基于超聲波無損檢測的電阻點焊質量及性能評估可視化技術研究

王洪瀟， 王春生， 邸建財， 閆占奇， 劉立國

中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062

0 引言

電阻點焊接頭的焊后檢驗作為保證焊接質量的一個重要環(huán)節(jié)，在不銹鋼地鐵車輛車體的焊裝生產中一直備受重視。目前，工業(yè)生產中主要采用焊后破壞性檢測方法進行電阻點焊質量評價，該方法成本高、檢測效率低，只能用于抽檢且反饋較慢，不能實時監(jiān)控產品的點焊質量和調整焊接參數。除破壞性檢驗以外，工業(yè)領域還常采用鑿檢作為點焊接頭的無損檢驗手段，即使用專用工具（楔形鑿）插入接頭的兩層鋼板之間，到達一定深度后目視檢查焊點的連接是否異常。該方法僅能提供一定程度的質量信息且可達性差，無法檢測所有的焊點。隨著各行業(yè)對產品焊接質量要求的提高，準確、快速、直觀的點焊接頭超聲波檢測技術已成為該領域研究的熱點和前沿。

超聲波無損檢測具有靈敏度高、檢測范圍寬、檢測效率高及無污染等優(yōu)點，已經開始應用于汽車、軌道客車車身等生產領域［1-2］。王春生等［3］通過建立雙脈沖電阻點焊過程超聲監(jiān)測數值模型，研究點焊過程工件內部超聲場瞬態(tài)分布情況，提出基于M型回波圖特征的虛焊焊點鑒別方法。朱晨寧［4］利用超聲波C 掃描檢測技術檢測點焊熔核直徑，通過激光位移傳感技術檢測壓痕深度，以此對基于動態(tài)電阻曲線群建立的點焊質量在線評估模型的準確性和合理性進行試驗驗證。

但是，目前點焊接頭質量的超聲波檢測技術大多為定性檢測，無法確定熔核的幾何狀態(tài)、內部缺陷尺寸等質量信息。因此，本文針對點焊過程不可視，基于點焊過程實時超聲波信號特征建立的其與熔核生長過程的聯系，生成點焊接頭內部連接狀態(tài)的直觀圖像，成為實現點焊接頭定量化無損檢測與質量評估的關鍵，具有重要的理論意義和實用價值，在汽車［5-6］、軌道客車［7-8］、航空航天、機械［9］等領域更具有廣闊的應用前景。

1 檢測原理

電阻點焊接頭超聲波無損檢測示意如圖1所示。在檢測過程中每個陣元依次發(fā)射和接收超聲波信號。為避免相鄰陣元的影響，在某個時刻只有一個陣元處于激活狀態(tài)。該陣元完成超聲波的發(fā)射和接收后，下一個陣元被控制器激活進行同樣的操作。當所有陣元完成收發(fā)操作后，共計獲得120個A回波信號的集合，其中每個A回波信號都包含有接頭內部的特征信息。通過對該組信號進行處理，即可構建出一幅表征接頭內部特定深度結構特征的圖像。由于該方法采用的是電子掃查方式，即陣元之間的切換僅僅是電子控制，不存在機械運動元件，因此所需要的檢測時間非常短（完成120個陣元檢測所需時間不超過1 s）。

圖1 點焊接頭超聲波無損檢測Fig.1 Ultrasonic non-destructive testing for spot welding joints

2 檢測裝置研發(fā)

電阻點焊接頭內部的連接形式主要為熔化連接與塑性連接。熔化連接是指熔核，塑性連接是指熔核周圍的非熔化區(qū)域，在點焊接頭結構中一般稱為塑性環(huán)［10］。對于點焊接頭質量，雖然塑性環(huán)有助于點焊接頭的承載，但拉剪強度的承載主要依靠熔核的連接。在點焊接頭超聲檢測中區(qū)分熔核與塑性環(huán)，獲得準確的熔核直徑尺寸，對不銹鋼車體點焊質量的定量評估至關重要。

針對不銹鋼地鐵車輛電阻點焊接頭內部輪廓不可見的尺寸特點，本文研發(fā)了一種基于大直徑、密集陣元探頭的點焊接頭內部連接狀態(tài)快速超聲成像及評估檢測平臺，如圖2 所示。檢測平臺由便捷式主機和面陣探頭構成，采用檢測范圍為15 mm×15 mm的二維陣列探頭，面陣探頭為12×12陣元（共計120），陣元間距1.25 mm，探頭檢測范圍15 mm×15 mm，中心頻率15 MHz；專用的點焊接頭超聲波成像與分析便捷式主機由工業(yè)主板、顯示屏、超聲控制模塊、電源管理模塊等部分構成。通過超聲圖像智能處理與識別模型，實現了不銹鋼點焊接頭內部狀態(tài)的直觀成像以及熔核尺寸的自動識別及其計算。

圖2 點焊接頭質量超聲波成像及智能評估技術方案Fig.2 Technical scheme for ultrasonic imaging and intelligent evaluation of spot welding joint quality

檢測時，操作者手持探頭，涂抹耦合劑后將探頭覆蓋在點焊接頭表面的被測位置（焊點凹坑上），主機控制探頭的所有陣元依次向接頭內部發(fā)射脈沖超聲波，并獲取超聲波反射回波信號，點焊接頭超聲波檢測成像示意如圖3所示。成像子程序對所有回波信號的特征值進行提取，生成能夠表現熔核狀態(tài)的超聲波圖像，并對熔核幾何狀態(tài)進行識別，計算熔核直徑，實現接頭質量的無損檢測與定量評估。

圖3 點焊接頭超聲波檢測成像示意Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic testing imaging for spot welded joints

3 超聲信號處理

超聲圖像智能處理與識別模型的核心是通過應用小波分解技術對點焊接頭不同位置的超聲波反射信號進行聯合時頻處理，分析反射信號的細節(jié)特征，提取能夠反映接頭內部不同連接狀態(tài)的細節(jié)信號特征，并以此對檢測區(qū)域進行圖像重建，最終建立能夠直觀表征點焊接頭內部連接狀態(tài)的C掃描圖像，并實現熔核尺寸的精確計算。

當超聲陣元位于點焊接頭母材區(qū)域時，由于鋼板的阻抗遠遠大于空氣的阻抗，其發(fā)射的超聲波在上層鋼板的底面發(fā)生反射，此時獲得的超聲信號中代表上層鋼板厚度的聲程位置為高回波幅值；當超聲陣元位于點焊接頭的熔核區(qū)域時，由于熔核的存在致使上下鋼板接觸面位置已不存在界面，超聲波幾乎完全進入下層鋼板，到達下層鋼板的底面時才發(fā)生反射，因此獲得的超聲信號中代表上層鋼板厚度的聲程位置為低回波幅值；當超聲陣元位于點焊接頭的過渡區(qū)域時，其發(fā)射的超聲波一部分在上層鋼板的底面發(fā)生反射，另一部分進入下層鋼板，到達下層鋼板的底面時才發(fā)生反射，此時所獲得的超聲信號兼具母材和熔核區(qū)域兩類信號特征，但是反射回波幅值相對較低。

由此可見，上層鋼板底面的反射回波幅值與接頭內部的連接狀態(tài)密切相關。當二維陣列超聲探頭覆蓋在點焊接頭上進行掃描檢測時，對應熔核區(qū)域的超聲陣元將獲得低幅值檢測信號，而對應母材區(qū)域的超聲陣元將獲得高幅值檢測信號。當焊核區(qū)域有氣孔、虛焊、塑性連接等缺陷時，超聲信號會在缺陷邊緣返回，超聲陣元將獲得高幅值檢測信號，可以發(fā)現缺陷。以每個超聲陣元所獲得的反射回波幅值作為特征值，生成特征矩陣并賦予顏色，即可構建能夠表征電阻點焊接頭內部連接狀態(tài)的超聲檢測圖像，如圖4所示。

圖4 信號特征值規(guī)律Fig.4 Rhythmical of Signal Eigenvalues

針對電阻點焊接頭超聲波無損檢測直觀成像與定量評估技術的各項需求，開發(fā)了基于Windows系統的專用檢測軟件，主要包括超聲參數調節(jié)控制模塊、超聲信號處理模塊、成像模塊、點焊熔核幾何尺寸定量計算模塊、檢測信息數據庫存儲與管理等子模塊。系統采用全中文人機交互界面，使用功能顯示窗，進行菜單式操作。檢測系統所有操作可選擇通過主機觸摸屏的虛擬按鈕、輸入框及滑動條或鼠標進行。超聲波檢測過程中實時顯示超聲A 掃描波形，并可通過軟件設置A波為檢波或射頻信號形式；超聲激勵脈沖電壓值、脈寬、檢測信號增益可通過軟件調節(jié)。軟件界面如圖5、圖6所示。

圖5 超聲波無損檢測軟件主界面Fig.5 Main interface of ultrasonic non-destructive testing software

圖6 A掃描波形及超聲參數設置Fig.6 Interface of A-scan waveform and ultrasound parameter settings

系統對檢測數據進行實時自動分析處理，自動計算最大、最小焊縫熔寬，數值顯示小數點后兩位（單位：mm）；并以C掃描圖像形式顯示電阻點焊接頭內部的連接狀態(tài)，C圖像像素分辨率≤0.05 mm；C掃描圖像顯示區(qū)域設置標線，可以通過屏幕操作改變標線位置，以查看焊縫各橫截面的熔寬檢測值。

超聲檢測結果（圖像及計算值）自動存儲于內置數據庫（見圖7），方便焊接產品的質量管理。系統具備通過自定義查詢條件進行歷史記錄的檢索功能，查詢條件包括檢測日期、部件鋼號、項目名稱、操作人員等；系統具備檢測報告自動生成功能，針對指定的檢測記錄條目，可快速生成相應的檢測報告；系統內置生產輔助信息數據庫，可預設生產管理信息（焊接材料、設備屬性、人員信息等）并與檢測結果進行關聯存儲。

圖7 數據庫存儲及檢索Fig.7 Database storage and retrieval

4 點焊接頭超聲波檢測試驗

為驗證系統檢測效果，通過對一定數量的點焊接頭樣本進行超聲波檢測試驗，分析系統對點焊接頭熔核直徑尺寸評估的準確性及穩(wěn)定性。試驗材料為SUS301L不銹鋼板，試樣尺寸如圖8所示。

圖8 點焊接頭試樣尺寸Fig.8 Sample size of spot welded joints

表1 中的每個板厚組合進行4 組參數試驗，試驗參數如表2所示，每組參數焊接2個試樣，共焊接56 個試樣。每組參數的試樣都進行超聲焊核直徑（De）測量，然后一個用來進行拉剪強度測試，一個用來進行熔核尺寸金相檢測。為了評估超聲波檢測結果的精度，對點焊接頭試樣進行破壞性檢驗。熔核橫截面金相照片如圖9 所示，通過金相圖中的標尺，即可得到試件熔核尺寸的實測值Dm。

表1 點焊接頭板厚組合Table 1 Plate thickness combination of spot welding joint

表2 點焊焊接規(guī)范Table 2 Welding parameters of resistance spot welding

圖9 熔核橫截面金相照片Fig.9 Metallographic photos of the cross-section of the molten core

對比超聲波檢測值De與金相實測值Dm，如圖10a 所示，可以看出超聲波測量值和實測值吻合良好。圖10b為不銹鋼點焊試件測量值與實測值的差值統計圖，正態(tài)分布曲線的均值為-0.001 87，標準差為0.139 2，相對誤差均值和方差都很小，說明在本試驗條件下基于小波信號分析的超聲波掃描檢測具有非常高的精度和穩(wěn)定性。

圖10 點焊接頭定量檢測對比分析Fig.12 Comparative analysis on quantitative detection of spot welded joint

本文進一步對熔核直徑與點焊質量的對應關系進行了研究。圖11為16個拉伸試件拉伸測量值直方圖。根據相關行業(yè)標準規(guī)定，對于板厚的不銹鋼板電阻點焊，以最小拉伸載荷為作為評價點焊質量的標準，如圖中的藍色虛線位置對應的強度。從圖中可以看出隨著點焊熔核直徑的增大拉伸強度也增大，當熔核直徑大于3.8 mm時就可以滿足拉伸強度要求，這也說明采用超聲波無損檢測獲得熔核直徑可以作為評價電阻點焊質量的可靠手段。

圖11 點焊熔核直徑與拉剪力關系曲線Fig.11 Relationship between the diameter of spot welding nuggets and tensile shear force

4 結論

（1）研發(fā)了一種基于大直徑、密集陣元探頭的點焊接頭內部連接狀態(tài)快速超聲成像及評估檢測系統，通過對超聲信號的深度處理技術研究，提取能夠表現接頭內部不同連接形態(tài)及缺陷的幾何信息，建立定量化的檢測模型，實現了不銹鋼點焊接頭內部狀態(tài)的直觀成像以及熔核尺寸的自動識別與計算。

（2）系統達到的技術指標：超聲波C掃描成像范圍≥14 mm，單個焊點的成像檢測時間≤500 ms，熔核直徑檢測精度≤±0.5 mm。