圖 1汽車隔膜蓄能器剖面示意
蓄能器（又稱蓄壓器）是液壓氣動系統中的一種能量儲蓄裝置，常用于系統保壓、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。汽車動力系統中金屬蓄能器是用來蓄存高壓液（氣）的關鍵部件，包括波紋管蓄能器、隔膜蓄能器和活塞蓄能器等不同種類。其性能優劣直接關系到汽車動力總成系統的整體性能，因此蓄能器殼體件焊縫內部的裂紋、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）是近年來迅速發展起來的一種焊接技術，其利用高速電子流撞擊工件，撞擊過程中將動能轉化為熱能使工件快速熔化，從而實現焊接連接[1]。受材料結構及焊接條件等的限制，焊縫位置金屬強度要弱于非焊接區域的，而隨著蓄能器內壓力的增大，焊縫位置容易破裂，無法滿足技術要求。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。
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、結構和焊縫位置等千變萬化，人工檢測難以徹底檢測到焊縫內部，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量控制方法對于保證檢測結果的可靠性與準確性至關重要，這也是零部件研制、生產過程的普遍要求，故迫切需要全自動智能化的檢測設備來保證檢測結果穩定、準確、可靠。
針對此現狀和需求，發明了一套倒掛式夾持檢測工件自轉、探頭固定、全水浸耦合的全自動汽車蓄能器焊縫檢測設備，其核心活動零部件不用浸泡在水中，可靠性好，能夠24 h穩定工作。研制出開口導套式多自由度自適應探頭夾具，其可快速穩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。生產應用結果表明，該檢測設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，檢測圖像及掃查數據可實時自動采集、記錄和顯示。
1. 檢測原理
設備采用的扇形掃描(S-Scan)可使陣列中相同晶片發射的聲束在某一聚焦深度掃描范圍內移動，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，以及調節焦點甚至實現動態聚焦，能夠在探頭固定的情況下滿足關注區域的檢測需求[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，可檢測整個焊縫區域，實現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，可快速實現焊縫內部缺陷的掃查。結合S掃+D掃的成像結果，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。當缺陷波高超過預設的閘門波高時，會有缺陷提示及聲光報警，從而實現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，汽車蓄能器旋轉一周，超聲波就可以覆蓋需要檢測的區域，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. 檢測設備的設計
3.1 方案確定
設備的研制目標是要實現對汽車蓄能器的24 h全自動上下料、檢測和分揀等功能。蓄能器立式自轉的掃查結構主要有兩種：一種是旋轉臺固定后自轉吸住蓄能器底部轉動，探頭動作后固定；另一種是旋轉爪動作后自轉夾住蓄能器頂部轉動，探頭全程固定。兩種掃查結構中，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，由探頭夾具的結構決定。由于蓄能器采用水浸式檢測，需要將蓄能器浸于水中，若采用固定式旋轉臺自轉的掃查結構，旋轉臺需長期浸泡在水中工作，零部件極易生銹，從而影響結構安全可靠性和檢測精度，后續設備維護成本也較高。因此，設備采用第二種掃查結構。
3.2 設備構成
設備主要由全自動機械平臺、相控陣檢測系統和檢測軟件3部分構成。
3.2.1 全自動機械平臺
機械平臺結構示意如圖4所示，所有全自動檢測動作分別在待檢測區、檢測區和分揀區完成，3個區的動作各成獨立系統，動作時序有機銜接。
圖 4機械平臺結構示意
（1）機架
該設備動載荷較大，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+鈑金開門的設計形式。方通焊接座架可以提供穩定的支撐，確保設備在搬運和使用過程中保持穩定。鋁型材骨架由4040和4080鋁型材進行搭接，能夠提供穩定的支撐，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，其最大優點是可以循環利用，有效降低成本。鈑金門板可以保護設備內部的部件，并且可以方便地開合，便于設備的維護和修理。
（2）機械手
機械手安裝在機架上，是機械平臺實現全自動的核心執行件。動作執行件的核心部件，可以根據實際應用場景和需求選擇機械臂或者組合滑臺，實現檢測工件全自動上下料及全自動檢測。此設備動作簡單，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爪抓取工件自轉完成整個檢測流程。
（3）耦合系統
耦合系統由水槽、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定范圍時，會控制電磁水閥開合以保證水位回到設定值；當水位高于設定水位時，水會從溢流水路溢出，直至回到設定值。
（4）電控系統
電控系統由電氣元件、電氣電源、傳感器和控制器4個基本單元組成。該系統用于控制和操作現場機械設備，是實現自動化和智能化生產的重要環節。電氣元件包含按鈕、繼電器、接觸器、驅動器、中控觸摸屏、PLC等，用于控制電路的連接和斷開，實現對設備的控制。電氣電源包含電源接入、變壓器、懸臂控箱、配電箱等設備，負責將輸入電壓轉換為設備所需的電壓，并對電控系統進行供電。傳感器是電控系統中的重要組成部分，包括光電傳感器、液位傳感器、安全光柵等，用于感知設備的狀態和環境信息，并將感知到的信號轉換為電信號，傳輸給電控系統，以實現對設備的精確控制。PLC是電控系統中的大腦，其根據傳感器的反饋信息和預設的控制程序，對設備進行控制。
3.2.2 相控陣檢測系統
相控陣檢測系統是專門為自動化檢測系統集成配套的，具有多機組合和多組相控陣或常規檢測的功能，可以滿足超大自動化檢測系統的配套檢測需求，支持二次開發的相控陣超聲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線進行連接并通過串口與PLC模塊連接通信，實現全自動檢測。
根據檢測需求，文章系統配置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（旋轉夾爪掃查精度為0.036°/脈沖）。掃查裝置包含旋轉夾爪、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鍵結構。通過匹配汽車蓄能器外形，研制出不同規格的導套+楔塊，可適應不同種類和型號蓄能器的大小、形狀和焊縫位置等的變化，并穩定地吻合汽車蓄能器檢測部位。結構布局上，旋轉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側兩壁的轉接板上，其結構示意如圖5所示。
圖 5掃查裝置結構示意
3.2.3 檢測軟件
檢測軟件基于PC電腦，以現場檢測的基本流程為設計理念。檢測軟件界面如圖6所示，其支持A掃+C掃+D掃+S掃，檢測圖像及掃查數據可實時自動采集、記錄，可對掃查數據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，通過計算預先設定的成像框進行D掃成像，并將超過設定閘門波高的缺陷顯示在環形示意圖中的相應角度位置，同時進行聲光報警提示。整個檢測過程無需檢測人員參與，系統可自動判別缺陷。檢測結束后，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掃數據產生，同步顯示A掃、S掃、D掃的圖像，其檢測結果可根據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. 試驗及結果
為驗證設備的準確性和穩定性，在國內某大型車企零配件生產廠，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，缺陷是根據用戶企業標準預制的人工鉆孔，如圖7所示。50件汽車隔膜蓄能器試件分別重復測量3次，結果表明，研制的設備可清晰、穩定、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
該設備投入實際生產運行1年多，適用于流水線作業，能清晰、穩定、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，以及焊縫內部的裂紋、虛焊、氣孔、夾雜等缺陷，滿足標準NB/T 47013.15的規定。
設備檢測節拍不大于60 s(含取放時間)，能24 h穩定工作。與人工探傷大概30 min/個的檢測速度進行對比，文章設備的檢測效率提高了30倍，單套設備的汽車蓄能器年檢測量高達525 000個。
5. 結論與應用
（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夾具，能快速穩定地吻合不同種類和型號汽車蓄能器的掃查部位，解決了掃查部位結構空間狹窄造成的探頭翹起和定位不準等技術難題。
（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據驗證，軟件算法不斷迭代優化，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構波影響探傷判別，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等技術困難。
（3）相控陣探頭磨損為零，極大地降低了檢測成本。
（4）設備可應用于實際生產，為汽車制造業提供了一種高效、可靠的焊縫質量保障手段。
文章來源——材料與測試網