述横向滑道上水平滑动，所述传动杆的一 端安装在所述横向滑块上，所述探头夹安装在所述传动杆的另一端上，所 述相控阵超声探头安装在所述探头夹上，所述横向滑道悬在所述探测容器 上方，并且所述传动杆的下端能够伸入所述探测容器中；所述探测容器中 具有超声传导介质，在所述超声检测装置工作时，所述相控阵超声探头和 待测孔类零件均侵入在所述超声传导介质中，并且所述相控阵超声探头能 够与所述待测孔类零件的内孔的轴线平行地伸入到所述孔类零件的内孔 中。

在一种优选实现方式中，所述传动杆为中空结构，所述相控阵超声探 头通过数据连接线与所述信号处理装置相连接，所述数据连接线穿过所述 伸缩管的中空腔体连接到所述信号处理装置。

在另一种优选实现方式中，所述相控阵超声探头为180°半圆形探头， 其具有32个晶片，所述相控阵超声探头的半径小于所述待测孔类零件的内 孔半径。

在另一种优选实现方式中，所述传动杆的一端通过轴承固定在所述横 向滑块上，并且所述传动杆能够360°转动以控制所述相控阵超声探头的扫 描范围。

在另一种优选实现方式中，所述信号处理装置包括相控阵超声探伤仪 及与所述相控阵超声探伤仪连接的计算机。

在另一种优选实现方式中，所述相控阵超声探伤仪，具有128个通道， 能够同时激发32个晶片。

在另一种优选实现方式中，信号处理装置能够接收所述相控阵超声探 头的输出信号，基于所述输出信号进行探伤检测，并且输出相应检测结果。

在另一种优选实现方式中，还包括第一步进电机和第二步进电机，所 述第一步进电机安装在所述纵向滑块内部，并且能够驱动所述纵向滑块在 所述纵向滑道上竖直滑动；所述第二步进电机安装在所述横向滑块内部， 并且能够驱动所述横向滑块在所述横向滑道上水平滑动。

在另一种优选实现方式中，所述相控阵超声检测装置还包括步进电机 驱动器，所述步进电机驱动器分别与所述第一步进电机和第二步进电机相 连接，用于分别驱动所述第一步进电机和第二步进电机。

在另一种优选实现方式中，所述第一步进电机上连接有第一齿轮，所 述纵向滑道上安装有第一齿条，所述第一齿轮与所述第一齿条匹配并且彼 此咬合；所述第二步进电机上连接有第二齿轮，所述横向滑道上安装有第 二齿条，所述第二齿轮与所述第二齿条匹配并且彼此咬合。

在另一种优选实现方式中，所述相控阵超声探头每个晶片宽度为0.5～ 5mm，晶片长度为10～20mm，晶片间隙为0.1～0.5mm。优选地，所述晶 片的宽度与长度的比值为1/8。本申请的发明人发现，采用该比值所获得的 超声信号质量要明显高于采用其他比值，平均信噪比为通常的2倍以上。

在另一种优选实现方式中，在每个扫描周期，所述相控阵超声探头先 沿着顺时针方向旋转360度，再沿着逆时针方向旋转360度。这是由于在 进行超声检测时，超声探头的旋转会给检测结果带来一定影响。本申请的 发明人发现，这种影响是与探头的旋转方向存在一定关联的，为了克服这 种影响，本申请的超声探头在旋转时，先在第一个方向旋转一定角度(360、 720等以此类推，更优选地，为360*n+5度，在这种情况下可以将信号减去 边缘部分，可以消除边缘部分的影响。)，然后，在相反方向旋转相同角度， 然后，通过计算机中的处理器，将第一次扫描和第二次扫描所获得的在相 同位置的信号进行叠加求平均，这样所获得的信号克服了旋转的影响。

此外，本发明之所以采用半圆的探头而非圆形的是因为在检测孔类零 件时，探头需要尽可能的贴合孔壁。如果采用其他形状的探头，在探头转 动或上下移动时，会带来孔内水的较大波动，而采用半圆形探头，为水的 回流提供了足够的空间。

有益效果

(1)本发明利用独特设计的相控阵超声探头解决了形状复杂、同时又 很难确定检测位置的孔类零件内孔缺陷检测困难的问题；(2)本发明的检 测环境为水中，避免了探头与工件之间因耦合剂耦合不良导致声波强度降 低的问题，检测可重复性高，信号稳定；(3)本发明将相控阵超声探头固 定在探头夹处，通过探头定位装置控制探头，保证了检测过程中探头的稳 定性，降低了人为因素的影响，提高了检测的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的孔类零件内壁缺陷相控阵超声检测装置的整 体示意图；

图2为图1所示实施例中的相控阵超声检测装置的俯视示意图；

图3为图1所示实施例中的相控阵超声检测装置的侧视示意图；

图4为所述实施例中相控阵超声检测装置的滑道与滑块工作原理示意 图；

图5为所述实施例中相控阵超声检测装置的齿轮检测示意图；

图6为所述实施例中相控阵超声检测装置的相控阵超声探头的圆周线性 排列示意图；

图7为所述实施例中相控阵超声检测装置探头的安装示意图；

其中，图中附图标记的含义如下：

1：纵向滑块；2：横向滑块；3：纵向滑道；4：横向滑道；5：传动杆； 6：探头夹；7：探头；8：水箱；9：台架；10：导线；11：信号处理装置； 12：步进电机；13：齿条；14：齿轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例仅用于对本 发明的具体实现方式进行描述性说明，以便本领域技术人员更好地理解本 发明的内容，但本发明的保护范围不限于下述实施例，凡是对本发明技术 方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均 应涵盖在本发明保护范围中。

图1-3示出了本实施例的相控阵超声检测装置的主视、俯视和左视视 图。如图所示，该相控阵超声检测装置包括：纵向滑块1、横向滑块2、纵 向滑道3、横向滑道4、传动杆5、探头夹6、相控阵超声探头7、水箱8、 台架9、信号处理装置11、步进电机12、齿条13、齿轮14。其中，纵向滑 块1、横向滑块2、纵向滑道3、横向滑道4、传动杆5、探头夹6、步进电 机12、齿条13、齿轮14，可以统称为探头定位装置。在本实施例中，信号 处理装置11采用集相控阵超声探伤仪和专用软件于一体的集成计算机。或 者信号处理装置11可以包括分立的相控阵超声探伤仪和具有超声信号处理 能力的计算机。本实施例中采用的相控阵超声探伤仪具有128个通道，能 够同时激发32个晶片。能够完成常规的超声检测又能完成相控阵检测，连 接探头与探伤仪的信号线沿着传动杆经过横向滑块与集成计算机连接，专 用软件与相控阵探伤仪配套能够较好的完成对缺陷信号的处理、显示，检 测结果准确直观(超声信号的处理采用常规软件进行，这里不再详述)。

从图1中可以看出水箱8放置于台架9之上，纵向滑道3竖直地固定 在台架9的一侧，纵向滑块1套在纵向滑道3上，与纵向滑道3匹配。参 见图3，竖直滑道的一侧上具有一排齿条13，齿条从上到下均匀排布，齿 轮14通过轴承安装在纵向滑块1上，能够相对于滑块转动。一个步进电机 12与齿轮14固定在一起能够驱动齿轮14转动。齿条13和齿轮14彼此咬 合，从而当齿轮14在步进电机的驱动下转动时，能够带动纵向滑块1上下 移动。

如图1和2所示，横向滑道4的一端水平地固定在纵向滑块3上，由 于纵向滑块1与纵向滑道3紧密配合，能够保证横向滑道4保持水平。横 向滑道4上安装有横向滑块2，横向滑块2套在横向滑道4上，与横向滑道 4匹配。并且横向滑块2上安装有另一个步进电机12以及齿轮14，横向滑 道4上安装有另一个齿条13，该齿条与齿轮14也彼此咬合匹配，步进电机 12能够驱动齿轮14旋转，当齿轮14旋转时通过与齿条13的咬合力，能够 带动横向滑块2相对于横向滑道4水平滑动。图4中更详细地画出了齿轮 14与齿条13间的配合。

继续参照图1-3，传动杆5的上端竖直地安装在横向滑块2上，探头夹 6安装在传动杆5的下端上。相控阵超声探头7安装在探头夹6上，横向滑 道4悬在水箱8上方，并且传动杆5的下端能够伸入水箱8中。水箱8中 装有超声传导介质，在本实施例中，采用水作为传导介质。在超声检测装 置工作时，相控阵超声探头7和待测孔类零件(本实施例中为发动机的缸 体或者带孔齿轮)均侵入在超声传导介质中。

图5示出了对带孔齿轮进行检测的情形。孔类零件的孔向上放置，要 对某一个孔进行检测时，首先将纵向滑块的高度提升至最高，然后调整横 向滑块的位置，使相控阵超声探头7对准待测孔，然后降低纵向滑块的高 度，使得相控阵超声探头7能够与待测孔类零件的内孔的轴线平行地伸入 到孔类零件的内孔中。

可以通过轴承将传动杆5一端可旋转地固定在横向滑块2上，从而使 传动杆5能够360°转动以控制相控阵超声探头7的扫描范围。即，可以通 过传动杆5的旋转带动相控阵超声探头7相对于孔类零件旋转，进行超声 扫描。在本实施例中，传动杆5为中空结构，相控阵超声探头7通过数据 连接线与信号处理装置相连接，数据连接线穿过传动杆的中空腔体连接到 信号处理装置。因此，超声扫描的信号能够通过数据连接线传回到信号处 理装置中，信号处理装置基于超声回波信号的波形进行探伤检测。

图6则示出了探头的侧视结构示意图，为了更加清楚地表示出各个晶 片之间的关系，图6中并没有画出全部的晶片，只是示意性地画出来一部 分。

在本实施例中，如图5和图6所示，相控阵超声探头7采用180°半圆 形探头，相控阵超声探头7的半径小于待测孔类零件的内孔半径。具体而 言，探头采用压电晶片，晶片的排列方式为圆周线性排列，晶片个数可以 在16～64之间选取(本实施例中选取32个晶片)，晶片宽度为0.5～5mm， 晶片长度为10～20mm，晶片间隙为0.1～0.5mm，能够实现声波的偏转和聚 焦，能满足水浸法检测的要求，其半径的大小和被检测缸体的圆筒半径相 关，比缸体圆筒半径略小，检测中探头的放置如图5所示，探头7与被检 工件12之间存在间隙，间隙中以水为介质。

在本实施例中，台架9的材料为不锈钢，其大小为1.5×1.0×0.1(m)， 最大载重量能够满足检测的要求。探头定位装置中的纵向滑块1、横向滑块 2、纵向滑道3、横向滑道4、传动杆5以及探头夹6所采用的材料为热膨 胀系数低、耐高温的金属材料。优选地，所述纵向滑道长度为1.5m。优选 地，所述横向滑道长度为1m。

纵向滑块和横向滑块分别内置步进电机12，步进电机的转动由计算机 通过步进电机驱动器控制，能够实现精确地定位，如图4所示，步进电机 带动齿轮14转动，齿轮14与滑道中的齿条13啮合，齿轮14在齿条13上 的转动能够带动滑块的移动，从而调节探头的具体位置。

所述传动杆的材料为不锈钢，其工作原理如图7所示，传动杆的一端 固定在横向滑块的轴承中，并通过卡环限制其上下移动，两个步进电机由 计算机控制，通过齿轮之间的啮合将动力传给传动杆，从而使传动杆转动。

如图7所示，所述探头夹的材料为不锈钢，其一端固定在传动杆5上， 另一端处有一矩形凹槽20，检测中将探头支架21插入凹槽20中通过固定 螺母22使探头固定。

本发明的检测装置在工作时，将水箱放置或固定在台架上，然后将待 测的发动机缸体放置在水箱中，旋转与缸体中的孔匹配的专用探头，将其 固定在探头夹上，根据被检工件内孔的大小，通过调整横向滑块、纵向滑 块以及传动杆来确定探头的位置和扫描范围，在探头固定后，利用水浸法 对缸体进行检测，在检测的过程中可以上下、左右调整探头完成对缸体的 检测，通过信号处理装置对信号进行处理和分析。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描 述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现 方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对 本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本 发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保 护范围之内。