探頭位置偏差對點焊質量超聲檢測的影響與對策研究

向清

摘 要：高效率和自動化無損檢測是汽車車身點焊質量檢測的發展方向，然而點焊檢測過程中的探頭位置偏差對檢測結果評估有重要影響。文章以薄板點焊超聲無損檢測為研究對象，建立了存在探頭位置偏差下的熔核尺寸測量誤差的理論計算公式，在COMSOL軟件中建立了含位置偏差的點焊超聲檢測仿真模型，獲得了不同位置偏差下的聲壓幅值波形圖，研究了位置偏差對熔核直徑計算結果的影響規律，通過點焊超聲無損檢測和金相實驗，驗證了理論分析和仿真結果的正確性，最后提出了存在探頭位置偏差情況下的點焊超聲檢測探頭規格選擇方法。研究結果對于點焊超聲自動化檢測具有指導意義。

關鍵詞：點焊質量；超聲無損檢測；熔核尺寸；探頭位置偏差

中圖分類號：TG409 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0062-05

引言

電阻點焊占據車身焊接工作量的90%以上，是車身裝配中最主要的連接方式。點焊過程中，電極壓力、焊接電流和焊接時間等波動極易對點焊質量產生影響，進而威脅到汽車可靠性和行駛安全性。目前，點焊質量檢測普遍采用破壞性抽樣測試，無法全面反映車身整體焊接質量。超聲無損檢測是所有點焊質量檢測中比較有前景的技術，它是通過超聲在焊點中傳播的波形變化及衰減程度來判斷點焊質量[1-5]。

目前，車身電焊大量采用工業機器人進行自動化焊接，因此，采用工業機器人進行點焊質量自動化檢測是比較高效和便捷的方法。目前關于點焊檢測系統，劉靜、郝永魁等人設計開發了一種基于超聲C掃的單焊點質量超聲檢測裝置及數據評估專家系統[6，7]，宋雨柯設計了一種基于超聲A掃的車身點焊質量超聲自動檢測評估系統[8]。然而，由于工業機器人等自動化設備均不可避免地存在運動誤差，導致點焊焊接以及隨后的超聲檢測存在偏差。由于焊點位置偏差、自動化設備制造和定位精度等因素，導致在點焊超聲檢測過程中，探頭相對于焊點中心存在一定的位置偏差，其位置偏差情況如圖1所示。而探頭位置偏差引起的檢測數據的變化可能對我們對焊點質量的判斷有所影響，因此研究探頭位置偏差對點焊超聲檢測的影響并判斷影響的大小以及對減小位置偏差影響的對策研究有重大意義。

1 探頭位置偏差對點焊熔核直徑計算的影響

超聲波的一個極其重要的特點是它幾乎能穿透任何材料。超聲波在薄板、焊核間傳播時，必然攜帶具有焊點內部缺陷等的回波信息，超聲無損檢測就是通過提取和分析這些信息，對回波信號進行處理，進而對焊點的性能進行綜合評價。由于熔核直徑大小是點焊熔核質量的決定性因素[9]，因此熔核直徑越大，表示板間連接面積越大，相應的焊接強度越高，焊點質量也就越好。所以本文主要研究探頭位置偏差對點焊超聲檢測下熔核直徑計算值的影響。

根據Song， Y等人的研究可知熔核直徑的計算公式為[8]：

其中：D為探頭直徑；p1和p2分別表示第二和第三個超聲檢測回波波峰的幅值；r1表示的是聲波從楔塊傳入第一層板時的反射率，那么根據以上公式即可計算出等厚兩層板熔核的直徑。

如圖2是探頭偏差不同距離時延遲塊和熔核相對位置的示意圖，其中R表示楔塊半徑，r表示熔核半徑，s表示楔塊與熔核軸線間的距離。假設不考慮聲波傳播過程中的散射、衍射等作用，聲波的反射能量和反射面積成正比，則圖2中兩圓重合面積即代表實際檢測到的熔核面積，根據偏差量的大小，重合面積Sr滿足：

2 點焊超聲檢測的探頭位置偏差仿真研究

點焊超聲無損檢測是將點焊構件置于超聲波聲場中檢測，得到不同回波的過程。通過建立低碳鋼等厚雙層板的存在探頭位置偏差時的點焊超聲無損檢測有限元模型，找出點焊在不同位置偏差下超聲無損檢測過程中的聲場、聲壓的變化規律并得到最后的回波圖，為探頭位置偏差對點焊的超聲無損檢測的影響的深入研究提供理論依據。

2.1 探頭位置偏差下的等厚雙層板點焊超聲無損檢測的有限元建模

本文采用COMSOL Multiphysics軟件聲場模塊對低碳鋼等厚兩層板的焊點的超聲無損檢測過程進行有限元模擬，研究在不同探頭位置偏差下的點焊超聲無損檢測的聲場和聲壓的變化規律，最終得到的聲壓隨時間變化的波形圖，根據聲壓值與熔核直徑的關系，計算相應情況下的焊點的熔核直徑計算值。

由于探頭偏差后不具有軸對稱結構，且3D模型網格過多難以完成計算，故采用2D結構進行仿真計算。根據焊點超聲無損檢測原理，對探頭、板材和焊點進行簡化，采用二維平面模型。因為探頭、板材和焊核是連通的，可以將板材和焊核部分等效成一個沿超聲波方向傳播的圓柱體，探頭位置偏差的點焊超聲檢測模型示意圖如圖3所示。通過調整熔核直徑d和誤差量s即可得到不同直徑和誤差量下的瞬態聲壓圖和A掃波形圖。

此模型中將焊核和母材的材料參數均取低碳鋼的材料參數。芯片下的延遲塊采用有機玻璃PMMA，母材部分兩板間間隙除焊核外的部分和第二層板下面的部分都為空氣。各種材料的性能參數如下表1所示。

2.2 探頭位置偏差下的等厚板點焊超聲檢測的仿真結果

當母材兩層板厚度均為1.6mm，熔核直徑為4mm，偏差量為3mm時的瞬態聲壓圖如圖4所示。

圖5是等厚板在不同探頭偏差量下的有限元模擬結果，當熔核直徑d=4mm，板厚h1=1.6mm，h2=1.6mm固定不變時，將探頭分別偏差1，2，3，4，5，6mm，進行模擬，得到相關的隨時間變化的聲壓值，截取其中時間為t=9.00us-10.05us的波形圖。

如圖5所示，當熔核直徑d=4mm，板厚h1=h2=1.6mm固定不變時，隨著探頭偏差量的增加，探頭接收到的回波聲壓值也有所不同。從上圖可以看出當探頭偏差量小于2mm，t=9.12us和t=9.75us時，探頭接收到的聲壓值p1和p2的值隨著探頭偏差量的增加基本保持不變；當探頭偏差量大于2mm時，當t=9.12us，探頭接收到的聲壓值p1的值隨著探頭偏差量的增加而增加，而當t=9.75us時，探頭接收到的聲壓值p2的值隨著探頭偏差量的增加而減?。划斕筋^偏差量大于6mm左右時，探頭接收到的聲壓值p1大于p2，即聲波在第一層板底部發生全反射，兩層板間沒有連接，全為空氣，即為單層板的波形，此時熔核直徑為零。

3 探頭位置偏差的超聲無損檢測實驗研究

3.1 焊點試樣的制備

本次試驗選用長方形低碳鋼板，其幾何形狀如下圖6所示。焊接鋼板的材料為低碳鋼，低碳鋼在汽車上的應用范圍很廣，焊接母材形狀為30×100×1.6mm的長方形板材。本次實驗采用NA-100型交流點焊機，其固定電極端面直徑為6mm。點焊的主要焊接工藝參數有三個：電極壓力、焊接時間和焊接電流。通過改變這三個參數的大小，就可以得到不同熔核尺寸的焊點。本實驗的焊接參數選擇，在查閱相關文獻和前期實驗的基礎上[9]，確定工藝參數如下表2所示。

參照表2所示的焊接工藝參數進行焊接后，可以得到焊點試樣，如圖6所示。

3.2 探頭位置偏差的超聲無損檢測的試驗操作及結果

實驗儀器是廣州多普勒公司生產的Phascan便攜式超聲相控陣檢測儀，該儀器如圖7左邊所示。實驗中使用的探頭為頻率15MHz，直徑7.6mm的高頻探頭，楔塊的材料為有機玻璃，探頭形狀和尺寸如圖7右邊所示。

本次實驗使用二維位移臺研究探頭位置偏差對焊點超聲無損檢測的影響規律。位移臺可調整水平方向的偏差量和豎直方向的傾斜角度，水平方向偏差標尺量程：200mm，精度0.02mm，豎直方向擺頭角度范圍：±10°，精度0.1°。在水平標尺上安裝一個可以在豎直面擺動的探頭夾持裝置，將探頭固定在探頭夾持裝置上，來測量板件上的焊點，通過調整水平方向的偏差量和擺頭傾斜角度可以做實驗研究探頭定位精度對焊點超聲無損檢測的影響規律。使用圖8所示的二維位移臺和超聲無損檢測儀來進行探頭偏差的超聲無損檢測實驗。

將探頭和焊點試樣放在二維位移臺定位好之后，以4mm熔核直徑的焊點為例，移動水平標尺，將探頭向右分別移動為0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm時，測得相關的波形記錄下來，如下圖9所示。

從圖9中（a）（b）（c）可以看出，當探頭移動偏差量l2mm時，隨著偏差量的增大，第一個小回波峰值p1與第二層板底部的反射回波峰值p2基本不變，因此代入公式（2）計算所得熔核直徑值也相同，這與模擬結果是一致的。

從（d）（e）（f）可以看出，當偏差量2mm

從上圖（g）中可以看出，當偏差量5mm時，此時測得的熔核直徑為零，測得的是單層板的回波。

3.3 金相實驗

為了得到試樣的點焊熔核直徑的真實值，需要對試驗進行金相實驗，從而測量熔核直徑。

使用線切割機和游標卡尺、手鋸、砂紙等輔助工具，將焊后試件沿焊核中心切開制成金相試樣，然后將金相試樣打磨拋光后使用硝酸酒精進行腐蝕。并使用宏觀電子顯微鏡拍攝焊點的金相試樣，得到等厚板及不等厚兩層板的熔核宏觀形貌圖，如圖10所示，然后測量得到真實熔核直徑。

4 數據分析與總結

根據理論推導以及仿真和實驗的數據，可以得出熔核直徑的計算值隨探頭位置偏差變化的趨勢圖，如圖11所示：

如圖11所示，理論計算的熔核直徑值均隨著探頭位置偏差量的增大先保持不變再減小的趨勢。且隨著實際熔核直徑的增大，在少許偏差量的情況下，熔核直徑理論測量值就開始減小。以4mm熔核直徑為例，當探頭偏差量小于2mm時，理論的熔核直徑計算值隨著探頭偏差量的增大保持不變；當探頭偏差量大于2mm，理論的熔核直徑值隨著探頭偏差量的增大而減小。這是因為當探頭偏差量小于2mm時，結合圖2可知，熔核在探頭內部，它們的相交面積不變，所以理論熔核直徑值保持不變；而當探頭偏差量大于2mm時，熔核與探頭相交，此時探頭和熔核相交面積如圖2（c）所示，且隨著探頭偏差量的增大，探頭和熔核相交的面積逐漸減小，因而理論的熔核直徑值也隨之減?。欢斕筋^偏差量大于6mm左右時，熔核和探頭完全分離，此時探頭和熔核相交面積為零，理論的熔核直徑值也為零。

同時，由圖11可見，由于仿真未考慮衍射等作用，所以仿真結果的熔核直徑計算數值比真實值偏大，但是其隨著探頭位置偏差量的增大而產生的變化趨勢相同。實驗結果中熔核直徑的計算值的變化趨勢同樣符合理論情況。

經過數據處理可以得到在理論情況及仿真和實驗結果下的熔核尺寸計算誤差隨探頭位置偏差量改變的變化圖，如圖12所示。

由圖12可見，δd在不同熔核直徑下的熔核直徑測量誤差值隨探頭位置偏差量的增加的理論變化趨勢與仿真和實驗數據的變化趨勢相同，其變化規律為：

（1）在同一熔核直徑下，隨著探頭位置偏差量s的增加，熔核直徑測量誤差δd呈現不變、下降、不變的變化規律，且熔核直徑越大，δd下降得越早，終止得越晚，且其具體值為：

（2）在同一探頭位置偏差量下，熔核直徑越大，δd越大。

（3）探頭的位置偏差更易對熔核直徑較大的情況造成誤差，若將實際的探頭位置偏差量控制在2mm范圍內，則熔核直徑誤差在1mm內。

5 對策研究

由于在實際的自動化點焊超聲無損檢測中總會因為各種誤差因素導致探頭的位置偏差，則需要通過確定探頭的尺寸來保證在誤差因素影響下的檢測精度。

探頭相對于熔核的位置偏差主要由焊接位置誤差Δd1和檢測定位誤差Δd2造成。這些誤差的具體數值在不同工作環境和情況下需要具體考慮。為使自動化點焊超聲無損檢測中得到的數據所計算出的熔核直徑不出現較大誤差，探頭的尺寸D需滿足以下條件：

其中：Dmax為抽樣檢測出的熔核直徑最大值。

一般情況下車身覆蓋件的點焊超聲無損檢測都使用直探頭，在實際檢測工作中只需選取最小的D值即可。

6 結束語

本文為了研究探頭位置偏差對點焊的自動化超聲檢測的影響，提出了影響規律的理論計算模型，并建立探頭位置偏差的聲學仿真模型，進行了相應的試驗研究，最終得到了影響規律及減小誤差的對策。結論如下：

（1）在同一熔核直徑下，隨著偏差量s的增加，熔核直徑計算值d呈現不變、下降的變化規律，且熔核直徑越大，d下降得越早，終止得越晚。

（2）在同一熔核直徑下，隨著偏差量s的增加，熔核直徑測量誤差δd呈現不變、下降、不變的變化規律，且熔核直徑越大，δd下降得越早，終止得越晚。

（3）探頭偏差更易對熔核直徑較大的情況造成誤差。

（4）在實際檢測中只要選取的探頭尺寸合適，就能保證熔核尺寸的計算精度。

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