專利名稱：碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種專用超聲傳感器，主要用于碳鋼點焊中焊點的熔核直徑和熔核厚度的測量。
背景技術：
電阻點焊是現代制造業中最常用的焊接工藝之一，其工藝本身的諸多優點推動了電阻點焊的廣泛應用。很多使用碳鋼鋼板的部件是用點焊工藝加工而成的。一個典型應用實例就是汽車車身部件的連接，根據有關資料可知，一個典型的汽車車身大約有5000多個點焊焊點。這些焊點的質量直接影響著車身的質量及汽車的整體性能，為了保證車身的質量，嚴格檢測點焊質量是非常必要的。同樣，其它碳鋼焊接結構中的焊點也需要進行有效檢測，以確保焊接質量。焊點的質量由焊點的連接強度來表征，而焊點強度主要取決于焊點的幾何尺寸；實驗表明，熔核直徑與焊點強度近似成正比，熔核直徑是焊點質量的主要決定因素。焊點質量檢測的關鍵是熔核直徑和厚度的測量。
在現在實際的生產中，點焊的質量檢測是靠破壞性方法進行的。一種方法是，質量檢測人員通過拉伸或扭轉試驗機將點焊試件進行破壞，觀察焊點的斷面，測量焊點的熔核直徑，評價點焊質量；另一種方法是，抽取部分點焊產品，由質量檢則人員用鏨子將焊點撬開，同樣根據焊點斷面判斷點焊質量。這種破壞性質量檢測不僅耗時，增加了產品生產成本，而且只能檢測焊點的熔核直徑。自上世紀九十年代以來，國外出現了專用超聲點焊質量檢測設備，取得一定成效。但是，由于仍有諸多技術不成熟，這些設備的應用始終沒有得到普及；其中的一個重要因素是，作為點焊質量檢測設備關鍵部分的專用超聲探頭，其精度比較低，受人為因素影響大，導致檢測結果誤差較大。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種通過發射并接收碳鋼焊點中的回波信號，以其回波信號的特征值為依據，判斷碳鋼焊點質量優劣的點焊質量無損檢測專用超聲傳感器。這種專用超聲傳感器克服了上述超聲探頭精度低、易受人為因素影響的缺點。
本實用新型提供的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，其特征在于，包括有依次通過內、外螺紋聯接在一起的第一部分殼體2、第二部分殼體5、第三部分殼體10，上蓋1放置在第一部分殼體的空腔201的外側開口處，各部分殼體之間采用密封件密封；包括有被粘接固定在第一部分殼體2的前端空腔202中的背襯材料4，被粘接固定在背襯材料4和保護層7之間壓電元件6；置于第二部分殼體的空腔503內的、與保護層7直接接觸的吸聲橡膠管8；置于第三部分殼體10前端的耦合薄膜11，耦合薄膜的凸出部分1101嵌在第三部分殼體10的通孔1002中并外露，耦合介質9充滿由第二部分殼體5、第三部分殼體10、耦合薄膜11、吸聲橡膠管8組成的空腔中；還包括有固定在第三部分殼體前端的槽1003中的磁環12；整個傳感器傳遞電信號的電極引線13的一端，與在專用激勵裝置的激勵下發射超聲波、并接收來自被測焊點的超聲回波信號及將超聲回波信號轉換為電信號的壓電元件6的電極粘接在一起，另一端與安裝在第一部分殼體側壁上的高頻插頭14連接，電信號通過電極引線13和高頻插頭14輸出。
本實用新型中所述的傳感器的第一部分殼體2為一個圓柱體，前端有外螺紋203和空腔202，后端有空腔201，在空腔201的一側有一個螺紋通孔，用以安裝高頻插頭14；空腔201的直徑與背襯材料的直徑一致；所述傳感器的第二部分殼體5為一個圓柱體，前端有外螺紋502、內腔503、通孔504，后端有內螺紋501。內腔503的直徑與吸聲橡膠管8的外徑一致，通孔504的直徑根據跟據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替換件；所述傳感器的第三部分殼體10，為一個具有內螺紋1001、中間通孔1002和環形槽1003的圓柱體，中間通孔1002的直徑根據跟據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替換件；所述的上蓋1，為中間有一個凸臺的圓形薄片，凸臺的直徑與內腔201的直徑相同且緊密配合。
本實用新型中所述的背襯材料4是由環氧樹脂和鎢粉按一定重量比混合制成的圓柱體，其一端制作成倒圓椎形狀，另一向外的端面為經過拋光打磨的平面，用于粘貼壓電元件6，如圖3所示。
本實用新型中所述的壓電元件6為PVDF、即聚偏二氟乙烯制成的圓形壓電薄膜，其表面濺射有金屬層作為壓電元件的電極；PVDF壓電薄膜的厚度為25～52μm，其兩側用導電膠粘接引出兩根電極引線13，用于輸出電信號。
本實用新型中所述的所述保護層7為圓形環氧樹脂薄片，其外側平面與第一部分殼體2的前端面在一個平面內。
本實用新型中所述的吸聲橡膠管8為橡膠圓管，橡膠圓管的外徑與第二部分殼體5的空腔503的直徑一致，其內徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而具有一系列不同的尺寸。如圖4中的(a)、(b)、(c)為內徑不同的三個吸聲橡膠管。
本實用新型中所述的耦合介質9可采用為對高頻超聲波的衰減系數最小且聲阻抗與壓電元件6接近的純凈水。
本實用新型中所述的耦合薄膜11為彈性好、透聲性好的天然橡膠制成的厚度很薄的中間有一個凸出部分1101的橡膠部件，其外徑與第三部分殼體的內螺紋的大徑一致，凸出部分的內徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而具有一系列不同的尺寸。如圖5中的(a)、(b)、(c)為具有不同內徑的三個耦合薄膜。
本實用新型中所述的磁環12為鑲嵌粘接在第三部分殼體前端環形槽1003中的環形磁鐵，利用其磁力的作用，增強傳感器與碳鋼焊點的接觸，提高超聲耦合效果。
采用了上述結構，可以制成結構簡單，中心頻率高，阻尼高、脈沖窄、分辨率高、精度高，易于實現多種焊點檢測的專用點焊質量無損檢測傳感器。制作成的這種傳感器在超聲激勵裝置、數字示波器和計算機等設備的配合下，采集并處理超聲信號，實現碳鋼點焊的無損檢測。
這種專用超聲傳感器直接向被測焊點發射超聲波脈沖信號，并接收該脈沖信號在焊點中傳播產生的回波信號；根據回波信號的特征值，來判斷焊點的質量。傳感器使用時只需要將它的前端耦合薄膜部件和待測焊點緊密接觸，在外加的超聲信號激勵和信號調理裝置及波形顯示設備的配合下，就可以進行焊點質量的無損檢測工作。它可通過更換第二部分殼體5、吸聲橡膠管8、第三部分殼體10、耦合薄膜11，用于檢測不同厚度鋼板、不同工藝參數下形成的焊點。
這種專用點焊質量檢測傳感器是一種結構簡單、中心頻率高、阻尼高、脈沖窄、分辨率高、精度高、易于實現多種焊點檢測的專用點焊質量無損檢測傳感器。制作成的這種傳感器在超聲激勵裝置、數字示波器和計算機等設備的配合下，采集并處理超聲信號，可實現碳鋼點焊的無損檢測。
圖1為碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器剖視圖；圖2為第一部分殼體的俯視圖；圖3為背襯材料的剖視圖；圖4為吸聲橡膠管的剖視圖；圖5為耦合薄膜的正視局部剖視圖；圖6為第二部分殼體的剖視圖；圖7為第三部分殼體的剖視圖；圖8為磁環的剖視圖和俯視圖；圖中傳感器上蓋1、第一部分殼體2、密封橡膠圈3、背襯材料4、第二部分殼體5、壓電元件6、保護層7、吸聲橡膠管8、密封橡膠圈3、耦合介質9、第三部分殼體10、橡膠薄膜11、磁環12、電極引線13、高頻插頭14。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述。
本實用新型提供的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器制作參見結構圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。
按照圖所示結構背襯材料4被粘接固定在第一部分殼體的空腔202中，其中平面一端向外；傳感器的壓電元件6用環氧樹脂粘接在背襯材料經過拋光打磨的平面一端，電極引線13采用銅質薄片制作的銅絲，電極引線的一端用導電膠與壓電元件6的電極粘接在一起，另一端用導電膠與高頻插頭14粘接連接，高頻插頭14安裝在第一部分殼體的螺紋孔204中，在專用激勵裝置的激勵下，壓電元件6發射超聲波并接收來自被測焊點的超聲回波信號，壓電元件6將接收到的超聲回波信號轉換為電信號，電信號通過電極引線13和高頻插頭14輸出，高頻插頭14采用L-5螺紋高頻插頭，作為電信號的輸出部件。保護層7用環氧樹脂粘接在壓電元件的外側，保護層7的外側平面與第一部分殼體2的前端面在一個平面內。上蓋1放置在第一部分殼體的空腔201的外側開口處，上蓋的凸臺的直徑與內腔201的直徑相同，凸臺與內腔201緊密配合起到密封保護作用。磁環12粘接固定在第三部分殼體的環形槽1003中，耦合薄膜11置于第三部分殼體10前端，耦合薄膜的凸出部分通過通孔1002露在第三部分殼體的外部。密封橡膠圈3套在第二部分殼體外螺紋502的根部，第二部分殼體與第三部分殼體通過外螺紋502和內螺紋1001聯接在一起。吸聲橡膠管8置于第二部分殼體的空腔503中，作為耦合介質的純凈水充滿由第二部分殼體5、第三部分殼體10、耦合薄膜11、吸聲橡膠管8組成的空腔，密封橡膠圈3套在第一部分殼體外螺紋203的根部，第一部分殼體與第二部分殼體通過外螺紋203和內螺紋501聯接在一起，吸聲橡膠管8與保護層7直接接觸；保護層7用環氧樹脂粘接固定在壓電元件6的外側，以防止壓電元件6與吸聲橡膠管8之間的直接接觸，導致電極磨損。根據被測焊點的工藝結構要求的不同，可以更換前耦合端的部件，包括吸聲橡膠管8、第二部分殼體5、第三部分殼體10和耦合薄膜11，以適應不同的檢測對象和要求。
本實用新型的裝配制作技術方案其步驟為見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8，第一步，首先將背襯材料，將環氧樹脂和鎢粉，加入少量凝固劑，均勻混合，制作成圓柱形，一端進行拋光打磨，另一端加工成倒圓錐狀；第二步，在圓形PVDF壓電薄膜的電極上用導電膠粘接引出兩根電極引線，將壓電元件用環氧樹脂緊密粘貼到背襯材料拋光過的一端；將制作好的環氧樹脂保護層用環氧樹脂粘貼到壓電元件的外側；將粘接到一起的背襯材料、壓電元件和保護層放置于第一部分殼體中，用環氧樹脂灌注其中，將背襯材料、壓電元件、保護層和第一部分殼體牢固地粘接到一起；將電極引線穿過背襯材料與高頻插頭相連，將傳感器上蓋安裝好。壓電元件采用厚度為25～52μm的圓形PVDF壓電薄膜，其厚度主要決定了傳感器的中心頻率；第三步，將一端涂有粘接劑的磁環置于第三部分殼體前端預留的環形槽中，利用其磁力的作用，增強傳感器與碳鋼焊點的接觸，提高超聲耦合效果；第四步，如圖5，選用彈性好、透聲性好的天然橡膠制成的厚度很薄的中間有一個凸出部分的橡膠部件作為耦合薄膜，把耦合薄膜置于第三部分殼體中，耦合薄膜中間部分的凸起部分要通過中間孔外露于第三部分殼體；第五步，將吸聲橡膠管置于第二部分殼體的空腔503內，將適量的作為耦合介質的純凈水澆注到第二部分殼體、第三部分殼體、吸聲橡膠管、耦合薄膜組成的空腔中，可選用丁晴橡膠為材質的密封圈放置到第一部分殼體上外螺紋的根部，然后將第一部分殼體與第二部分殼體螺紋連接在一起，對耦合介質起到密封作用。經過這五個步驟，專用超聲傳感器組裝完畢，即可投入適應。如果需要變化超聲波束的直徑以適應不同的被測焊點，只要選擇具有適當尺寸的中間通孔的第二部分殼體和第三部分殼體和具有適當尺寸內徑的吸聲橡膠管和耦合薄膜，重復步驟四、五即可。
權利要求1.碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，包括有依次通過內、外螺紋聯接在一起的第一部分殼體(2)、第二部分殼體(5)、第三部分殼體(10)，上蓋(1)放置在第一部分殼體的空腔(201)的外側開口處，各部分殼體之間采用密封件密封；包括有被粘接固定在第一部分殼體(2)的前端空腔(202)中的背襯材料(4)，被粘接固定在背襯材料(4)和保護層(7)之間的壓電元件(6)；置于第二部分殼體(5)的空腔(503)內的、與保護層(7)直接接觸的吸聲橡膠管(8)；置于第三部分殼體(10)前端的耦合薄膜(11)，耦合薄膜(11)的凸出部分(1101)嵌在第三部分殼體(10)的通孔(1002)中并外露，耦合介質(9)充滿由第二部分殼體(5)、第三部分殼體(10)、耦合薄膜(11)、吸聲橡膠管(8)組成的空腔中；還包括有固定在第三部分殼體(10)前端的槽(1003)中的磁環(12)；整個傳感器傳遞電信號的電極引線(13)的一端，與在專用激勵裝置的激勵下發射超聲波、并接收來自被測焊點的超聲回波信號、及將超聲回波信號轉換為電信號的壓電元件(6)的電極粘接在一起，另一端與安裝在第一部分殼體側壁上的高頻插頭(14)連接，電信號通過電極引線(13)和高頻插頭(14)輸出。
2.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述傳感器的第一部分殼體(2)為一個圓柱體，前端有外螺紋(203)和空腔(202)，后端有空腔(201)，在空腔(201)的一側有一個螺紋通孔，用以安裝高頻插頭(14)；空腔(202)的直徑與背襯材料的直徑一致；所述傳感器的第二部分殼體(5)為一個圓柱體，前端有外螺紋(502)、內腔(503)、通孔(504)，后端有內螺紋(501)。內腔(503)的直徑與吸聲橡膠管(8)的外徑一致，通孔(504)的直徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替換件；所述傳感器的第三部分殼體(10)，為一個具有內螺紋(1001)、中間通孔(1002)和環形槽(1003)的圓柱體，中間通孔(1002)的直徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而被制作成具有一系列尺寸的可替換件；所述的上蓋(1)，為中間有一個凸臺的圓形薄片，凸臺的直徑與內腔(201)的直徑相同。
3.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述背襯材料(4)是由環氧樹脂和鎢粉混合制成的圓柱體，其一端制作成倒圓椎形狀，另一向外的端面為經過拋光打磨的平面，用于粘貼壓電元件(6)。
4.根據權利要求1或3所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述壓電元件(6)為PVDF、即聚偏二氟乙烯制成的圓形壓電薄膜，其表面濺射有金屬層作為壓電元件的電極；PVDF壓電薄膜的厚度為25～52μm，其兩側用導電膠粘接引出兩根電極引線(13)，用于輸出電信號。
5.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述保護層(7)為圓形環氧樹脂薄片，其外側平面與第一部分殼體(2)的前端面在一個平面內。
6.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述吸聲橡膠管(8)為橡膠圓管，橡膠圓管的外徑與第二部分殼體(5)的空腔(503)的直徑一致，其內徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而具有一系列不同的尺寸。
7.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述耦合介質(9)可采用為對高頻超聲波的衰減系數最小且聲阻抗與壓電元件(6)接近的純凈水。
8.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述耦合薄膜(11)為彈性好、透聲性好的天然橡膠制成的厚度很薄的中間有一個凸出部分(1101)的橡膠部件，其外徑與第三部分殼體的內螺紋的大徑一致，凸出部分的內徑根據被測焊點對熔核直徑的工藝要求不同而具有一系列不同的尺寸。
9.根據權利要求1所述的碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，特征在于，所述磁環(12)為鑲嵌粘接在第三部分殼體(10)前端環形槽(1003)中的環形磁鐵。
專利摘要碳鋼點焊質量無損檢測專用超聲傳感器，主要用于碳鋼點焊中焊點的熔核直徑和熔核厚度的測量。它包括有聯接在一起的第一、第二、第三部分殼體，依次粘固在第一部分殼體空腔中的背襯材料、壓電元件及保護層；置于第二部分殼體空腔內的吸聲橡膠管；置于第三部分殼體前端并通過殼體通孔露出凸出部分的耦合薄膜；由第二、三部分殼體、耦合薄膜、吸聲橡膠管組成的空腔中充滿有耦合介質；固定第三部分殼體前端槽中的磁環；分別與壓電元件及高頻插頭連接的電極引線。在專用激勵裝置的激勵下，壓電元件發射超聲波并將接收到的超聲回波信號轉換為電信號輸出。本發明具有結構簡單，中心頻率高，阻尼高、脈沖窄、分辨率高、精度高等特點，可實現碳鋼點焊的無損檢測。
文檔編號G01B17/00GK2881627SQ20062000167
公開日2007年3月21日 申請日期2006年1月24日 優先權日2006年1月24日
發明者何存富, 馮喜旺, 王秀彥, 吳斌 申請人:北京工業大學
專業數控銑床產品供應商
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