激光焊熔寬的超聲檢測精度提升

黃治軼，王春生，賀 帥，谷曉鵬，董 娟 ，徐國成

（1. 中車長春軌道客車股份有限公司 工程技術(shù)中心工程規(guī)劃發(fā)展部，吉林 長春 130000；2. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；3. 吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引 言

激光焊具有焊接速度快，焊后變形小等優(yōu)勢，在軌道交通及汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-7]。搭接激光焊接頭是車體中最常使用的接頭形式，而板層接觸面處的熔寬是衡量接頭連接強度的重要指標(biāo)[8-10]。然而，在實際的焊接過程中，裝卡精度不夠、激光參數(shù)波動等因素均會對激光焊接頭的熔合狀態(tài)造成影響[11-12]。因此，激光焊接頭熔寬的焊后檢測與評估非常重要。

生產(chǎn)過程中最常采用的檢測方式是破壞性檢測，該方法效率低，材料浪費嚴(yán)重[13-14]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者都致力于對激光焊接頭無損檢測的研究。超聲波無損檢測技術(shù)由于具有安全、高效以及經(jīng)濟性等多種優(yōu)勢而備受關(guān)注[15-16]。常用的焊縫超聲檢測方法基于脈沖回波原理，將工件浸入水中，采用高頻探頭進行水浸式檢測，通過對反射信號進行人工分析來評價焊接質(zhì)量[17-18]，由于超聲束具有一定的尺寸，在焊縫邊緣的傳播過程存在半返半透現(xiàn)象，一般采用6 dB法對焊縫邊緣進行判定,即當(dāng)超聲波的回波幅值為母材區(qū)回波幅值的一半時，其聲衰減度為6 dB，此時判定超聲束的中心線與焊縫邊緣重合。但是，在實際的檢測中發(fā)現(xiàn)，采用6 dB法在點焊、激光焊等接頭的邊界判定中存在一定的偏差，而隨著對焊縫檢測精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的6 dB法檢測結(jié)果已經(jīng)不能滿足要求。鑒于超聲數(shù)值模擬能夠直接觀察超聲波的傳播規(guī)律[19-22]，本文采用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，建立了搭接激光焊接頭的仿真模型，對焊接接頭內(nèi)部各個區(qū)域超聲波的傳播規(guī)律進行了分析，對傳統(tǒng)6 dB法的檢測誤差形成原因進行了分析，并形成了基于修正6 dB法的搭接激光焊接頭的熔寬評估方法，為激光焊接頭的質(zhì)量評估提供了理論基礎(chǔ)和試驗方法。

2 激光焊接頭超聲檢測仿真分析

2.1 激光焊接頭的結(jié)構(gòu)特點

為了建立符合焊接接頭實際情況的有限元分析模型，本文采用板厚組合為1 mm+2 mm的SUS301L奧氏體不銹鋼薄板制備了非熔透型激光焊搭接接頭，并對接頭的金相結(jié)構(gòu)進行了分析。接頭形式和基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光焊接頭結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of the laser welding joint

將激光焊接頭沿垂直于焊縫方向剖切，制備成激光焊接頭的金相樣件，以觀察激光焊接頭的宏觀形貌，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，激光焊接頭的熔合區(qū)邊緣為長條狀的柱狀晶，而接頭中心區(qū)域晶粒細(xì)小，熔合區(qū)與母材區(qū)存在一定的組織差異，具有明顯的熔合線，熱影響區(qū)較小。雖然熔合線明顯，但是熔合線兩側(cè)的主要成分仍然為不銹鋼，聲阻抗差異較小，因此熔合線并不能成為聲學(xué)上的強反射界面。在熔合區(qū)外側(cè)，上下鋼板的界面明顯，鋼板與間隙中的空氣存在較大的聲阻抗差異，因此上、下鋼板的表面均為強反射界面。

圖2 激光焊接頭截面金相圖Fig. 2 The metallographic section of the laser welding joint

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)激光焊接頭的結(jié)構(gòu)特點，建立了垂直于焊縫方向的剖面有限元分析模型，其幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件設(shè)置如圖3所示。由圖3（a）可見，模型采用1 mm+2 mm的板厚組合，剖面寬度設(shè)置為10 mm。在上下層鋼板的交接處設(shè)置了寬度為W的連接區(qū)域，以模擬焊接接頭的連接寬度。根據(jù)模型的需要，寬度值W分別設(shè)置為0.5，1，1.5和2 mm。模型上表面中的S1～S5代表入射超聲束的中心位置，其中S1和S5分別為掃描起始點和掃描結(jié)束點；S2和S4分別代表左側(cè)和右側(cè)接頭邊緣掃描點；S3代表接頭中心位置的掃描點。在超聲檢測模擬時，超聲束中心由S1向S5逐步移動，步距設(shè)置為0.04 mm。

圖3 激光焊接頭的截面模型。（a）結(jié)構(gòu)及尺寸；（b）求解域設(shè)置Fig. 3 Section model of the laser welding joint. (a) Structure and dimensions; (b) solution domain setting

由圖3（b）可見，求解域分成A、B兩部分，分別代表兩層不銹鋼板。雖然模型寬度設(shè)置為10 mm，但是實際接頭尺寸遠(yuǎn)大于10 mm，求解域中的邊界2，5，8，9是為了簡化計算而設(shè)置的人工截斷邊界，因此將其設(shè)置為阻尼邊界，其對超聲束具有吸收作用。而邊界1，3，4，6，7，10則為鋼板的外表面，設(shè)置為對超聲波全反射界面。

圖4 超聲激勵信號模型Fig. 4 Ultrasonic excitation signal model

在上板上表面施加超聲激勵信號，以模擬探頭發(fā)出的超聲波信號。激勵信號采用2.5周期的正弦波疊加高斯窗，中心頻率設(shè)置為15 MHz，其波形如圖4所示。激勵信號施加到求解域的邊界1上，寬度為1 mm。根據(jù)超聲波在不銹鋼中的聲速，求出超聲波在不銹鋼中的波長為0.42 mm。由于超聲波波長遠(yuǎn)高于焊接接頭中的晶粒尺寸，因此在處理波動問題時，并不在模型中設(shè)置熔合線、晶界等界面。為了兼顧運算精度及速度，單元網(wǎng)格最大尺寸一般控制在最小波長的1/10～1/5之間。本模型采用三角形單元劃分，網(wǎng)格最大尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格模型如圖5所示。模型總的單元數(shù)為20 586，自由度數(shù)目為41 769。根據(jù)不銹鋼的材料參數(shù)，將楊氏模量E設(shè)置為2.1 × 1011Pa，泊松比設(shè)置為0.33，材料密度ρ設(shè)置為7 850 kg/m3。采用迭代法進行求解計算，時間步長為0.001 μs，總的目標(biāo)求解時間為2.5 μs。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig. 5 Mesh generation

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 焊接接頭各區(qū)域的超聲傳播狀態(tài)分析

當(dāng)超聲波在連接寬度為1 mm的激光焊接頭的母材區(qū)入射時，其超聲場分布如圖6（彩圖見期刊電子版）所示。由圖6可見，當(dāng)探頭發(fā)射超聲波后，超聲波束向著與邊界1垂直的方向傳播，并在0.16 μs時到達(dá)上層鋼板的下表面。由于在母材區(qū)，上下鋼板具有明顯間隙，超聲波在上層鋼板的下表面完全反射，反射波在0.32 μs時回到上層鋼板的上表面。根據(jù)超聲波在鋼板中的傳播速度，當(dāng)鋼板的板厚為1 mm時，15 MHz的超聲波的傳播時間為0.158 μs。仿真分析結(jié)果基本符合超聲波的傳播規(guī)律。在0.32 μs之后，超聲波在上層鋼板的上下表面發(fā)生多次反射，且由于超聲波的反射和衰減作用，使聲場強度逐漸降低。

圖6 母材區(qū)的超聲場分布。（a） t=0.02 μs；（b） t=0.16 μs；（c） t=0.32 μs；（d） t=0.48 μsFig. 6 Ultrasonic distributions at the base metal zone. (a) t=0.02 μs; (b) t=0.16 μs; (c) t=0.32 μs; (d) t=0.48 μs

當(dāng)超聲波在母材與接頭之間的過渡區(qū)入射時，其超聲場分布如圖7所示。超聲波在0.16 μs時到達(dá)上層鋼板的下表面，這與母材區(qū)的入射情況一致。由于超聲波束具有一定的尺寸，與母材區(qū)接觸的部分超聲波在當(dāng)前位置反射，而另一部分與熔合區(qū)接觸的超聲波則繼續(xù)向下層鋼板傳播，并在0.48 μs到達(dá)下層鋼板的底面。值得注意的是，當(dāng)超聲波到達(dá)熔合區(qū)邊緣時，聲波在熔合區(qū)邊緣處產(chǎn)生了尖端衍射，衍射波以熔合尖端為圓心向四周傳播，對入射波和反射波均造成了一定影響。

當(dāng)超聲波在焊接接頭的熔合區(qū)入射時，其超聲場分布如圖8所示。在0.16 μs時超聲波束到達(dá)上板底面，由于熔合區(qū)的上下鋼板并無聲阻抗差異大的界面，因此超聲波束穿透焊縫金屬，進入下層鋼板。超聲波束在0.48 μs時到達(dá)下層鋼板的下表面并被鋼板的下表面反射。由于超聲波束在傳播過程中寬度逐漸增加，在從下層鋼板返回上層鋼板時，在熔合區(qū)外的超聲束被接觸面反射，在熔合區(qū)內(nèi)的超聲束通過焊接接頭，因此，返回上層鋼板的超聲波束強度降低。 為了分析超聲回波信號在不同連接區(qū)域的變化情況，提取了探頭位于不同連接區(qū)時，接收到的超聲A掃描信號，其結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）可見，當(dāng)探頭位于母材區(qū)時，超聲探頭接收到兩次從上板底面反射的回波，其回波的波形與入射波的波形基本一致，而幅值則逐漸降低，可見探頭在母材區(qū)發(fā)射的超聲波在工件中的傳播過程不受焊縫影響，僅在上層鋼板的表面發(fā)生鏡面反射，超聲波束的形狀和方向均保持不變。

當(dāng)超聲探頭位于接頭邊緣的過渡區(qū)時，超聲A掃描信號如圖9（b）所示，其上板底面的一次回波U1和二次回波U2出現(xiàn)的時間與母材區(qū)一致，但是幅值較母材區(qū)域低。這是由于部分超聲束穿透焊接接頭向下傳播，導(dǎo)致超聲束在上板底面的反射面積減小。在0.96 μs時，探頭接收到了從下層鋼板底面?zhèn)骰氐囊淮位夭↙1，其聲程為上板底面回波U1的3倍。由超聲波的一般反射規(guī)律可知，當(dāng)其他邊界條件相同時，超聲波的反射回波強度與反射面積成正比，因此可以通過6 dB法判定焊縫邊界。而從圖9（a）和圖9（b）可知，雖然超聲波在過渡區(qū)的反射面積僅為母材區(qū)反射面積的一半，但是其上板底面的一次回波強度由5.8下降到2.66，其衰減度為6.77 dB，與傳統(tǒng)的6 dB法具有一定差異。這是因為在熔合區(qū)邊緣發(fā)生了尖端衍射，而衍射波作用到上板底面的反射波上，使反射波發(fā)生了輕微的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致探頭接收到的一次回波U1的幅值略低，這種偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象在圖7（c）和圖7（d）的有限元分析結(jié)果中可以明確觀測到。由此可見，在檢測過程中使用6 dB法確定的焊縫尺寸會略大于實際值，而采用6.77 dB的衰減度，則能準(zhǔn)確定位焊縫邊界。

圖7 過渡區(qū)的超聲場分布。（a） t=0.02 μs；（b） t=0.16 μs；（c） t=0.32 μs；（d） t=0.48 μsFig. 7 Ultrasonic distribution in the transitional zone. (a) t=0.02 μs; (b) t=0.16 μs; (c) t=0.32 μs; (d) t=0.48 μs

圖8 熔合區(qū)的超聲場分布。（a） t=0.02 μs；（b） t=0.16 μs；（c） t=0.48 μs；（d） t=0.8 μs；（e） t=0.88 μs；（f） t=0.96 μsFig. 8 Ultrasonic distribution in the fusion zone. (a) t=0.02 μs; (b) t=0.16 μs; (c) t=0.48 μs; (d) t=0.8 μs;(e) t=0.88 μs; (f) t=0.96 μs

圖9 接頭不同區(qū)域的超聲A掃描信號。（a）母材區(qū)；（b）過渡區(qū)；（c）熔合區(qū)Fig. 9 Ultrasonic A-scan echoes from different connection zones. (a) Base metal zone; (b) transitional zone;(c) fusion zone

當(dāng)超聲探頭位于焊接接頭的熔合區(qū)時，超聲A掃描信號如圖9（c）所示。圖中上板底面回波U1和U2均消失，僅在0.96 μs時出現(xiàn)了下板底面的一次回波。這是因為在熔合區(qū)，上、下鋼板之間的界面消失，因此超聲波束完全進入下層鋼板，在上板底面不再發(fā)生反射。另外，在0.36 μs和1.3 μs時均出現(xiàn)了信號波動D1和D2，這是探頭接收到的接頭邊緣的尖端衍射波。其中，D1信號波動非常微弱，這表明第一次尖端衍射波的信號很弱。在0.96 μs以后，超聲波發(fā)生二次入射時，聲束的擴散導(dǎo)致二次入射波的聲束較寬，因此在接頭邊緣的二次尖端衍射波能量更強，使D2信號的幅值略高。

由以上分析可見，當(dāng)超聲波束在寬度為1 mm的激光焊縫的不同區(qū)域入射時，一次回波幅值U1具有明顯的變化，當(dāng)超聲波束的中心位置與焊縫邊緣重合時，一次回波U1的衰減度為6.77 dB，因此，根據(jù)一次回波幅值可以對焊接接頭的熔寬進行評估。

2.3.2 不同尺寸焊接接頭的超聲傳播狀態(tài)分析

為了分析超聲波對不同尺寸接頭的分辨率，將有限元分析模型中的接頭連接寬度分別設(shè)置為0.5、1、1.5和2 mm，并將超聲波激勵信號以0.02 mm的步長從母材區(qū)向熔合區(qū)逐步移動，在每個步進點發(fā)射和接收超聲回波信號。將超聲A掃描信號中的一次回波U1的幅值作為特征值，形成接頭橫斷面上的一次回波幅值變化圖，其結(jié)果如圖10(a)所示。

圖10 不同尺寸接頭超聲A掃描信號一次回波變化規(guī)律。（a）不同熔寬尺寸接頭U1幅值變化規(guī)律；（b）不同上板板厚U1衰減度變化規(guī)律Fig. 10 The change regularity of an ultrasonic A scan echoes at different joint dimensions. (a) U1 amplitude changes with different joint widths; (b) U1 attenuation degree changes with different upper plate thickness

由圖10(a)可見，當(dāng)焊接接頭寬度為2 mm時，一次回波幅值在焊接接頭橫斷面上呈現(xiàn)U字形，接頭兩端母材區(qū)的幅值約為5.5，且在焊接接頭兩端±1.5 mm處開始下降，這是由于寬度為1 mm的超聲波束在此處首次移入到焊接接頭邊緣，超聲波束部分入射到接頭中。在焊接接頭的中心區(qū)域，一次回波幅值接近于零?；夭ǚ翟诤附咏宇^兩端的±1 mm處下降到2.66；當(dāng)焊接接頭尺寸為1.5 mm和1 mm時，一次回波幅值依然呈現(xiàn)U字形，回波幅值分別在接頭兩端的±0.75 mm和±0.5 mm處下降到2.66；當(dāng)焊接接頭尺寸為0.5 mm時，一次回波幅值呈現(xiàn)V字形，但是回波幅值在±0.25處下降到2.66。這表明采用6.77 dB的衰減度在接頭寬度為0.5～2 mm的變化范圍內(nèi)均能較為精確地反應(yīng)出焊接接頭的尺寸。

由以上分析可見，對于搭接半熔透的激光焊接頭，采用6.77 dB作為閾值對傳統(tǒng)的6 dB法進行修正，可以提高焊接接頭的尺寸分辨準(zhǔn)確度。

為了分析板厚對一次回波幅值U1的影響，有限元分析模型中接頭上板厚度設(shè)置為1～5 mm（以0.5 mm為步長），接頭連接寬度均設(shè)置為1 mm。在母材區(qū)和接頭邊緣分別發(fā)射和接收超聲回波信號，提取一次回波U1的幅值，計算一次回波幅值的衰減度，其變化趨勢如圖10（b）所示。

由圖10（b）可見，當(dāng)上板板厚增加時，接頭邊緣一次回波U1的衰減度具有明顯的下降趨勢。當(dāng)上板板厚達(dá)到5 mm時，U1的衰減度已經(jīng)趨向于6.1 dB。這表明隨著上板板厚增加，在接頭邊緣產(chǎn)生的衍射波對一次回波的影響減小。這是因為隨著上板板厚增加，衍射波聲程也相應(yīng)增加，衰減作用的影響更為明顯。同時，由于衍射波具有一定的偏轉(zhuǎn)，隨著聲程的增加，衍射波逐漸偏離探頭的接收范圍。因此，采用修正6 dB法定量測量接頭熔寬時，其修正值需要根據(jù)上板板厚進行調(diào)整。

3 激光焊接頭超聲檢測試驗結(jié)果與分析

為了驗證修正6 dB法在實際激光焊接頭中的尺寸測量精度，選用15 MHz的高頻聚焦探頭對不同尺寸的激光焊接頭進行垂直于焊縫方向的掃描檢測，掃描步距為0.02 mm，超聲探頭在每個掃描點發(fā)射和接收超聲A掃描信號，提取截面上各個不同區(qū)域的超聲A掃描檢測信號，其結(jié)果如圖11（彩圖見期刊電子版）所示。

由圖11（a）可見，當(dāng)超聲波在母材區(qū)域入射時，其一次回波在0.32 μs時被超聲探頭接收，二次回波與多次回波之間間隔均為0.32 μs，說明在母材區(qū)接收到的回波均為上板底面的多次反射波。而當(dāng)超聲波在靠近母材側(cè)的過渡區(qū)入射時，如圖11（b）所示，其一次回波的幅值降低，并且在0.96 μs處出現(xiàn)了下板底面的一次回波。隨著超聲波入射位置向接頭區(qū)域移動，上板底面的一次回波幅值持續(xù)降低，而下板底面的一次回波幅值上升，如圖11（c）所示，上板底面的一次回波幅值已經(jīng)降低到了噪聲水平。而當(dāng)超聲束完全移動到接頭區(qū)時，上板底面的一次回波消失，而下板底面一次回波上升到峰值。由以上分析可見，超聲波在不同區(qū)域的回波情況與有限元分析結(jié)果基本一致。

圖11 激光焊接頭各區(qū)域超聲A掃描信號。（a）母材區(qū)；（b）母材側(cè)過渡區(qū)；（c）焊縫側(cè)過渡區(qū)；（d）焊縫連接區(qū)Fig. 11 Ultrasonic A-scan echoes from different zones of laser welding joints. (a) Base metal zone; (b) transition zone at the base metal side; (c) transition zone at the joint side; (d) fusion zone

以上板底面一次回波幅值U1為特征值，形成激光焊接頭截面上超聲回波特征值變化曲線，其結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，上板底面一次回波的幅值呈現(xiàn)兩側(cè)高，中間低的U形特征，與有限元分析的結(jié)果基本一致。

圖12 激光焊接頭連接狀態(tài)表征曲線。 (a) 特征量選??；(b) 特征量變化規(guī)律Fig. 12 Characteristic curve of the connection status of laser welding joints. (a) Characteristic parameter selection; (b) change regulation of the characteristic parameter

采用修正6 dB法測量36組激光焊接頭的熔寬，并與金相截面上測量的熔寬進行對比，其結(jié)果如圖13所示。當(dāng)激光焊接頭熔寬在0.7～2.3 mm范圍內(nèi)變化時，與金相截面的測量結(jié)果相比，傳統(tǒng)6 dB法測量的激光焊接頭熔寬均偏大，而基于修正6 dB法的測量結(jié)果則較為準(zhǔn)確。

圖13 激光焊接頭熔寬測量結(jié)果。（a）修正6 dB法、傳統(tǒng)6 dB法和金相測量結(jié)果對比；（b）修正6 dB法的誤差分布Fig. 13 Results of joint width measured by different methods. (a) Comparison of detection results of the modified 6 dB method, traditional 6 dB method and metallographic section; (b) error distribution of modified 6 dB method

4 結(jié) 論

激光焊接頭各個連接區(qū)域的超聲波傳播過程仿真結(jié)果表明，在超聲波A掃描信號中，上板底面一次回波U1的幅值對接頭各個區(qū)域的連接狀態(tài)較為敏感；采用U1的幅值作為特征值，能夠有效地區(qū)分出焊接接頭的母材區(qū)、過渡區(qū)和熔合區(qū)；由于接頭邊緣的尖端衍射效應(yīng)，U1在接頭邊緣的衰減度為6.77 dB。

不同連接尺寸的激光焊接頭內(nèi)部超聲波傳播過程的的仿真結(jié)果表明，當(dāng)上板板厚為1 mm時，基于接頭邊緣的6.77 dB的衰減度，可以較為準(zhǔn)確地識別出不同尺寸的激光焊接頭的熔寬。當(dāng)上板板厚在1～5 mm之間變化時，接頭邊緣的衰減度從6.77 dB下降到6.1 dB，根據(jù)衰減度變化曲線可以將傳統(tǒng)6 dB法進行修正，對激光焊接頭的熔寬進行精確評估。

不同激光焊接頭的金相測量尺寸與超聲檢測尺寸對比表明，修正后的6 dB法在尺寸范圍為0.7～2.3 mm的激光焊接頭熔寬測量結(jié)果與金相測量結(jié)果吻合良好，表明本研究所建立的修正6 dB法具有較好的精度，為工程應(yīng)用條件下激光搭接焊接頭超聲波檢測熔寬提供了理論基礎(chǔ)和實踐方法。