湯傳業(yè)

（1.東南大學(xué) 儀 器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南 京 210096；2.安徽新華學(xué)院 電 子通信工程學(xué)院，安徽 合 肥 230088）

0 引 言

在焊接過程中，點(diǎn)焊參數(shù)波動將導(dǎo)致焊核直徑不足、虛焊，焊核中存在飛濺、氣孔、縮松、裂紋等問題［1］，因此對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行焊后檢測是非常必要的。超聲波檢測作為一種典型的無損檢測方法，以其便捷、有效、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注［2］。目前點(diǎn)焊接頭缺陷超聲檢測方法一般有3種，即反射法、透射法和諧振法，從信號處理的角度講，可分為時(shí)域分析法和頻域分析法，從探頭入射角度講，又存在直入射和斜入射之分。傳統(tǒng)的脈沖反射回波法一般采用直探頭，常用帶有水膜延遲的高頻接觸式點(diǎn)焊專用探頭（頻率約為15～20MHz）［3］。文獻(xiàn)［4］采用高頻聚焦探頭水浸直入射法重點(diǎn)研究了利用超聲B掃描檢測評價(jià)焊點(diǎn)質(zhì)量方法的可行性，文獻(xiàn)［5］深入研究了利用超聲A掃描和.B掃描檢測評價(jià)焊核直徑的方法，文獻(xiàn)［6］采用高頻聚焦探頭水浸直入射法，并結(jié)合A掃描和超聲C掃描，對焊核直徑和焊點(diǎn)缺陷進(jìn)行檢測評價(jià)，但高頻超聲成像法速度慢、成本高，為此文獻(xiàn)［3］利用低頻探頭的奇數(shù)高頻諧振特性研究了點(diǎn)焊接頭的低頻諧振檢測的可行性。無論是采用高頻探頭的反射法［2，4－6］，還是采用低頻探頭的諧振法［3］，都是利用探頭主軸聲束直入射法對點(diǎn)焊接頭質(zhì)量進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)［7］采用高頻聚焦探頭水浸斜入射法對一種特殊結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行了缺陷檢測研究，另外，目前超聲衍射時(shí)間差法（TOFD）已是應(yīng)用很廣泛的一種斜入射法，適合于大型直、環(huán)焊縫的無損檢測，尤其適合危險(xiǎn)性大的裂紋及未熔合等面狀缺陷的定量化測量［8］，但目前有關(guān)采用斜入射法對點(diǎn)焊接頭質(zhì)量進(jìn)行檢測研究的文獻(xiàn)很少。

本文提出了一種基于斜入射模式對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行超聲檢測的方法，重點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，并利用該方法對鍍鋅鋼板點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)。

1 斜入射模式原理

1.1 斜入射模式的設(shè)定

點(diǎn)焊接頭的主要質(zhì)量問題是虛焊，在點(diǎn)焊連接區(qū)域，上、下板主要表現(xiàn)為3種結(jié)合狀態(tài)：冶金結(jié)合區(qū)域；在某些區(qū)域出現(xiàn)微小氣隙薄層；焊核某些區(qū)域?yàn)槿踅Y(jié)合狀態(tài)，兩板緊密接觸無氣隙，但并非冶金結(jié)合［5］。下面介紹采用斜探頭對點(diǎn)焊焊縫進(jìn)行檢測的工作原理，主要討論與探頭K值、探頭晶振面積、點(diǎn)焊焊縫焊核直徑、點(diǎn)焊焊縫氣隙薄層和點(diǎn)焊壓痕深度等有關(guān)的問題。

首先給出以下假設(shè)：

（1）超聲斜探頭工作在近聲場，發(fā)射探頭與接收探頭之間無聲束散射。

（2）異質(zhì)界面邊緣處無聲波衍射。

（3）板材表面為平面，無彎曲，焊核處無壓痕。

（4）焊核上與薄板表面平行的斷面（稱為橫向斷面，焊核上與此斷面垂直的斷面稱為縱向斷面）為圓形或近似圓形面。

（5）焊核材料組織均勻，焊核中的聲路為直線。

基于上述假設(shè)，定義點(diǎn)焊接頭在xyz直角坐標(biāo)體內(nèi)，點(diǎn)焊連接處的橫向斷面在xoz直角坐標(biāo)平面內(nèi)，焊核最大縱向斷面和探頭主軸在xoy直角坐標(biāo)平面內(nèi)，y軸通過焊核中心，發(fā)射探頭與接收探頭關(guān)于y軸對稱放置，如圖1所示。

令探頭折射角為θi（探頭K值為tanθi），探頭晶振面直徑為d，焊核直徑標(biāo)準(zhǔn)值為D，兩板材厚度之和為H，上側(cè)板材厚度為H1，收、發(fā)探頭端面處的主軸間距為L，且設(shè)定

特別地，在圖1中取n＝1，m＝2。在進(jìn)行點(diǎn)焊焊縫檢測前，應(yīng)先確定D、H和H1，并由（1）式計(jì)算并確定探頭K值，再由（2）式計(jì)算確定L值，這里選取d＝0.25Dcosθi。

圖1 超聲斜入射原理

根據(jù)幾何聲學(xué)原理，在xoy面內(nèi)，發(fā)射探頭產(chǎn)生的主軸聲線在點(diǎn)焊接頭或板材內(nèi)部經(jīng)過多次反射后恰好被或不被接收探頭接收，最接近主軸的左右兩側(cè)聲線能夠順利地被接收探頭接收（見圖1，虛線表示主軸左側(cè)聲線，實(shí)線表示主軸右側(cè)聲線），同樣其他非主軸聲線能夠順利被接收探頭接收；但是，在非xoy面內(nèi)，聲線傳播情況與xoy面內(nèi)有些不同，因?yàn)樵谄渌叫杏趚oy面的縱向斷面內(nèi)的焊核寬度小于焊核直徑標(biāo)準(zhǔn)值D，分析知主軸附近的部分聲線不能被接收探頭接收，圖1中橢圓面為發(fā)射探頭聲束在xoz面上的斷面，橢圓面的短軸和長軸分別為d和d／cosθi，通過橢圓面內(nèi)陰影區(qū)的聲束不能被接收探頭接收，陰影區(qū)的面積很小，其值為S1，即

其中，S2（）的含義見（6）式所示。

1.2 斜入射模式的測量原理

1.2.1 焊核直徑的測量

焊核直徑斜入射測量原理，如圖2所示。

保持圖1中的條件（θi、d、H、H1和L）不變，焊核直徑的實(shí)際值Dx與標(biāo)準(zhǔn)值D不同（比標(biāo)準(zhǔn)值偏大或偏小），根據(jù)以上討論，橢圓面內(nèi)陰影區(qū)的面積將增加，即不能被接收探頭接收的聲束增加，實(shí)際到達(dá)接收探頭的聲束減少。

圖2 焊核直徑斜入射測量原理

假設(shè)聲束內(nèi)聲能密度均勻，忽略材料內(nèi)部和探頭與板材接觸處的聲壓衰減的影響，則接收探頭晶振面上的平均聲壓與橢圓內(nèi)陰影區(qū)的面積S2之間存在線性關(guān)系，即

其中，S0為橢圓面積，其值由（5）式確定；p0為橢圓面內(nèi)陰影區(qū)面積為零或近似為零時(shí)的接收探頭晶振面上的聲壓，稱為基準(zhǔn)聲壓。

橢圓內(nèi)陰影區(qū)可由橢圓1、圓2和圓3共同圍成，如圖3所示，設(shè)其坐標(biāo)方程分別為：

則在a、r和θi不變的情況下，陰影區(qū)的面積S2將隨rx的變化而變化，由幾何知識知，S2與rx之間的關(guān)系應(yīng)由（6）式確定。

對（6）式積分處理后得（7）式。

圖3 橢圓內(nèi)陰影區(qū)形成示意圖

一般僅采用一次平均聲壓的測量值無法通過（4）式、（5）式和（7）式計(jì)算出焊核直徑Dx，必須先在D掃描方向（見圖2）上的不同位置做多次（2次以上）測量，判斷出Dx與D的大小關(guān)系，然后再計(jì)算Dx。當(dāng)然，在一定條件下，也可以通過設(shè)置較大的D，保證待檢測的Dx均小于D，這樣就無需進(jìn)行D掃描了，簡化了測量流程，但系統(tǒng)測量范圍減小1／2。

p0的測量可以采用圖4所示方法進(jìn)行。假設(shè)上下板材厚度相等（H＝2H1），保持圖1中條件（θi、d、H、H1和L）不變，將探頭布置在板材上沒有焊點(diǎn)的區(qū)域（焊核直徑實(shí)際值Dx＝0），即可獲得p0；若H≠2H1，則圖3中的L需作調(diào)整，調(diào)整原則如下：① 發(fā)射探頭產(chǎn)生的聲束被接收探頭全部接收（不考慮聲束散射）；② 發(fā)射探頭與接收探頭之間的聲程與圖1中的相等或近似相等。

圖4 基準(zhǔn)聲壓p0的測量原理

1.2.2 氣隙薄層的測量

氣隙薄層的測量原理如圖5所示。

保持圖1中的條件（θi、d、D、H、H1和L）不變，焊核直徑Dx＝D，與圖1中不同的是焊核中有氣隙薄層，如圖5b和圖5c所示。

圖5 氣隙薄層的測量原理

由于選取的探頭晶振面較小，斷面較小的聲束不能完全遍歷焊核的橫向斷面，即有部分區(qū)域中無聲束通過，如圖5a所示。在xoz面內(nèi)（見圖5c）表現(xiàn)為，圓面與橢圓面重疊的區(qū)域?yàn)槁暿闅v區(qū)域，圓面內(nèi)的其他區(qū)域無聲束通過；在xoy面內(nèi)表現(xiàn)為，xoz面內(nèi)的橫向斷面沿x軸方向存在2種類型的區(qū)間A和B，A區(qū)間為聲線遍歷區(qū)間，B區(qū)間內(nèi)無聲線通過。焊核中部分或全部處在A區(qū)間內(nèi)的氣隙薄層，將改變部分聲束的聲路，如圖5b所示，該部分聲束不能被接收探頭接收，接收探頭晶振面上的平均聲壓將反映落入橢圓內(nèi)的各氣隙薄層的面積之和S3與S3的關(guān)系為：

但是處在B區(qū)間內(nèi)的氣隙薄層不影響聲束的傳播。因此，只是根據(jù)目前的設(shè)定情況，不能測量焊核中的全部氣隙薄層的面積。為了能夠測量到橢圓區(qū)域之外的氣隙薄層的面積，可以采取2種可選方案：

方案1，增大探頭晶振面尺寸（其他條件不變），如圖5e所示。

方案2，改變收、發(fā)探頭關(guān)于y軸對稱的布置（其他條件不變），使探頭自對稱位置沿x軸移動一段距離，如圖5d所示，該方式可以稱為B掃描方式。

方案1適用于快速檢測氣隙薄層的存在與否，但無法測定氣隙薄層的徑向位置，至多通過采用C掃描粗略測定氣隙薄層的周向位置，如圖5e所示。另外，探頭晶振面尺寸增加到多大為最佳，本文對該問題不做探討，實(shí)際d可以在較大范圍內(nèi)取值，作為一種選擇，可取

而方案2通過采用B掃描可測定氣隙薄層的徑向位置，再結(jié)合C掃描，可測定氣隙薄層的徑向和周向位置，探頭晶振面尺寸越小，越便于氣隙薄層位置測量，位置分辨率越高。但焊核直徑的測量范圍隨探頭晶振面尺寸減小而減小，另外，受很多因素限制，實(shí)際的斜探頭晶振面尺寸一般小到幾毫米，導(dǎo)致位置分辨率不高。

與焊核直徑Dx＝D的情況不同，當(dāng)焊核直徑Dx≠D時(shí)，問題將變得復(fù)雜起來。

2 檢測中的實(shí)際問題

由于實(shí)際條件可能不滿足文中給出的假設(shè)條件，將本文中提出的檢測原理直接用于實(shí)際點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量檢測會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確甚至是無法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際中還需考慮以下因素。

（1）壓痕深度的影響。實(shí)際點(diǎn)焊板材表面并非為平面，由焊接壓力導(dǎo)致的一定深度的壓痕給超聲檢測帶來不便，采用斜入射模式進(jìn)行檢測時(shí)，必須考慮這一問題。焊點(diǎn)壓痕對實(shí)際檢測的影響如圖6所示。因?yàn)閴汉凵疃戎苯佑绊懓l(fā)射探頭與接收探頭之間的聲程，所以處理的方法是對（1）式進(jìn)行修正。

圖6 焊點(diǎn)壓痕影響

認(rèn)為焊點(diǎn)上下表面壓痕深度相等，壓痕面（除去邊緣處）近似為平面，壓痕的實(shí)際深度用當(dāng)量壓痕深度h表示，對（1）式進(jìn)行修正后的關(guān)系式為：

（2）聲束的散射與衍射。在超聲波聲場中，近場長度可用（11）式近似求得，即

其中，l為近場長度；d為探頭晶振面直徑；f為超聲波頻率；v為超聲波速。據(jù)此，可以通過增加d和f來增大l，以使發(fā)射探頭和接收探頭之間的實(shí)際聲程小于近場長度，保證近聲場測量。由（1）式、（9）式和（11）式得：

由（12）式得知近場長度與板材厚度的平方成線性關(guān)系，又因發(fā)射探頭和接收探頭之間的實(shí)際聲程與板材厚度成線性關(guān)系，因此，當(dāng)板材較厚時(shí)，可以選用尺寸較大的低頻探頭，當(dāng)板材較薄時(shí)，則要選用尺寸較小的高頻探頭。

進(jìn)行超聲探測時(shí)，聲波衍射現(xiàn)象比較弱，對測量的影響很小，可以忽略。

（3）焊核形狀不規(guī)則。當(dāng)實(shí)際焊核橫向斷面為非圓形面時(shí)，作為一種可選處理方法，可采用插值法、最小二乘法等數(shù)據(jù)擬合方法將非圓形斷面擬合成圓形斷面，如圖7所示。

圖7 不規(guī)則焊核形狀處理方式

（4）焊核組織不均勻。進(jìn)行超聲探測時(shí)，實(shí)際焊縫材料內(nèi)部組織的非均勻性將導(dǎo)致聲波的吸收衰減和散射衰減，對接收探頭接收到的聲壓產(chǎn)生影響，聲壓衰減程度與焊縫內(nèi)部晶粒組織有關(guān)，可以通過建立衰減模型對（4）式和（8）式進(jìn)行修正，本文對此問題不做深入討論。

3 焊點(diǎn)檢測實(shí)驗(yàn)

采用型號為YF0201－Z2的固定式點(diǎn)凸焊機(jī)，電極頭直徑為4.5mm；鍍鋅鋼板厚度為1.0mm［9］。采用10組不同的焊接工藝參數(shù)：電極壓力p＝1.9～1.45kN（隨焊接次數(shù)增加，每次遞減0.05kN），焊接電流I＝7 500～6 600A（隨焊接次數(shù)增加，每次遞減100A），焊接時(shí)間T為8周波，制作10個焊點(diǎn)。

取熔核直徑標(biāo)準(zhǔn)值D為6.0mm，根據(jù)（1）式和（2）式選用一對寬帶窄脈沖斜探頭（晶片直徑d為3.0mm，中心頻率10MHz，K＝1.5），設(shè)定2探頭端面處的主軸間距L＝15.0mm，以水作為耦合劑。先對厚度為1.0mm的無焊點(diǎn)鍍鋅鋼板進(jìn)行多次測量并求平均值得到基準(zhǔn)聲壓p0；然后分別對每個焊點(diǎn)進(jìn)行1次斜入射模式的C掃描檢測，1次C掃描包括4次A掃描（沿圓周方向均勻分度，即相鄰2次A掃描相距45°），檢測時(shí)，2探頭對稱放置在焊核中心兩側(cè)附近，第i（1～10）次C掃描中的第j（1～4）次A掃描聲壓記為pij，圖8給出了某次A掃描聲壓pij的歸一化聲壓幅值pij／p0隨時(shí)間t的變化曲線；第i次C掃描中的A掃描聲壓平均值記為，則

對各焊點(diǎn)進(jìn)行破壞性檢測，線切割及金相處理后，在工具顯微鏡下測得焊核直徑Dx，將10個焊點(diǎn)的／p0，Dx）值繪制于圖9中，并作出擬合線。另外，將由（4）式?jīng)Q定的／p0與Dx的理論關(guān)系曲線也繪制于圖9中。

圖9顯示擬合線與理論線左半邊基本一致，表明本文提出的理論方法的正確性和斜入射模式檢測方法的可行性，焊點(diǎn)聲壓測量值基本反映出焊核直徑。圖9還顯示擬合線與理論線之間也存在一定的差異：① 擬合線總體低于理論線，即聲壓的實(shí)測值小于理論值，原因可能是實(shí)際焊點(diǎn)壓痕為非平面，焊點(diǎn)冶金結(jié)合區(qū)比原板材存在較大的聲壓衰減，焊接壓力作用導(dǎo)致板材存在微小變形等；② 有2個焊點(diǎn)的聲壓測量平均值明顯偏低，原因可能是焊核內(nèi)存在未完全熔合的氣隙薄層，為此選擇其中一個焊點(diǎn)，在出現(xiàn)最小A掃描信號對應(yīng)位置處進(jìn)行線切割及金相處理，破壞性檢測結(jié)果顯示確實(shí)存在上述原因，在焊核邊緣處存在氣隙薄層。最小A掃描信號如圖10所示，破壞性檢測結(jié)果如圖11所示。

圖8 焊點(diǎn)A掃描信號

圖9 聲壓幅值－熔核直徑理論曲線和實(shí)際曲線

圖10 最小A掃描信號

圖11 破壞性檢測結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明，在壓痕形狀和深度較穩(wěn)定且焊核中未出現(xiàn)未熔合的氣隙薄層的情況下，采用斜入射模式實(shí)測獲得的A掃描聲壓幅值與熔核直徑擬合曲線能夠較準(zhǔn)確地反映聲壓幅值－熔核直徑特性，據(jù)此方法，可以定量測量焊核直徑；而在壓痕形狀和深度較穩(wěn)定及不確定焊核中是否存在氣隙薄層的情況下，也能根據(jù)該方法定性評價(jià)點(diǎn)焊接頭質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1）本文提出的斜入射模式理論正確，方法可行。在設(shè)定條件下，該方法可用于定量測量點(diǎn)焊接頭焊核直徑以及定性評價(jià)點(diǎn)焊接頭質(zhì)量。因在斜入射模式下，1次C掃描只相當(dāng)于幾次A掃描，所以該方法檢測效率高。

（2）在壓痕形狀和深度較穩(wěn)定及不確定焊核中是否存在氣隙薄層的情況下，如何同時(shí)定量估計(jì)焊核直徑和判定氣隙薄層的大小，是本文未解決的問題之一。

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