劉 凱( 福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，福建 龍巖364000）

相控陣技術在點焊焊點熔核直徑測量上的運用

劉 凱
( 福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，福建 龍巖364000）

文中使用超聲相控陣技術對鋁合金點焊件進行檢測，對比相控陣技術和傳統(tǒng)超聲檢測技術的差別，分析鋁合金點焊件的相控陣圖像特征，總結相控陣技術的優(yōu)缺點。分析探討了相控陣各參數(shù)對掃描圖像分辨率的影響，對提高測量精度提出改進措施。

熔核直徑；相控陣；超聲回波特征

1 前 言

點焊是一項重要的焊接技術，在汽車制造、家電制造、航空航天領域都有廣泛的運用。熔核直徑是衡量點焊件質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，目前卻普遍采用破壞性檢驗[1,2]。超聲波檢測具有快速、不破壞工件的特點，相控陣掃描范圍廣、效率高、儀器方便攜帶，在醫(yī)學領域被廣泛使用[3,4]。如今，相控陣技術早已由醫(yī)療領域延伸至工業(yè)領域。和普通的單晶片探頭相比，它采用的多晶片探頭檢測范圍更大，檢測精度更高。單晶片探頭如果要檢測出各方向的缺陷，只能通過探頭位置的移動來實現(xiàn)。相控陣技術采用多晶片探頭，通過動態(tài)改變相控陣陣元的延遲時間，在固定位置即可控制超聲波聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，從而一次性檢測各方向缺陷。相控陣法減少了探頭的機械移動，檢測位置更加靈活，可以檢測到普通超聲檢測方法無法檢測到的死角，設備攜帶方便、檢測效率高、缺陷定位準確，特別適合運用于工業(yè)化現(xiàn)場檢測。隨著多晶片探頭制作工藝及相控陣聲場模型的日趨成熟，相控陣技術在超聲檢測領域必將發(fā)揮越來越大的作用。

文中通過研究鋁合金點焊件的相控陣掃描圖像，將相控陣技術運用于點焊焊點熔核直徑的測量，最后通過將相控陣法測得的數(shù)據(jù)與金相法測得的數(shù)據(jù)對比，分析相控陣法測量誤差形成的原因，探討提高熔核直徑測量精度的方法。

2 試驗設備及流程

試驗使用2mm厚的鋁合金點焊件。超聲相控陣設備主要部件為超聲信號采集系統(tǒng)、筆記本計算機和專用的相控陣探頭。相控陣控制系統(tǒng)由3大模塊組成：模型構造、超聲參數(shù)設置和采集設置。模型構造是通過設置試件的材料及尺寸、楔塊材料及尺寸、超聲傳播速度等參數(shù)計算探頭在被測試件中形成的超聲聲場，構建相應的相控陣檢測模型。超聲參數(shù)設置主要設置發(fā)射電壓、脈沖寬度、脈沖重復頻率等參數(shù)。采集設置主要設置信號采集方式，形成相應的掃描圖像。

試驗采用的相控陣探頭頻率為5MHz和10MHz，探頭的長度略大于點焊件的壓痕直徑長度。首先在相控陣設備上設定好試驗參數(shù)，構建相應的相控陣檢測模型，然后在試件表面涂上耦合劑，將相控陣探頭放置于試件上，按設定的程序依次激發(fā)相控陣陣元，即可快速獲得相控陣掃描圖像，非常方便快捷。相控陣探頭的放置方式如圖1所示。

試驗用到的相控陣探頭參數(shù)如表1所示，用到的主要超聲掃查參數(shù)如表2所示。

3 試件的相控陣掃描圖像特征

如圖2所示,試件的相控陣掃描圖像屬于B型超聲掃描圖，它能反映沿相控陣探頭晶片激發(fā)方向且平行超聲傳播方向的縱截面信息。圖2中橫坐標軸為相控陣探頭各晶片的位置，縱坐標軸為A掃描信號的采樣點數(shù)，圖像利用顏色深淺的變化表示各個位置掃描得到的A型信號的幅值高低。圖像中平行橫坐標軸的顏色帶表示相控陣探頭各晶片在試件上同一反射面不同位置回波的集合。在圖2中可以直觀地測出熔核直徑值。因為相控陣設備采用的是接觸式探頭，所以要盡可能降低近場區(qū)對檢測信號的干擾，這里采用的方法是在相控陣探頭上加一塊厚10mm的平楔塊，有效降低了近場區(qū)的干擾。接下來探討如何提高相控陣掃描圖像的分辨率。

4 探頭晶片組的設置

相控陣設備設置的參數(shù)不同，獲得的聚焦效果也不同,匯集成的掃描圖像就會產(chǎn)生不同的分辨率。下面探討設置不同的激發(fā)晶片組對掃描圖像分辨率的影響。試驗先采用頻率為5MHz的相控陣探頭，一共設置了3種檢測參數(shù)。第一種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設為3個，掃描步長設為1個晶片；第二種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設為16個，掃描步長設為1個晶片；第三種方法將相控陣探頭的一次激發(fā)晶片數(shù)設為16個，掃描步長設為0.5個晶片。得到的掃描圖像如圖3所示。

圖1 相控陣探頭的放置方式示意圖

表1 相控陣探頭參數(shù)

表2 主要的超聲掃查參數(shù)

圖2 鋁合金點焊件的相控陣圖像

(a)

(b)

圖3 3種檢測方式的B掃描圖像

圖3(a)、3(b)、3(c)分別對應以上三種方法。對比可知，第一種方法得到的圖像分辨率最高，因為這種方法產(chǎn)生的超聲聲場焦區(qū)剛好處在檢測區(qū)域。第三種方法得到的圖像比第二種方法得到的圖像分辨率高，因為它的采樣頻率是后者的兩倍。因此，通過合理設置相控陣設備的參數(shù)，控制超聲聲場焦區(qū)落在檢測面上，可以提高掃描圖像的分辨率。

5 探頭頻率對分辨率的影響

使用上面第二種方法設定的參數(shù)及相同的相控陣檢測模型，分別采用5MHz和10MHz的相控陣探頭，對同一試件進行檢測，掃描得到的圖像如圖4所示。由于試驗條件限制，試驗使用的10MHz探頭總晶片長度小于試件焊點直徑，不能完全覆蓋焊點壓痕，因此只能得到試件焊點部分區(qū)域的掃描圖像。

圖4 5MHz和10MHz探頭的相控陣圖像

圖4 (a)是5MHz相控陣探頭得到的掃描圖像，圖4 (b)是10MHz相控陣探頭得到的掃描圖像。雖然后者只得到試件部分區(qū)域的檢測圖像，但是通過對比兩者在試件同一部位的檢測圖像可知，圖4 (a)的分辨率明顯比圖4 (b)高。由此可知，通過提高相控陣探頭頻率可以有效提高相控陣圖像的分辨率。

6 測量數(shù)據(jù)誤差的計算

用鋸片將相控陣法測過熔核直徑的鋁合金點焊件鋸開，再用銑刀加工至接近相控陣法的檢測面，然后用砂紙磨制成金相試樣，最后將試樣進行拋光腐蝕。腐蝕液采用2%氫氟酸、2%硝酸、1%鹽酸及95%清水配制，腐蝕時間為3分鐘。鋁合金點焊件金相試樣在金相顯微鏡下放大4.8倍的金相圖如圖5所示。將測量宏觀金相照片獲得的熔核直徑實際數(shù)值與相控陣法的測量結果對比，即可得出相控陣法的測量誤差。

圖5 鋁合金點焊件金相圖

通過20個試件測量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計，得出試驗中相控陣法的測量誤差在7%到10%之間，測量精度主要受相控陣探頭分辨率、超聲波聲場近場區(qū)及超聲波聲束擴散的影響，今后想提高相控陣法的測量精度可以從這三方面著手。

7 結論

文中初步探討了相控陣技術運用于鋁合金點焊焊點熔核直徑測量的可行性，并研究了相控陣圖像分辨率的影響因素及相控陣法的測量精度。結果表明，通過建立更精確的相控陣檢測模型、更合理地設置相控陣系統(tǒng)的檢測參數(shù)、采用更高頻率的相控陣探頭、更好地消除超聲聲場近場區(qū)的干擾等方法，都能提高相控陣圖像的精度和分辨率，從而提高相控陣法的檢測精度。綜上所述，相控陣法可以運用于點焊焊點熔核直徑的測量，并且具有檢測效率高，檢測位置靈活，檢測設備便于攜帶等優(yōu)點，非常適合進一步推廣運用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。但同時，相控陣法也存在檢測精度較低、檢測設備昂貴、相控陣檢測模型復雜、缺陷定性復雜等缺點，這些都是阻礙它進一步運用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的不利因素。相信隨著相控陣設備制造技術的日趨成熟、相控陣檢測技術的不斷發(fā)展及相關檢測標準的制定完善，相控陣法將作為測量點焊焊點熔核直徑的重要方法之一，被廣泛運用于工業(yè)生產(chǎn)中，從而顯著提高點焊工件的檢測效率和檢測精度，為人們帶來可觀的經(jīng)濟效益。

[1]K.C.Wu. Resistance spot welding of high contact-resistance surface for weld bonding[J]. Welding Journal. 1975,54(12): 435-444.

[2]K.I.Johnson, J.C.Needham. New design of resistance spot welding machine for quality control [J]. Welding Journal, 1972, 51 (3):121-132.

[3]楊國忠.醫(yī)學成像技術[J]. 北京：人民衛(wèi)生出版社. 1987:21-23.

[4]J.V.Hatfield, et al. An integrated multielement array transducer for ultrasonic imaging [J]. Sensors and Actuators A, 1994, (41):167-172.

Use of Phased Array in the Nugget Diameter Measuring for Welding Spot

LIU Kai (Fujian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute,Longyan Branch Institute.Longyan 364000, Fujian, China)

We used phased array to detect welding spot of aluminum alloy, contrast the difference of the phased array technology and the traditional ultrasonic testing, analyze the image features of phased array for welding spot of aluminum alloy, summariz the advantages and disadvantages of phased array. We analyzed the influence of various parameters on the scanning image resolution of phased array, put forward the improvement measures to improve the measurement precision.

Nugget diameter; Phased array ; Ultrasonic echo features

2015-01-18

劉 凱，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，工程師 ，碩士