基于超聲反射法的中厚板點(diǎn)焊熔核尺寸的定量化研究

劉亞麗，楊帆

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基于超聲反射法的中厚板點(diǎn)焊熔核尺寸的定量化研究

劉亞麗，楊帆

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電學(xué)部，湖北 武漢 430083）

文章以超聲波反射法為基礎(chǔ)，研究了不同焊點(diǎn)的超聲波回波特性。在超聲圖像中計(jì)算了第一主回波脈沖與第一中回波脈沖的幅值比，同時(shí)通過金相實(shí)驗(yàn)得到了熔核直徑的實(shí)際值。最后找出了振幅值比與熔核直徑實(shí)測值的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了熔核的定量化研究。

超聲反射法；中厚板點(diǎn)焊；熔核直徑

前言

一輛汽車車身由大約3000~6000個(gè)點(diǎn)焊接頭[1]，接頭的質(zhì)量問題主要包括虛焊、縮孔、裂紋、燒穿、噴濺和壓痕過深等等。超聲波檢測方法作為一種無損檢測手段，以其低成本、無污染、便于操作等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于點(diǎn)焊焊接的質(zhì)量檢測中。

1 超聲檢測法基本原理

1.1 超聲波反射法

該方法一般只需要采用一個(gè)又收又發(fā)的探頭垂直進(jìn)行檢測。探頭發(fā)射的超聲波在板材內(nèi)傳播，若遇到不同介質(zhì)，因?yàn)閮蓚?cè)聲阻抗有差異，聲波將發(fā)生發(fā)射，反射信號的強(qiáng)度與反射率的大小有關(guān)，由于反射信號通過的聲程一定，結(jié)合其衰減公式分析，探頭獲得的反射信號的強(qiáng)度也是一定的。

1.2 超聲波的衰減

超聲波衰減是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象，主要分為擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。其衰減方程為：

式中0為波源的起始聲壓；P為至波源距離為處的聲 壓；為至波源的距離；為介質(zhì)衰減系數(shù)，單位為NP/mm；為自然對數(shù)的底。

式（1）中，對于金屬材料等固體而言，介質(zhì)衰減系數(shù)等于散射衰減系數(shù)α和吸收衰減系數(shù)α之和，其中：

式中為超聲波頻率；為介質(zhì)的晶粒直徑；為波長。

衰減系數(shù)α為：

從中可以看出介質(zhì)的吸收衰減與頻率成正比，介質(zhì)的散射衰減與f、d、F有關(guān)，當(dāng)＜時(shí)，散射衰減系數(shù)與4、3成正比。

2 超聲實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)選擇四組兩層板（單層板厚2.1mm，材料為低碳鋼）進(jìn)行試驗(yàn)，點(diǎn)焊時(shí)，設(shè)定由小到大的不同的焊接電流、焊接時(shí)間和焊接電壓（如表1所示），以期得到不同大小的熔核直徑的焊點(diǎn)[2]。本次使用的實(shí)驗(yàn)儀器是Phascan便攜式超聲相控陣檢測儀，使用一個(gè)有效直徑為φ8mm的高頻15M的超聲直探頭對每個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行超聲檢測。

表1 焊接參數(shù)和熔核直徑

回波是由焊點(diǎn)的底面反射而成，中間回波是由點(diǎn)焊試件的與超聲探頭接觸的單層板反射而成[3]。根據(jù)上面波形得到的回波幅值，計(jì)算出每個(gè)超聲回波信號中第一主回波與第一中間回波幅值的比值。

3 金相實(shí)驗(yàn)

將兩塊點(diǎn)焊試件焊后沿焊點(diǎn)縱向面切開，制作金相試片。經(jīng)預(yù)磨后的試樣，先粗拋光，再精拋光。將精拋后的試樣浸蝕完畢后洗凈，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。用25倍顯微鏡觀察試樣結(jié)果如下圖1所示。根據(jù)金相圖計(jì)算出熔核的橫向直徑即[4]。

圖1 焊點(diǎn)金相圖

隨著焊接電流的增加，熔核直徑不斷增加，超聲回波信號中第一主回波與第一中間回波幅值的比值也不斷增加。

4 熔核形態(tài)的定量化

根據(jù)每個(gè)焊點(diǎn)熔核直徑與其超聲信號中第一個(gè)主回波和第一個(gè)中間回波的幅值的比值之間的對應(yīng)關(guān)系，繪制出他們的關(guān)系曲線，如下圖2所示（其中橫坐標(biāo)代表，縱坐標(biāo)代表）。

圖2 t與d之間的關(guān)系曲線

從上圖可以看出，熔核直徑越大，第一個(gè)主回波和第一個(gè)中間回波的幅值的比值越大，兩者呈遞增趨勢。這是因?yàn)橹骰夭ㄊ浅暡ń?jīng)過焊點(diǎn)至板材底面反射形成的，中間回波是超聲波在單層板中反射形成的，所以熔核直徑越大，兩板之間貼合的面積越大，超聲探頭發(fā)出的超聲波越多的在熔核中傳播，越少的在單層板中傳播，這樣形成的第一個(gè)主回波幅值相對較大。

5 結(jié)論和展望

根據(jù)超聲實(shí)驗(yàn)和金相實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)以及他們相擬合的結(jié)果，我們可以看出，隨著的增加，也隨著增加。我們可以根據(jù)點(diǎn)焊的超聲檢測信號計(jì)算所得的，在對應(yīng)的曲線上獲得對應(yīng)的熔核直徑，當(dāng)熔核直徑小于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可判斷焊點(diǎn)質(zhì)量不合格，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊的無損檢測。

[1] 郭瑞鵬,楊戰(zhàn)利,李遠(yuǎn).電阻焊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械制造文摘(焊接分冊),2015(01):35-38.

[2] 韓鳳武,王洪亮.多層及非等厚不銹鋼板點(diǎn)焊工藝研究[J].機(jī)車車輛工藝,2004(04):19-21.

[3] 劉凱.點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的三種超聲測量方法比較[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究,2018(06):32-35.

[4] 劉凱,剛鐵.鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)超聲回波信號特征與熔核直徑測量方法[J].焊接學(xué)報(bào),2011,32(08):105-108+118.

Research on the nugget dimension of spot welding using ultrasonic reflection method

Liu Yali, Yang Fan

( Electrical and mechanical department of wuhan university of science and technology city university, Hubei Wuhan 430083 )

In this paper, based on the ultrasonic reflection method, the ultrasonic echo characteristics of different welding spots were studied. The amplitude value ratio of the first main echo pulse to the first middle echo pulse ratio was calculated in the ultrasonic images, and the actual values of nugget diameter were obtained through the metallurgical experiment at the same time. Finally the relationship between amplitude value ratio and measured value of nugget diameter was found out, and the quantitative of the nugget was realized.

Ultrasonic reflection method; Medium thickness plate spot welding; Core diameter

U462

A

1671-7988(2019)09-70-02

U462

A

1671-7988(2019)09-70-02

劉亞麗，（1990.7-）女，助教，碩士研究生，研究方向：尺寸定量化研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.023