不銹鋼車體激光疊焊電磁超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

田勐 張勇 王麗萍 孫明輝 呂健瑋

摘要：結(jié)合不銹鋼車體激光疊焊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了激光疊焊電磁超聲自動(dòng)在線檢測(cè)技術(shù)，采用該技術(shù)對(duì)不銹鋼車體激光疊焊質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)。研究表明，電磁超聲檢測(cè)技術(shù)適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)不銹鋼激光疊焊焊縫檢測(cè)有較高的靈敏度，反射波的高低與不銹鋼激光疊焊熔深有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)焊縫的回波能力檢測(cè)不銹鋼薄板激光疊焊熔深。應(yīng)用研究中，比較了熔深與熔寬的關(guān)系，并采用機(jī)器人進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)判斷激光疊焊焊縫質(zhì)量，機(jī)器人的掃查速度快，提高了檢測(cè)效率，對(duì)不銹鋼激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：不銹鋼車體;激光疊焊;電磁超聲檢測(cè);機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0096-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.15

0 前言

美國波士頓地鐵項(xiàng)目是我國軌道交通裝備行業(yè)首次對(duì)世界高端市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)輸出的項(xiàng)目，其不銹鋼車體結(jié)構(gòu)側(cè)墻工序首次采用部分熔透激光疊焊技術(shù)。激光疊焊技術(shù)是激光束照射在不銹鋼車體外墻板內(nèi)側(cè)搭接的補(bǔ)強(qiáng)骨架上，通過控制工藝參數(shù)使激光束貫穿補(bǔ)強(qiáng)板，而在熔入外墻板某一深度時(shí)中止。激光疊焊橫截面形貌如圖1所示，激光疊焊未熔合橫截面形貌如圖2所示。激光焊完成的車體外觀平整度和美觀程度都是傳統(tǒng)焊接工藝無法比擬的[1]，但使用常規(guī)探傷方式無法滿足焊接質(zhì)量檢測(cè)要求，因此許多新技術(shù)不斷涌現(xiàn)[2]。電磁超聲檢測(cè)方法對(duì)于不銹鋼激光疊焊熔池的檢測(cè)有很高的靈敏度，可明顯識(shí)別激光疊焊不同熔深的焊縫。該檢測(cè)技術(shù)具備無需耦合劑、檢測(cè)精度高[3]、探頭不易磨損等特點(diǎn)[4]，可透過保護(hù)膜檢測(cè)激光疊焊，優(yōu)勢(shì)明顯。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試件準(zhǔn)備

美國波士頓地鐵不銹鋼車體采用SUS301L奧氏體不銹鋼板材，側(cè)墻和補(bǔ)強(qiáng)骨架的厚度分別為2 mm和1 mm[5]。SUS301L奧氏體不銹鋼力學(xué)性能優(yōu)異[6]，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。激光焊工藝具有焊接熱量集中、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[7]，可實(shí)現(xiàn)更好的焊接效率和焊接質(zhì)量[8]，用Trudisk 4002激光器進(jìn)行激光疊焊，接頭形式如圖3所示。

2.2 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)

電磁超聲傳感器（EMAT）采用在線式Innerspect電磁超聲儀器，功率4 kW，頻率0.5～2 MHz。采用5.08 mm波長聚焦回折線圈，如圖4所示，系統(tǒng)靈敏度為：熔深在0.2 mm以下時(shí)，分辨率為0.05 mm;熔深在0.2 mm以上時(shí)，分辨率為0.1 mm。系統(tǒng)穩(wěn)定性為±2 dB，可通過門限區(qū)分。電磁超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械工裝系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為6個(gè)自由度，如圖5所示。電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)在不銹鋼車體側(cè)墻的平行線上掃描焊縫，傳感器不斷掃描并策劃編碼的位置，提供位置與振幅圖表，當(dāng)焊縫回波低于設(shè)定閾值水平時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，檢測(cè)結(jié)束后系統(tǒng)可自動(dòng)生成表格，每條焊縫的檢測(cè)數(shù)據(jù)信息都自動(dòng)保存在一個(gè)矩陣列表中，記錄具有可追溯性，便于后續(xù)分析、跟蹤和過程監(jiān)控。系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

2.3 試驗(yàn)方法

EMAT工作原理如圖7所示。EMAT通過電磁耦合的方式在被測(cè)試件中激發(fā)超聲波[9]，焊縫有時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛焊[10]。電磁超聲傳感器可在金屬內(nèi)部利用洛倫茲力和磁滯伸縮直接產(chǎn)生超聲波，無需耦合劑，不受表面涂層和表面保護(hù)薄膜脫粘的影響，可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。EMAT利用不同的磁鐵和線圈組合設(shè)計(jì)，能夠有效地激發(fā)出各種超聲波模式，易獲得傳統(tǒng)壓電超聲探頭較難實(shí)現(xiàn)的各種超聲波形，解決許多傳統(tǒng)超聲無法實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)技術(shù)問題，激光疊焊檢測(cè)SH導(dǎo)波是首選。該EMAT系統(tǒng)電磁超聲傳感器激發(fā)SH超聲導(dǎo)波，SH波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳輸方向，在傳輸過程中相對(duì)于蘭姆波（Lamb waves）很少發(fā)生波束方向的改變、頻散、衰減以及模式轉(zhuǎn)換，焊縫余高、工件表面的金屬毛刺和液體殘留等很少產(chǎn)生反射信號(hào)?；谝陨咸匦裕琒H超聲導(dǎo)波可避免焊縫余高等因素產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼車體激光疊焊焊縫的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

針對(duì)不銹鋼薄板激光疊焊電磁超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了三項(xiàng)試驗(yàn)：電磁超聲檢測(cè)方法的可行性試驗(yàn)、電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定試驗(yàn)、電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)可靠性評(píng)估試驗(yàn)。

3.1 激光疊焊電磁超聲檢測(cè)方法的可行性試驗(yàn)

3.1.1 激光疊焊電磁超聲檢測(cè)

SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試件如圖8所示，試件上標(biāo)記了序號(hào)1～6激光疊焊焊縫，分別采用1 900 W、1 800 W、1 750 W、1 700 W、1 600 W、1 500 W焊接，試件上板厚2 mm，下板厚0.64 mm，每條焊縫長度約50 mm、寬度約0.5 mm、焊縫間距約50 mm。用頻率0.95 MHz、0.2 英寸波長電磁超聲線圈激發(fā)SH波進(jìn)行EMAT檢測(cè)。SH波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于板面，激光疊焊熔深越大，接收反射受阻的超聲波能量越大，反射波幅越高;熔深越小，反射波幅越小。從厚板側(cè)以R-L逐點(diǎn)采集方式檢測(cè)這6條焊縫熔池深度，探頭中心距焊縫約25 mm，探頭聚焦點(diǎn)尺寸5 mm，從焊縫起始點(diǎn)開始平均間隔5 mm取測(cè)試點(diǎn)，可全部覆蓋焊縫長度50 mm，用編碼器等分距離。

3.1.2 激光疊焊電磁超聲檢測(cè)結(jié)果

（1）1號(hào)焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，其中9號(hào)點(diǎn)回波示意如圖9所示。

（2）2號(hào)焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

（3）3號(hào)焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，結(jié)果如表5所示。

（4）4號(hào)焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，結(jié)果如表6所示。

（5）5號(hào)焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，結(jié)果如表7所示。

（6）6號(hào)焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，結(jié)果如表8所示。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)論

某激光疊焊焊縫EMAT位置-振幅樣例圖如圖10所示，對(duì)不銹鋼車體激光疊焊EMAT檢測(cè)的主要目的是判斷焊縫是否熔合。本次試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，激光疊焊焊縫熔合與未熔合反射波幅有明顯差異，證明了電磁超聲檢測(cè)技術(shù)適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)，且不受保護(hù)膜粘接質(zhì)量的影響。

3.2 激光疊焊電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定

采用電磁超聲檢測(cè)技術(shù)分別檢測(cè)3塊不銹鋼車體SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試板，上板厚2 mm，下板厚0.64 mm，試件編號(hào)分別為1809、1810、1811，用頻率0.95 MHz、0.2英寸波長電磁超聲聚焦線圈激發(fā)SH導(dǎo)波，以L-R連續(xù)掃查方式從厚板側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.1 編號(hào)1809試件檢測(cè)結(jié)果

編號(hào)1809試件如圖11所示。位置1和3與板上側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，位置4和6與板下側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，上下側(cè)焊縫間距約60 mm，每個(gè)焊接點(diǎn)都提供了良好的反射（接近70%）。位置2和5是無焊縫區(qū)，不屬于測(cè)試范圍。對(duì)位置1、3、4、6激光疊焊焊縫進(jìn)行了熔深金相檢驗(yàn)，金相結(jié)果與EMAT檢測(cè)結(jié)果如表10所示。

3.2.2 編號(hào)1810試件檢測(cè)結(jié)果

編號(hào)1810試件如圖12所示。位置1和3與板上側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，位置4和6與板下側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，每個(gè)焊接點(diǎn)提供了微弱至無的反射（接近10%），說明焊縫質(zhì)量低劣，熔合不良。位置2和5是無焊縫區(qū)，不屬于測(cè)試范圍。在該特定試件中，一些激光疊焊焊縫的邊緣具有相當(dāng)高的回波，通常只有一個(gè)邊緣具有更高的響應(yīng)。試驗(yàn)表明：當(dāng)焊接開始，由于功率高在該處焊接良好，但僅在一個(gè)非常小的區(qū)域，該激光疊焊焊縫的其他部分仍然不好，是功率降低造成的。對(duì)位置1、3、4、6激光疊焊焊縫進(jìn)行了熔深金相檢驗(yàn)，金相結(jié)果與EMAT檢測(cè)結(jié)果一致，如表11所示。

3.2.3 編號(hào)1811試件檢測(cè)結(jié)果

編號(hào)1811試件如圖13所示。位置1、3和5與板下側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，位置6、8和10與板上側(cè)的激光疊焊焊縫相對(duì)應(yīng)，每個(gè)焊接點(diǎn)都提供了良好的反射（接近75%）。位置2、4、7和9是無焊縫區(qū)，不在測(cè)試范圍。對(duì)位置1、3、5、6、8、10激光疊焊焊縫進(jìn)行了熔深金相檢驗(yàn)，金相結(jié)果與EMAT檢測(cè)結(jié)果如表12所示。

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

由分析可知，1809試件平均熔深為0.24 mm，1811試件平均熔深為0.36 mm，1810試件平均熔深為0.13 mm。激光疊焊EMAT檢測(cè)反射波幅隨著熔深的增加而增加，本次試驗(yàn)中將1811試件平均熔深0.36 mm對(duì)應(yīng)EMAT反射波幅（75%±1%）設(shè)為閾值上限，1809試件平均熔深0.24 mm對(duì)應(yīng)EMAT反射波幅（70%±1%）設(shè)為閾值下限。1810試件平均熔深相對(duì)小，其EMAT反射波幅（10%±1%）低于設(shè)定閾值下限，檢測(cè)結(jié)果不合格。

3.3 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證評(píng)估

圖14中電磁超聲檢測(cè)綠色區(qū)域?yàn)楹缚p位置。電磁超聲技術(shù)主要對(duì)焊縫區(qū)內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行分析，回波能力AMP是指閘門內(nèi)波峰最高點(diǎn)的Flaw值。在同一批次SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試件中取13個(gè)進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，用頻率0.95 MHz、波長0.2英寸的電磁超聲聚焦線圈激發(fā)SH導(dǎo)波，以L-R連續(xù)掃查方式從厚板側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均與熔深金相結(jié)果一致。以編號(hào)1840-2試件為例，如圖15所示，其EMAT檢測(cè)結(jié)果如圖16所示，分別對(duì)位置1/4、2/4、1/5、2/5、1/6、2/6激光疊焊焊縫熔深進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相結(jié)果與EMAT檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表13所示。

分析13個(gè)激光疊焊試件EMAT回波能力，并結(jié)合熔深金相檢驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：（1）EMAT回波小于20%，熔深在0.15 mm以下。（2）EMAT回波在20%～30%時(shí)，熔深在0.15～0.3 mm。（3）EMAT回波在30%～40%時(shí)，熔深在0.3 mm以上。（4）EMAT回波超過40%的屬于焊縫過燒。（5）EMAT回波信號(hào)的x軸長度代表激光疊焊的熔池寬度?；夭晻r(shí)較長（見圖17），說明熔池較寬，回波聲時(shí)較短（見圖18），表示熔池較窄。

運(yùn)用便攜式熔寬檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)激光疊焊焊縫并與EMAT結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔寬大于等于0.4 mm時(shí)，激光疊焊熔深大于等于0.1 mm。該項(xiàng)目要求：部分熔透激光疊焊熔深小于0.1 mm、熔寬小于0.4 mm時(shí)為不合格。激光疊焊熔深為0.1 mm時(shí)電磁超聲檢測(cè)平均反射波幅為14.8%，因此EMAT檢測(cè)中將合格閘門設(shè)置為14.8%，反射波幅低于該值的焊縫為不合格。實(shí)際檢測(cè)中對(duì)于某一條焊縫，采樣點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不少于1個(gè)/mm，若某一采樣點(diǎn)波高低于標(biāo)定波高，則該點(diǎn)處為缺陷。若累計(jì)缺陷采樣點(diǎn)數(shù)量大于等于該條焊縫總采樣數(shù)量的20%或連續(xù)缺陷大于等于10%，則判定為不合格焊縫。EMAT檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)評(píng)定焊縫是否合格，并在結(jié)果中用不同顏色予以區(qū)分。激光疊焊過燒缺陷可通過肉眼或內(nèi)窺鏡等外觀檢查判定。

4 結(jié)論

（1）前期不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)多以焊后破壞性試驗(yàn)為主，因不銹鋼車體側(cè)墻尺寸大且焊縫多，每個(gè)側(cè)墻需要檢測(cè)的焊縫達(dá)700多條，并要求在30 min內(nèi)完成檢測(cè)，因此開發(fā)不銹鋼薄板激光疊焊電磁超聲自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)相當(dāng)重要。電磁超聲無需耦合劑，可透過保護(hù)膜對(duì)車體側(cè)墻激光疊焊焊縫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不銹鋼激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）電磁超聲檢測(cè)技術(shù)適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于不銹鋼激光疊焊熔池檢測(cè)有較高的靈敏度，可根據(jù)焊縫的回波能力檢測(cè)不銹鋼薄板激光疊焊熔深，判斷焊縫質(zhì)量，并采用機(jī)器人進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)，掃查速度最高可達(dá)1 000 mm/s，提高了檢測(cè)效率。

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