基于相控陣超聲的鋁合金焊接監(jiān)測(cè)方法

閔少松,朱志潔,陸雷俊,孟慶旭

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院,湖北 武漢430033;2.上海船舶工藝研究所,上海 200032)

0 引言

鋁合金材料在各類(lèi)中小型高速艇中得到了大量的應(yīng)用。相對(duì)于鋼質(zhì)船體材料,鋁合金薄板在焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生變形,需要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范施工。但是,依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷很難保證焊接工藝規(guī)范的嚴(yán)格執(zhí)行。焊接過(guò)程中鋁合金薄板焊縫會(huì)產(chǎn)生氣孔和未熔合等常見(jiàn)缺陷,常用的焊縫質(zhì)量檢測(cè)手段也容易出現(xiàn)漏檢問(wèn)題。對(duì)此類(lèi)缺陷,射線檢測(cè)靈敏度不高,常規(guī)超聲檢測(cè)由于壁厚較薄無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,給準(zhǔn)確評(píng)判焊接質(zhì)量帶來(lái)困難。由此導(dǎo)致鋁合金船體結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量難以得到保障,進(jìn)而對(duì)鋁合金船體結(jié)構(gòu)的修造質(zhì)量和船舶安全使用帶來(lái)隱患。

為有效解決這一問(wèn)題,需要從焊接過(guò)程及焊后檢測(cè)2個(gè)方面來(lái)保證鋁合金薄板焊接質(zhì)量。在鋁合金焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)方面:王蕤等[1]利用點(diǎn)焊過(guò)程中熔核質(zhì)量信息,構(gòu)建了以焊接磁場(chǎng)、焊接電壓和電極位移為焊接質(zhì)量評(píng)定特征信息的鋁合金點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng);于鵬[2]基于焊接電流信號(hào)和焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)溫度信號(hào)開(kāi)發(fā)了鋁合金焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng);張志芬[3]研究了焊接電信號(hào)、電弧聲信號(hào)、電弧光譜信號(hào)及熔池圖像的多信息鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng);白韶軍等[4]構(gòu)建了基于虛擬儀器技術(shù)的電弧焊參數(shù)和電弧物理形態(tài)的高速攝像測(cè)試系統(tǒng),并采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制;李玉龍等[5]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法,分析了鋁合金超聲波焊接過(guò)程中不同焊接參數(shù)對(duì)焊接界面溫度的影響規(guī)律。上述研究可有效監(jiān)測(cè)鋁合金焊接過(guò)程,但現(xiàn)階段,修船廠難以對(duì)鋁合金焊接過(guò)程的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與預(yù)警,為此,還需要更具廣泛應(yīng)用價(jià)值的監(jiān)測(cè)手段。在焊后質(zhì)量檢測(cè)方面:WU等[6]采用金相法觀察2024鋁合金攪拌摩擦焊焊后的材料流動(dòng),建立了三維數(shù)值模型并基于該模型計(jì)算了攪拌針附近塑性材料流動(dòng)加速度分布;吳振成等[7]發(fā)現(xiàn)渦流陣列檢測(cè)技術(shù)可用于鋁合金等材料攪拌摩擦焊焊縫表面及近表面缺陷的檢測(cè);洪宇翔等[8]提出了支持向量機(jī)模型對(duì)熔池穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別的方法,進(jìn)而對(duì)鋁合金爬坡鎢極惰性氣體保護(hù)焊熔池失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);閆中廣等[9]采用激光結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)方法,分析了鋁合金焊縫各種缺陷在深度圖像和灰度圖像中的表現(xiàn)結(jié)果,驗(yàn)證了該方法在鋁合金焊縫缺陷檢測(cè)方面中的可行性;李小欣等[10]采用自聚集探頭和常規(guī)探頭進(jìn)行相控陣檢測(cè)方法對(duì)鋁合金焊接接頭焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明就缺陷檢出率和缺陷定量精度而言,探頭的選擇與鋁合金焊接接頭的厚度有密切關(guān)系。上述鋁合金焊接質(zhì)量檢測(cè)方法研究為鋁合金焊接后質(zhì)量檢測(cè)提供了技術(shù)支撐。

相對(duì)于其他的檢測(cè)方法,相控陣超聲檢測(cè)從安全性、準(zhǔn)確性和操作性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)階段,相控陣超聲技術(shù)用于鋁合金薄板的研究相對(duì)較少,相關(guān)工藝參數(shù)尚未明確,在實(shí)際工程應(yīng)用中還存有不足。為此,本文從焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)和焊接質(zhì)量檢測(cè)2個(gè)方面提出了以熱輸入量為指標(biāo)的焊接過(guò)程工藝規(guī)范性監(jiān)測(cè)方法和基于相控陣超聲的焊后質(zhì)量檢測(cè)方法,對(duì)相應(yīng)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證后,基于焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)方法和焊后質(zhì)量檢測(cè)方法給出了鋁合金焊接質(zhì)量綜合管控方法。

1 基于相控陣超聲的鋁合金焊接質(zhì)量管控

1.1 鋁合金薄板焊接質(zhì)量相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是常規(guī)超聲檢測(cè)在計(jì)算機(jī)、孔徑合成和相位延遲技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的超聲檢測(cè)技術(shù),將按一定規(guī)律排列的相控陣探頭中的多個(gè)晶片,按預(yù)先規(guī)定的設(shè)置(延時(shí)、增益、振幅等)激發(fā),被激發(fā)的晶片發(fā)射(或接收)偏轉(zhuǎn)和聚焦的聲束檢測(cè)工件中的缺陷情況,并對(duì)缺陷進(jìn)行成像,具有縱向聲束可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),能克服常規(guī)超聲檢測(cè)單角度掃查、前沿較長(zhǎng)等技術(shù)局限性。相控陣超聲檢測(cè)焊接缺陷的原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 相控陣超聲檢測(cè)聲波激發(fā)原理圖

1.2 焊接工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)

鋁合金焊接過(guò)程中存在諸多因素影響焊接質(zhì)量,如:原材料因素、焊接設(shè)備因素、焊工因素、焊接環(huán)境因素、焊接過(guò)程因素、質(zhì)量檢驗(yàn)因素等。由于焊接過(guò)程熱輸入量的變化對(duì)焊接質(zhì)量具有顯著的影響,通常以焊接過(guò)程中的熱輸入量作為焊接變形的關(guān)鍵參數(shù)依據(jù),這就需要獲取實(shí)際焊接電流、電壓及焊接速度3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。實(shí)際焊接電流和電壓信息的準(zhǔn)確采集和記錄極其困難,目前主要依據(jù)焊機(jī)顯示的電流和電壓參數(shù),由人工事后填寫(xiě)施工記錄表。這種做法存在以下問(wèn)題:

(1)人工記錄的參數(shù)數(shù)據(jù)與實(shí)際焊接電流和電壓之間存在較大的差異,焊接熱輸入量的計(jì)算結(jié)果亦存在較大誤差。

(2)焊接速度通常由施工人員在焊接施工完成后,大致估算一個(gè)速度值或者在工藝給定的速度范圍估計(jì)一個(gè)速度值,并作為后期焊接熱輸入量的計(jì)算參數(shù)輸入,存在較大的人為誤差,因此焊接熱輸入量的計(jì)算結(jié)果存在較大的累積誤差。

(3)焊接過(guò)程中缺乏相應(yīng)的記錄手段,如焊接過(guò)程中出現(xiàn)熱輸入量超限(以實(shí)際焊接電流、電壓和焊接平均速度計(jì)算得出)時(shí)無(wú)法及時(shí)預(yù)警和調(diào)整,只有在焊接完成后,通過(guò)事后檢驗(yàn)手段才能發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程的不足。

(4)整個(gè)焊接過(guò)程無(wú)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄,無(wú)法追溯,無(wú)法為改進(jìn)施工工藝和提高焊工水平提供參考。

為保證鋁合金船體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量,采用相應(yīng)的焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)手段,對(duì)焊接電流、電壓等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集和處理,并根據(jù)焊接時(shí)長(zhǎng)及焊縫長(zhǎng)度計(jì)算每道焊縫的平均速度,進(jìn)而得出該道焊縫的焊接熱輸入量,作為判斷焊接質(zhì)量的輔助依據(jù)。

為了能夠及時(shí)、清晰地采集焊接過(guò)程的焊接參數(shù)(焊接長(zhǎng)度、平均電流、平均電壓、平均焊接速度、實(shí)際熱輸入量)并進(jìn)行分析輸出,使用焊接全過(guò)程質(zhì)量追蹤與分析系統(tǒng)對(duì)采集記錄的焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)提取、計(jì)算,并按固定格式生成與焊縫相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

焊接全過(guò)程質(zhì)量追蹤與分析系統(tǒng)邏輯框圖見(jiàn)圖2。具體流程:首先,實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的質(zhì)量影響參數(shù),實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中不規(guī)范操作及時(shí)報(bào)警和操作記錄;然后,使用相控陣檢測(cè)重點(diǎn)排查焊接工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴(yán)格部位;最后,基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)后續(xù)焊接施工工藝參數(shù)提供優(yōu)化。

為了確保焊接質(zhì)量,焊接熱輸入量必須處于規(guī)定的范圍之內(nèi)。按照工藝規(guī)范中規(guī)定電流(130～145 A)、電壓(19.9～23.0 V)和焊接速度均值(20～30 cm/min)計(jì)算得出的焊接熱輸入量參考標(biāo)準(zhǔn)為5 174～10 005 J/cm。

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證鋁合金薄板焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與相控陣超聲檢測(cè)方法,取9塊試板,各試板檢驗(yàn)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試板基本參數(shù)

2.1 參數(shù)設(shè)置

2.1.1 焊縫檢測(cè)角

為充分檢測(cè)焊接缺陷,采用相控陣超聲檢測(cè)方法對(duì)焊縫檢測(cè)時(shí)還需設(shè)置合適的角度。若選取角度過(guò)小,探頭偏置設(shè)置離焊縫過(guò)于靠近,會(huì)導(dǎo)致小角度的二次波進(jìn)入探頭且顯示,從而混淆余高區(qū)域的缺陷信號(hào),可能造成如焊趾裂紋等缺陷漏檢及結(jié)構(gòu)信號(hào)誤判為缺陷信號(hào)。為避免該情況出現(xiàn),檢測(cè)角度設(shè)置為35°。

2.1.2 步進(jìn)偏移偏差

除了設(shè)置合適的檢測(cè)角度外,采用相控陣超聲檢測(cè)方法對(duì)焊縫檢測(cè)時(shí)還需設(shè)置合適的步進(jìn)偏移偏差。當(dāng)步進(jìn)偏移超過(guò)2 mm時(shí),本應(yīng)顯示在坡口中心的缺陷已經(jīng)顯示到坡口邊上,容易造成缺陷性質(zhì)的錯(cuò)判與缺陷漏檢。為此,對(duì)于薄板檢測(cè),定位精度的誤差造成的圖像質(zhì)量影響會(huì)按比例放大。對(duì)于探頭偏置誤差的要求比常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格,本文步進(jìn)偏移偏差不超過(guò)1 mm。

2.1.3 掃查速度

鋁合金薄板焊縫相控陣超聲檢測(cè)掃查時(shí),掃查速度受脈沖重復(fù)頻率、信號(hào)平均值、掃查角度增益等因素影響。過(guò)大的掃查速度會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)不能還原焊接缺陷的真實(shí)情況,從而導(dǎo)致漏檢和誤檢。結(jié)合初步工藝,開(kāi)展不同速度下的柱孔分辨力測(cè)試,主要考察相鄰缺陷的識(shí)別能力。為確保試驗(yàn)速度的可靠性,用掃查工裝控制掃查速度。將試板放置于平板上,固定掃查裝置,校準(zhǔn)相關(guān)距離參數(shù)后,采用15、20、30 mm/s不同的掃查速度對(duì)9個(gè)試板進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)掃查速度不大于20 mm/s時(shí),能區(qū)分相鄰間距不超過(guò)2 mm的Φ1 mm柱狀通孔?？紤]檢測(cè)效率,本文掃查速度設(shè)定為20 mm/s。

2.2 焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)

鋁合金焊接過(guò)程中焊接熱輸入量統(tǒng)計(jì)曲線見(jiàn)圖3。從圖中可以看出,焊縫蓋面焊接過(guò)程中實(shí)際焊接熱輸入量大部分處于焊接熱輸入量上下限范圍內(nèi),但有2條焊縫的熱輸入量超出范圍,其中最小熱輸入量為2 916 J/cm。由于焊接熱輸入量較小,焊接完成后可能會(huì)出現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷,因此在焊接完成后的質(zhì)量檢測(cè)中需重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 焊接蓋面焊熱輸入量統(tǒng)計(jì)曲線

針對(duì)鋁合金薄板焊縫內(nèi)部質(zhì)量相控陣超聲檢測(cè)的實(shí)際情況,開(kāi)展對(duì)接接頭的相控陣掃查實(shí)際范圍測(cè)試,測(cè)試區(qū)域設(shè)置槽、側(cè)邊橫孔等反射體,人工缺陷設(shè)計(jì)覆蓋焊縫熱影響區(qū)、焊趾、焊縫中心等不同部位的缺陷,缺陷種類(lèi)涵蓋條狀刻槽及側(cè)邊鉆孔,設(shè)計(jì)反射體能體現(xiàn)缺陷的存在部位和反射當(dāng)量。試板焊接缺陷檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試板焊接缺陷檢測(cè)結(jié)果

由結(jié)果可知,在目標(biāo)區(qū)域發(fā)現(xiàn)未熔合的焊接缺陷,而該處的位置與熱輸入量過(guò)低的位置是一致的。本文提出的鋁合金薄板焊接質(zhì)量綜合管控方法可發(fā)現(xiàn)試板內(nèi)部存在的所有自然原始缺陷,檢測(cè)范圍可達(dá)焊縫全部區(qū)域,顯著提高了鋁合金薄板焊接質(zhì)量管控效率。

3 結(jié)論

(1)對(duì)焊接過(guò)程焊接參數(shù)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)進(jìn)行分析,明確了焊接熱輸入量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法,提出以焊接熱輸入量上下限作為焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

(2)針對(duì)鋁合金薄板相控陣超聲檢測(cè)實(shí)際需求,開(kāi)展了相控陣超聲檢測(cè)區(qū)域、過(guò)小角度檢測(cè)、步進(jìn)偏移試驗(yàn)和掃描速度試驗(yàn)驗(yàn)證等工作,解決了優(yōu)化制定鋁合金相控陣超聲檢測(cè)原則工藝的關(guān)鍵問(wèn)題,為船廠提高鋁質(zhì)船體修造質(zhì)量提供了方法手段參考。