相控陣技術(shù)在點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑測量上的運(yùn)用

劉 凱( 福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建 龍巖364000）

相控陣技術(shù)在點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑測量上的運(yùn)用

劉 凱
( 福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建 龍巖364000）

文中使用超聲相控陣技術(shù)對鋁合金點(diǎn)焊件進(jìn)行檢測，對比相控陣技術(shù)和傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的差別，分析鋁合金點(diǎn)焊件的相控陣圖像特征，總結(jié)相控陣技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。分析探討了相控陣各參數(shù)對掃描圖像分辨率的影響，對提高測量精度提出改進(jìn)措施。

熔核直徑；相控陣；超聲回波特征

1 前 言

點(diǎn)焊是一項(xiàng)重要的焊接技術(shù)，在汽車制造、家電制造、航空航天領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。熔核直徑是衡量點(diǎn)焊件質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，目前卻普遍采用破壞性檢驗(yàn)[1,2]。超聲波檢測具有快速、不破壞工件的特點(diǎn)，相控陣掃描范圍廣、效率高、儀器方便攜帶，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用[3,4]。如今，相控陣技術(shù)早已由醫(yī)療領(lǐng)域延伸至工業(yè)領(lǐng)域。和普通的單晶片探頭相比，它采用的多晶片探頭檢測范圍更大，檢測精度更高。單晶片探頭如果要檢測出各方向的缺陷，只能通過探頭位置的移動來實(shí)現(xiàn)。相控陣技術(shù)采用多晶片探頭，通過動態(tài)改變相控陣陣元的延遲時間，在固定位置即可控制超聲波聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，從而一次性檢測各方向缺陷。相控陣法減少了探頭的機(jī)械移動，檢測位置更加靈活，可以檢測到普通超聲檢測方法無法檢測到的死角，設(shè)備攜帶方便、檢測效率高、缺陷定位準(zhǔn)確，特別適合運(yùn)用于工業(yè)化現(xiàn)場檢測。隨著多晶片探頭制作工藝及相控陣聲場模型的日趨成熟，相控陣技術(shù)在超聲檢測領(lǐng)域必將發(fā)揮越來越大的作用。

文中通過研究鋁合金點(diǎn)焊件的相控陣掃描圖像，將相控陣技術(shù)運(yùn)用于點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的測量，最后通過將相控陣法測得的數(shù)據(jù)與金相法測得的數(shù)據(jù)對比，分析相控陣法測量誤差形成的原因，探討提高熔核直徑測量精度的方法。

2 試驗(yàn)設(shè)備及流程

試驗(yàn)使用2mm厚的鋁合金點(diǎn)焊件。超聲相控陣設(shè)備主要部件為超聲信號采集系統(tǒng)、筆記本計(jì)算機(jī)和專用的相控陣探頭。相控陣控制系統(tǒng)由3大模塊組成：模型構(gòu)造、超聲參數(shù)設(shè)置和采集設(shè)置。模型構(gòu)造是通過設(shè)置試件的材料及尺寸、楔塊材料及尺寸、超聲傳播速度等參數(shù)計(jì)算探頭在被測試件中形成的超聲聲場，構(gòu)建相應(yīng)的相控陣檢測模型。超聲參數(shù)設(shè)置主要設(shè)置發(fā)射電壓、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)。采集設(shè)置主要設(shè)置信號采集方式，形成相應(yīng)的掃描圖像。

試驗(yàn)采用的相控陣探頭頻率為5MHz和10MHz，探頭的長度略大于點(diǎn)焊件的壓痕直徑長度。首先在相控陣設(shè)備上設(shè)定好試驗(yàn)參數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的相控陣檢測模型，然后在試件表面涂上耦合劑，將相控陣探頭放置于試件上，按設(shè)定的程序依次激發(fā)相控陣陣元，即可快速獲得相控陣掃描圖像，非常方便快捷。相控陣探頭的放置方式如圖1所示。

試驗(yàn)用到的相控陣探頭參數(shù)如表1所示，用到的主要超聲掃查參數(shù)如表2所示。

3 試件的相控陣掃描圖像特征

如圖2所示,試件的相控陣掃描圖像屬于B型超聲掃描圖，它能反映沿相控陣探頭晶片激發(fā)方向且平行超聲傳播方向的縱截面信息。圖2中橫坐標(biāo)軸為相控陣探頭各晶片的位置，縱坐標(biāo)軸為A掃描信號的采樣點(diǎn)數(shù)，圖像利用顏色深淺的變化表示各個位置掃描得到的A型信號的幅值高低。圖像中平行橫坐標(biāo)軸的顏色帶表示相控陣探頭各晶片在試件上同一反射面不同位置回波的集合。在圖2中可以直觀地測出熔核直徑值。因?yàn)橄嗫仃囋O(shè)備采用的是接觸式探頭，所以要盡可能降低近場區(qū)對檢測信號的干擾，這里采用的方法是在相控陣探頭上加一塊厚10mm的平楔塊，有效降低了近場區(qū)的干擾。接下來探討如何提高相控陣掃描圖像的分辨率。

4 探頭晶片組的設(shè)置

相控陣設(shè)備設(shè)置的參數(shù)不同，獲得的聚焦效果也不同,匯集成的掃描圖像就會產(chǎn)生不同的分辨率。下面探討設(shè)置不同的激發(fā)晶片組對掃描圖像分辨率的影響。試驗(yàn)先采用頻率為5MHz的相控陣探頭，一共設(shè)置了3種檢測參數(shù)。第一種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設(shè)為3個，掃描步長設(shè)為1個晶片；第二種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設(shè)為16個，掃描步長設(shè)為1個晶片；第三種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設(shè)為16個，掃描步長設(shè)為0.5個晶片。得到的掃描圖像如圖3所示。

圖1 相控陣探頭的放置方式示意圖

表1 相控陣探頭參數(shù)

表2 主要的超聲掃查參數(shù)

圖2 鋁合金點(diǎn)焊件的相控陣圖像

(a)

(b)

圖3 3種檢測方式的B掃描圖像

圖3(a)、3(b)、3(c)分別對應(yīng)以上三種方法。對比可知，第一種方法得到的圖像分辨率最高，因?yàn)檫@種方法產(chǎn)生的超聲聲場焦區(qū)剛好處在檢測區(qū)域。第三種方法得到的圖像比第二種方法得到的圖像分辨率高，因?yàn)樗牟蓸宇l率是后者的兩倍。因此，通過合理設(shè)置相控陣設(shè)備的參數(shù)，控制超聲聲場焦區(qū)落在檢測面上，可以提高掃描圖像的分辨率。

5 探頭頻率對分辨率的影響

使用上面第二種方法設(shè)定的參數(shù)及相同的相控陣檢測模型，分別采用5MHz和10MHz的相控陣探頭，對同一試件進(jìn)行檢測，掃描得到的圖像如圖4所示。由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)使用的10MHz探頭總晶片長度小于試件焊點(diǎn)直徑，不能完全覆蓋焊點(diǎn)壓痕，因此只能得到試件焊點(diǎn)部分區(qū)域的掃描圖像。

圖4 5MHz和10MHz探頭的相控陣圖像

圖4 (a)是5MHz相控陣探頭得到的掃描圖像，圖4 (b)是10MHz相控陣探頭得到的掃描圖像。雖然后者只得到試件部分區(qū)域的檢測圖像，但是通過對比兩者在試件同一部位的檢測圖像可知，圖4 (a)的分辨率明顯比圖4 (b)高。由此可知，通過提高相控陣探頭頻率可以有效提高相控陣圖像的分辨率。

6 測量數(shù)據(jù)誤差的計(jì)算

用鋸片將相控陣法測過熔核直徑的鋁合金點(diǎn)焊件鋸開，再用銑刀加工至接近相控陣法的檢測面，然后用砂紙磨制成金相試樣，最后將試樣進(jìn)行拋光腐蝕。腐蝕液采用2%氫氟酸、2%硝酸、1%鹽酸及95%清水配制，腐蝕時間為3分鐘。鋁合金點(diǎn)焊件金相試樣在金相顯微鏡下放大4.8倍的金相圖如圖5所示。將測量宏觀金相照片獲得的熔核直徑實(shí)際數(shù)值與相控陣法的測量結(jié)果對比，即可得出相控陣法的測量誤差。

圖5 鋁合金點(diǎn)焊件金相圖

通過20個試件測量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計(jì)，得出試驗(yàn)中相控陣法的測量誤差在7%到10%之間，測量精度主要受相控陣探頭分辨率、超聲波聲場近場區(qū)及超聲波聲束擴(kuò)散的影響，今后想提高相控陣法的測量精度可以從這三方面著手。

7 結(jié)論

文中初步探討了相控陣技術(shù)運(yùn)用于鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑測量的可行性，并研究了相控陣圖像分辨率的影響因素及相控陣法的測量精度。結(jié)果表明，通過建立更精確的相控陣檢測模型、更合理地設(shè)置相控陣系統(tǒng)的檢測參數(shù)、采用更高頻率的相控陣探頭、更好地消除超聲聲場近場區(qū)的干擾等方法，都能提高相控陣圖像的精度和分辨率，從而提高相控陣法的檢測精度。綜上所述，相控陣法可以運(yùn)用于點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的測量，并且具有檢測效率高，檢測位置靈活，檢測設(shè)備便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，非常適合進(jìn)一步推廣運(yùn)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。但同時，相控陣法也存在檢測精度較低、檢測設(shè)備昂貴、相控陣檢測模型復(fù)雜、缺陷定性復(fù)雜等缺點(diǎn)，這些都是阻礙它進(jìn)一步運(yùn)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的不利因素。相信隨著相控陣設(shè)備制造技術(shù)的日趨成熟、相控陣檢測技術(shù)的不斷發(fā)展及相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定完善，相控陣法將作為測量點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的重要方法之一，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，從而顯著提高點(diǎn)焊工件的檢測效率和檢測精度，為人們帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]K.C.Wu. Resistance spot welding of high contact-resistance surface for weld bonding[J]. Welding Journal. 1975,54(12): 435-444.

[2]K.I.Johnson, J.C.Needham. New design of resistance spot welding machine for quality control [J]. Welding Journal, 1972, 51 (3):121-132.

[3]楊國忠.醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[J]. 北京：人民衛(wèi)生出版社. 1987:21-23.

[4]J.V.Hatfield, et al. An integrated multielement array transducer for ultrasonic imaging [J]. Sensors and Actuators A, 1994, (41):167-172.

Use of Phased Array in the Nugget Diameter Measuring for Welding Spot

LIU Kai (Fujian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute,Longyan Branch Institute.Longyan 364000, Fujian, China)

We used phased array to detect welding spot of aluminum alloy, contrast the difference of the phased array technology and the traditional ultrasonic testing, analyze the image features of phased array for welding spot of aluminum alloy, summariz the advantages and disadvantages of phased array. We analyzed the influence of various parameters on the scanning image resolution of phased array, put forward the improvement measures to improve the measurement precision.

Nugget diameter; Phased array ; Ultrasonic echo features

2015-01-18

劉 凱，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，工程師 ，碩士