基于超聲波相控陣技術(shù)的車橋焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)

張世雄　廖觀萬(wàn)　張杰　任凱利

摘 要：本論文針對(duì)車橋服役過(guò)程中由于焊接質(zhì)量不良引起的交通事故，引入超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)來(lái)完成對(duì)車橋焊縫質(zhì)量的增強(qiáng)，并對(duì)在役和生產(chǎn)過(guò)程中的車橋焊縫進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，達(dá)到安全監(jiān)控和提高品質(zhì)的目的。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，并與金相檢驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，建立一套超聲波相控陣的車橋焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。該方法可以通過(guò)監(jiān)控焊接工藝過(guò)程，對(duì)焊接工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制起到積極作用。此外，對(duì)在役的橋殼進(jìn)行在役檢測(cè)，可對(duì)橋殼的剩余壽命評(píng)價(jià)指導(dǎo)指導(dǎo)意義。相較于金相檢驗(yàn)，該無(wú)損檢測(cè)方法還具有成本優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：車橋 超聲波相控陣 車橋焊縫 汽車安全 無(wú)損檢測(cè)

0 引言

汽車車橋是汽車行駛安全性和可靠性的重要部件，也是用來(lái)支撐車輪和連接后車輪的裝置，是支撐汽車重量的重要構(gòu)件。在生產(chǎn)過(guò)程中橋殼和軸管通過(guò)V型坡口焊接，焊接的質(zhì)量情況起到至關(guān)重要的作用，特別是開(kāi)口不明顯的未熔合。焊接質(zhì)量受焊接設(shè)備、工藝環(huán)境、材料選擇及技術(shù)水平等因素的影響，在熔合區(qū)和焊接區(qū)難免會(huì)出現(xiàn)氣孔、焊偏、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷現(xiàn)象。在車橋服役過(guò)程中，由于焊接質(zhì)量不良，受交變應(yīng)力和沖擊較多，應(yīng)力會(huì)在此集中，進(jìn)而發(fā)展成疲勞裂紋，引發(fā)斷裂，造成嚴(yán)重事故。[1-2]因此，為了保障汽車的行駛安全，通常需要對(duì)汽車車橋的焊接質(zhì)量進(jìn)行可靠性檢測(cè)，檢測(cè)方法包括金相顯微鏡研磨檢測(cè)，X射線檢測(cè)，超聲檢測(cè)等。其中，金相檢測(cè)屬于有損檢測(cè)，需要對(duì)檢測(cè)部位進(jìn)行研磨加工后，再進(jìn)行觀測(cè)。而X射線和超聲檢測(cè)屬于無(wú)損檢測(cè)，在不需要破壞結(jié)構(gòu)件形態(tài)的情況下，可以對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行定量分析。但是，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件而言，X射線會(huì)由于透射方向上存在結(jié)構(gòu)遮擋等問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)焊縫進(jìn)行有效檢測(cè)，并且X射線無(wú)法檢測(cè)焊縫熔深。綜合而言，超聲檢測(cè)是車橋焊縫的最佳無(wú)損檢測(cè)手段。[3]

在眾多的行業(yè)領(lǐng)域，針對(duì)焊縫的超聲波檢測(cè)技術(shù)已報(bào)道了一些研究成果。例如，在對(duì)接鋼板焊縫檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，孫長(zhǎng)河等人采用陣列式壓電微型超聲換能器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)25mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接鋼板試塊內(nèi)部進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，分辨率優(yōu)于1mm。[4]在油氣領(lǐng)域，羅更生等人提出采用相控陣超聲導(dǎo)波法對(duì)大曲率油氣對(duì)焊彎管的缺陷進(jìn)行成像檢測(cè)，可有效識(shí)別和定位彎頭和直管上的缺陷[5]。在艦船制造領(lǐng)域，曹艷等人搭建完整的系統(tǒng)架構(gòu)，采用超聲波無(wú)損檢測(cè)方法可以在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)地檢測(cè)出船體結(jié)構(gòu)的焊縫大小、形狀和所在位置。[6]

針對(duì)焊縫檢測(cè)，在與車橋廠的合作研究中，本論文引入了高精度超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，及與金相檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)，學(xué)習(xí)建立了一套超聲波相控陣檢測(cè)評(píng)價(jià)方法，對(duì)在役的橋殼進(jìn)行在役檢測(cè)，對(duì)橋殼的剩余壽命評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)意義。

1 車橋焊縫超聲波相控陣技術(shù)檢測(cè)原理

1.1 原理闡述

相控陣成像是通過(guò)控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來(lái)自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成成像掃描線的技術(shù)，可給出A型、B型、C型、P型及3D掃描成像。

相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)，超聲相控陣具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用電子掃描方式對(duì)工件進(jìn)行掃查，大大提高了檢測(cè)效率；

（2）利用可控的合成波陣面可適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀工件的檢測(cè)；

（3）通過(guò)控制合成聲束在空間中的焦點(diǎn)位置，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)分辨力。

1.2 檢測(cè)方案

在檢測(cè)焊縫質(zhì)量期間需高度關(guān)注未熔合方面的危害，采取全面質(zhì)量管理體系落實(shí)質(zhì)量監(jiān)管與控制措施。為及時(shí)、高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)出未熔合方面的缺陷，可采用超聲波相控陣扇形掃描技術(shù)，該技術(shù)對(duì)未熔合缺陷極為敏感。實(shí)施檢測(cè)前，必須做好充分的準(zhǔn)備工作，保證超聲相控陣儀器、相控陣探頭和楔塊等設(shè)備完好無(wú)損且性能穩(wěn)定。根據(jù)焊縫的材質(zhì)和厚度等特性，在儀器中預(yù)先設(shè)置頻率、波幅和掃描角度等合適的檢測(cè)參數(shù)，經(jīng)過(guò)模擬測(cè)試確定最佳的探頭測(cè)量位置和角度。

檢測(cè)步驟至關(guān)重要，必須嚴(yán)格按照流程操作。緊密貼合相控陣探頭與楔塊，并將其放置在焊縫表面預(yù)定位置。涂抹適量的耦合劑，保證順利傳入超聲波。啟動(dòng)儀器開(kāi)展扇形掃描，密切觀察顯示屏上的波形變化，捕捉任何異?；夭?。在掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)分析獲取的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比一次波和二次波的波形特征判斷是否存在未熔合缺陷。一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，利用技術(shù)定位功能準(zhǔn)確確定其位置、大小和深度，并評(píng)估其嚴(yán)重程度。

在檢測(cè)過(guò)程中，有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)需牢記。一是始終保持探頭與焊縫表面緊密貼合，避免接觸不良導(dǎo)致的誤判；二是針對(duì)不同位置和角度的焊縫，要及時(shí)調(diào)整探頭的位置和角度以獲得最佳檢測(cè)效果；三是在數(shù)據(jù)分析時(shí)，要結(jié)合焊縫的實(shí)際情況和波形特征作出綜合判斷，控制分析結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤；四是對(duì)于發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷，要及時(shí)記錄并報(bào)告相關(guān)部門以便及時(shí)處理。

檢測(cè)工作完成后，還有一系列后續(xù)工作需要跟進(jìn)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果修復(fù)或處理發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷，采取切割、重焊等措施解決嚴(yán)重缺陷，輕微缺陷則可考慮局部修補(bǔ)。整理檢測(cè)數(shù)據(jù)并編寫詳細(xì)的檢測(cè)報(bào)告，報(bào)告中包含檢測(cè)時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備信息、檢測(cè)步驟以及發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和處理建議等內(nèi)容。對(duì)本次檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)并提煉經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，針對(duì)遇到的問(wèn)題和困難提出改進(jìn)措施和建議為后續(xù)工作提供參考。對(duì)使用過(guò)的設(shè)備進(jìn)行清潔和保養(yǎng)以保證其處于良好狀態(tài)為下次檢測(cè)做好準(zhǔn)備。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 檢測(cè)內(nèi)容及現(xiàn)有檢測(cè)方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲波相控陣的焊縫檢測(cè)性能，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終選擇陣元數(shù)為32陣元，探頭頻率選擇10MHz，楔塊45度，設(shè)備選擇英國(guó)聲納超聲波檢測(cè)儀VEO+。檢測(cè)對(duì)象為車橋V型環(huán)焊縫，檢測(cè)的缺陷類型包括氣孔、夾雜、裂紋、未熔合等，其中主要以檢測(cè)未熔合為主。并與傳統(tǒng)的X射線和有損式金相檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，要求超聲波檢測(cè)效果與金相對(duì)比相吻合，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)未熔合焊縫。

如圖1所示，車橋V型環(huán)焊縫1號(hào)樣件 的金相圖像如（a）所示，顯示實(shí)測(cè)未熔合深度4.55mm。圖（b）為超聲波相控陣檢測(cè)結(jié)果，顯示在4.7mm處存在點(diǎn)狀未熔合。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知，超聲波檢測(cè)準(zhǔn)確捕捉到了未熔合區(qū)域，并且結(jié)果與金相圖像較為接近。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

如表1和圖2所示，共進(jìn)行了37組樣件的檢測(cè)，金相與超聲波檢測(cè)的總體平均契合度達(dá)95.46%。其中，16組數(shù)據(jù)來(lái)自于汽車新橋樣件，金相與超聲波檢測(cè)的平均契合度達(dá)99.53%。其中，21組數(shù)據(jù)來(lái)自于汽車舊橋樣件，金相與超聲波檢測(cè)的平均契合度達(dá)92.36%。圖2（a）和（b）展示了具體每個(gè)樣件的金相與超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)契合度情況。

通過(guò)超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)車橋焊縫未熔合，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，分析誤差原因，契合度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：總體大于90%；能檢測(cè)到最小裂紋寬度，未熔合寬度為3μm，其中最小寬度的裂紋長(zhǎng)度必須是連續(xù)的或密集的點(diǎn)狀未熔合；能檢測(cè)到最小寬度下的裂紋長(zhǎng)度≥2mm。高精度超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車橋焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“可視化”診斷，實(shí)現(xiàn)了車橋焊縫內(nèi)部質(zhì)量精準(zhǔn)無(wú)損檢測(cè)，有效解決了車橋焊縫“防患于未然”。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)可以監(jiān)控焊接工藝過(guò)程，對(duì)改進(jìn)焊接工藝，生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制起到促進(jìn)作用。降低了切檢金相的成本。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，及與金相進(jìn)行比對(duì)、學(xué)習(xí)建立了一套評(píng)價(jià)方法，對(duì)在役的橋殼進(jìn)行在役檢測(cè)，對(duì)橋殼的剩余壽命評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

本論文針對(duì)車橋服役過(guò)程中由于焊接質(zhì)量不良引起的交通事故，引入超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)來(lái)完成對(duì)車橋焊縫質(zhì)量的增強(qiáng)，通過(guò)大量的與金相檢驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，驗(yàn)證了超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并建立一套超聲波相控陣的車橋焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。相較于傳統(tǒng)金相檢測(cè)，該方法具有無(wú)損樣件的優(yōu)勢(shì)。相較于X射線檢測(cè)方法，超聲波檢測(cè)具有精度上的優(yōu)勢(shì)。該超聲波檢測(cè)方法可以通過(guò)監(jiān)控焊接工藝過(guò)程，對(duì)焊接工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制起到積極作用。此外，對(duì)在役的橋殼進(jìn)行在役檢測(cè)，可對(duì)橋殼的剩余壽命評(píng)價(jià)指導(dǎo)意義。相較于金相檢驗(yàn)，該無(wú)損檢測(cè)方法還具有成本優(yōu)勢(shì)。

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