陈怀东 曹宗杰 王裕文 薛锦
西安交通大学焊接研究所 西安710049
0 前言
在高压开关电器中常采用接触连接，尤其是可分式连接——触头是断路器最关键的部件，断路器所有动作都通过触头来实现［1］。目前对于烧结接头没有很好的质量检验方式，我们利用自行研制的数字超声成像无损评价系统对某高压开关厂地烧结电触头进行检测，检测对象为电触头的烧结界面，检测结果证实它是一种有效的方法，对提高高压开关触头质量检验具有重要意义。
1 超声成像无损评价系统［2］
研制的数字超声成像无损评价系统充分利用了系统集成技术，以计算机为核心 ，传统的超声探伤仪为基础，集计算机、信号处理、数字图像处理、数控、超声无损检测与评价技术于一体。其物理模型见图1。
该系统由超声图像数据采集通道、超声波发射和接收系统、精密数控扫查系统 、系统软件和喷墨打印机组成。其中超声图像数据采集通道由聚焦探头、超声波探伤仪、多功能超声图像卡和计算机组成；超声波的发射和接收系统由超声探伤仪和探头组成；精密数控扫查系统由三坐标机械自动扫描装置、步进电机驱动卡和电源组成。
1.1 多功能超声图像卡
多功能超声图像卡是整个系统的关键，涉及到数据采集速度和精度，最终影响图像的质量。包括了A/D转换、时钟、窗口控制、数据存储、扫描选择、声速测量和特性管理等电路。其中A/D转换速率为40MHz，8位分辨率，卡内存储器为256K字节。
1.2 步进电机驱动卡
该卡利用计算机数据线和地址线通过接口电路的设计，构成柔性环分器，实现对步进电机的控制。
1.3 机械系统设计
数字超声成像检测系统的机械系统包括：精密三维扫描工作台、多工位自动回转台、专用家具。精密三维工作台由3个一维工作台组合而成，主要功能在于带动探头对工件扫描以及自动调整探头的焦点位置。专用夹具用于夹持并调整多只聚焦探头，使其焦平面在一个平面上。
1.4 系统软件
系统软件是本系统的核心，它有实现检测参数的确定、对回波的实时采样、处理及成像显示以及钎着率计算等功能。系统软件是在WINDOWS环境下，应用Visual C＋＋开发的，采用模块化程序结构，便于软件功能的进一步扩充和升级。系统软件由接口电路初始化、参数输入、自动聚焦、A、B、C扫描、声速测定、信号、图像处理、缺陷分析和判定模块等组成系统界面，见图2。
2 超声水浸聚焦C扫描成像［3］
超声检测的耦合方式分为直接和液浸耦合法。把在探头和探测面之间以一定厚度的水作为耦合介质的方法称为水浸法。该法能保证超声波发射和接收的质量，便于实现检测自动化，具有消耗少、不污染工件、稳定性好等特点。在水浸法中水浸聚焦法倍受青睐，它充分利用声波经过凹透镜后使声能聚焦的原理，克服了声束在液体和工件中扩散的不足，提高了声波的指向性。水浸超声C扫描成像是以水为耦合剂，采用水浸点聚焦探头，使超声波束和被测试样的被测面保持垂直，对被测试样进行逐点扫描，将每一点的超声回波模拟信号转换成数字信号加以保存及信号图像处理，最后将信号对应地显示在计算机屏幕上，显示成灰度或伪彩色的超声图像。
3 超声信号数字化自动采样技术
超声信号数字化过程中一项关键技术就是准确而有效地采集超声信号。超声波探伤仪一般都设置有报警电路，其报警闸门的宽度和高度可调。根据其工作原理,报警、视频和同步信号之间存在着内在的联系，其信号波形和时序关系见图3，图中T为发射脉冲；S1为一次表面回波；F为缺陷回波；B为底面回波；S2为二次表面回波 。
从图3可看出，三个信号的周期都等于发射脉冲的重复频率fe。由于同步脉冲经过适当延迟、微分锐化后才能触发发射电路，因此视频信号发射波与同步信号之间有一段延迟时间td。报警信号的起始位置tb和脉冲宽度tw可根据需要调整。利用上述三种信号的内在联系，在接口电路设计中将其引入接口卡中，设计确定采样起始位置的电路，并开发了相应的软件。
该成像系统的高速数据采集卡的时钟频率为80MHz，经过2分频后提供给A/D转换的频率为40MHz，再8分频后提供给窗口控制器的工作频率为5MHz，即窗口控制器的周期Tｗ＝0.2μｓ。因此，利用闸门法确定采样起始点的记数单位为0.2μｓ。检测面积根据试样大小不同，由程序中的参数确定。检测时一次扫描整个试样界面的时间根据工件的大小而定，采样数据在操作时用闸门法自动确定后保存在程序中，采到的数据完全可存储在图像卡的存储器里面，与自动确定采样起始位置无关。具体操作时，只要将闸门前沿与缺陷回波前沿对齐，选中闸门法确定采样起始点菜单，即可在参数输入对话框中的采样起始点项中显示以0.2μｓ为单位的数值，此值即为采样起始点。利用报警闸门法确定采样起始点对检测深度的缺陷非常方便。
4 高压开关烧结触头的无损检测与评价
4.1 结合率的计算
在触头检测过程中，最关键的是结合率计算，钎着率［4］Rb＝（Aｒ/Aｔ）是评价触头结合质量的一个最重要的指标。式中，Aｒ为实际结合面积，mm2；Aｔ为结合焊面积，mm2。实际结合面积是根据缺陷灰度阈值对C扫描图像进行计算的。以f(x,y)为图像灰度值；fｔ为阈值，当f(x,y)≤ｆｔ时对应的图像面积为实际钎焊面积。
以象素比值表示时结合率为：Rb＝（PL/MIMJ）。式中，PL为图像中低于阈值的象素数；MI，MJ分别为图像水平、垂直象素数；其乘积为平面(x,y)的象素数。
以面积比值表示时结合率为:Rb＝(plK／At）。式中，K为图像中每象素所占的空间扫描面积；PL由系统软件对图像进行扫描统计自动给出，K和Aｔ为已知。
4.2 触头试样检测及分析
如图4，触头试样上层材料(1)为铜钨合金，基体材料(2)为铬铜。分别从两个方向，应用聚焦探头水浸法对烧结界面进行超声C扫描成像检测，得到A和B的正反方向扫描成像，见图5。图像的伪彩色为缺陷信息。
由图5可见，从两个方向扫描检测，假设所检测的两层烧结层的材料为均质，得到的图像有相近的地方，但差别较大。由于不同的材料以及在接合界面产生化合物的声阻抗Z的差别，缺陷及接合界面反射，导致缺陷的亮度信息和位置分布存在较明显的区别。且对于不同的声波入射介质，声波在其中的衰减不同，导致材料烧结界面不同方向入射时的缺陷的可检出性不同，使C扫描图像不同。
图像灰度级为256，图中的黑色对应灰度值为0，白色对应255，C扫描图像中亮区对应着缺陷图像，灰度值越高(即颜色越亮)对应的缺陷越明显。
5 结论
a.数字超声图像处理系统是集现代超声无损检测与评价、计算机信息处理和图像处理、数控和精密仪器技术等基础上开发的，体现了系统集成思想，可广泛地应用于固相焊接接头质量的无损检测和无损评价，对于开关触头具有更好的适应性。
b.检测开关电触头烧结界面时，对烧结接合面缺陷的定位及定量要结合波形的高度及位置仔细确定，比普通钎焊接头的缺陷定位难度大。
c.不同材料结合部位缺陷的可检出性受到材料间的声阻抗差及生成化合物、不同材料超声波衰减差异等影响而降低。
参考文献
1 张节容等.高压电器原理和应用.北京：清华大学出版社，1989
2 马宏伟.电触头接头超声成像无损检测技术研究.西安交通大学博士学位论文,1998
3 张志永.水浸聚焦超声探伤原理.北京：国防工业出版社，1984
4 马宏伟等.钎焊缺陷的超声无损检测.西安交通大学学报，1998，32(7)：80
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