不銹鋼搭接激光焊接頭相控陣超聲檢測研究

徐惠妍， 李云峰

(長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

新型不銹鋼城鐵車車體側墻采用搭接激光焊結構，激光焊時光束作用的表面層鋼板全熔透，而搭接的下層鋼板僅實現半熔透，從而達到作為焊接產品使用面的下層鋼板表面無焊痕的效果[1-2]。由于激光焊接頭的連接處位于搭接板貼合面激光焊接頭的內部，給激光焊縫質量檢驗帶來很大困難，因此，合適的焊接質量無損檢測技術對搭接激光焊質量控制具有重要意義[3-6]。超聲波無損檢測技術以其檢測靈敏度高、速度快、易于實現現場操作及安全性好等優點得到廣泛應用，尤其在迅速發展的計算機信息及智能化技術推動下，定量化、智能化超聲波檢測技術快速發展，展現出良好的發展及應用前景。針對搭接激光焊縫熔寬超聲檢測，文獻[7-9]介紹了一種機械掃查式超聲檢測方法及裝置，實現了搭接激光焊縫的圖像化C掃描定量超聲檢測，但該方法存在檢測效率較低的不足。相控陣超聲檢測技術采用電子聚焦掃描檢測方式，使超聲檢測效率及實時成像性能得到極大提升，成為超聲檢測技術發展的主流方向。因此，文中基于相控陣超聲檢測技術研究不銹鋼搭接激光焊縫的高效超聲檢測方法及系統。

1 試驗材料及試驗條件

1.1 試驗材料

試件材料為奧氏體不銹鋼SUS301L薄板，其化學成分、聲學特性分別見表1和表2。

表1 奧氏體不銹鋼SUS301L化學成分 wt.%

表2 奧氏體不銹鋼SUS301L聲學常數

1.2 不銹鋼搭接激光焊工藝

不銹鋼搭接激光焊選用的激光焊設備為額定功率4 kW的Nd：YAG固體激光器，其輸出激光波長為1.06 μm。激光焊過程中為防止焊縫氧化及有害成分進入焊縫，采用純度大于99.99%的氬氣作為保護氣體。

不銹鋼搭接激光焊采用的材料板厚組合為1+1.5 mm，激光焊接頭形式如圖1所示

圖1 不銹鋼搭接激光焊接頭形式

激光焊主要工藝參數見表3。

表3 不銹鋼搭接激光焊工藝參數

1.3 相控陣超聲檢測系統

相控陣超聲檢測系統為美國AOS公司出產的32通道相控陣超聲檢測儀，配套32陣元的線陣超聲探頭，其陣元間距為0.3 mm，中心頻率為10 MHz。該超聲檢測系統用以實現激光焊縫的電子掃描檢測。

2 超聲檢測系統研究

2.1 超聲檢測方法原理

利用搭接激光焊縫下層鋼板僅是半熔透的特點，搭接激光焊縫的超聲檢測在工件的半熔透板表面進行，以避開比較粗糙的焊縫表面，使探頭與工件能夠實現良好的耦合，提高聲波對工件的入射率，檢測方法原理如圖2所示。

圖2 超聲檢測方法原理圖

文中搭接激光焊縫超聲檢測主要是針對被焊工件接觸面處的激光焊縫熔寬的檢測，檢測的基本原理與一般的焊縫缺陷檢測基本相同，只是將搭接工件接觸面的焊縫熔合區視為“缺陷”，通過對該“缺陷”邊緣的識別實現激光焊縫熔寬的檢測。文中設計了電子掃描與機械掃描結合的方式實現激光焊縫的超聲C掃描檢測：線陣超聲探頭以垂直工件表面直入射的方式，在垂直于焊縫方向(Y向)進行相控式電子掃描檢測；每完成一次對激光焊縫的橫向電子掃描檢測，線陣超聲探頭在平行于焊縫方向(X向)移動一個步長，然后進行下一次橫向電子掃描檢測，以此往復。完成設定次數的橫向電子掃描后，將所有掃描點獲得的A波檢測信號組合成Nx×Ny的數組矩陣，對數組的A波檢測信號進行特征值提取分析，并進行灰度值及色彩編碼轉換，則生成搭接激光焊縫C掃描超聲檢測圖像。

2.2 超聲檢測系統結構

搭接激光焊縫超聲檢測系統由便攜式工業計算機、相控陣超聲檢測模塊、運動控制模塊及探頭機械運動模塊等組成。其中，探頭機械運動模塊結構如圖3所示。

圖3 探頭機械運動模塊結構圖

其主要特點是陣列探頭在模塊的殼體內運動，并采用水浸耦合方式，而在焊縫C掃描檢測過程中整個探頭機械運動模塊與工件采用簡單的接觸耦合方式，并相對工件不動，大大提高了探頭運動的穩定性，從而改善聲波檢測信息質量。探頭在模塊殼體內的運動由微型步進電機驅動，為了盡可能減小探頭機械運動模塊的尺寸，提高其操作使用的實用性，采用微型高精度滑軌導向及同步帶傳動結構，從而使探頭的運動穩定性及位置控制精度得到保證。

工業計算機是搭接激光焊縫超聲檢測系統的控制核心，通過對相控陣超聲檢測模塊及運動控制模塊的協同控制，驅動探頭機械運動模塊實現對焊縫的C掃描超聲檢測。相控陣超聲檢測模塊由計算機對其進行工作模式設定、超聲電子掃描參數配置及垂直于激光焊縫方向的超聲電子聚焦掃描檢測控制。相控陣超聲探頭每完成一次電子聚焦掃描檢測，計算機則通過運動控制模塊驅動步進電機,使其在平行焊縫方向移動一個設定的步長，并在此模式下，激光焊縫超聲檢測系統按照設定的超聲探頭移動步數進行自動超聲檢測。與此同時，計算機對所有掃描點的超聲檢測數據進行自動存儲處理，整個超聲C掃描結束后,則對每個掃描點的超聲檢測A波信號數據在時域及頻域上進行特征值提取分析，提取出的特征值轉化為超聲檢測C圖像的灰度值或色彩編碼，在此基礎上形成超聲檢測C掃描圖像信息。系統通過計算機人機交互界面顯示焊縫的超聲C掃描圖像，直觀顯示焊縫熔寬情況的超聲檢測結果，在C掃描圖像分析基礎上，對焊縫熔寬進行定量分析計算，并給出焊縫熔寬值的分析結果。

2.3 超聲檢測系統控制軟件

工業計算機通過系統軟件對搭接激光焊縫超聲檢測系統的檢測過程進行自動控制及分析。系統軟件功能主要包括：相控陣超聲檢測模塊檢測參數配置及超聲電子聚焦掃描檢測控制；超聲探頭移動參數設置及步進電機運動控制；超聲檢測信號數據處理、特征值分析提取及焊縫熔寬檢測結果的圖像化與定量化分析；超聲檢測結果的數據存儲；系統信息輸入及輸出界面設計等。

文中超聲檢測系統是一個實時多任務系統，系統軟件基于Windows開發平臺，采用面向對象可視化Visual C++程序設計語言編寫，系統軟件流程和顯示主界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 超聲檢測系統軟件流程

圖5 超聲檢測系統主界面

3 試驗結果及分析

為驗證文中超聲檢測系統功能及檢測效果，采用超聲檢測結果與焊接試件金相檢驗結果對比的方法，驗證超聲檢測系統功能及對焊縫熔寬檢驗的準確程度。一條激光焊縫超聲檢測結果及相應若干焊縫斷面實際的熔寬情況如圖6所示。

(a) 激光焊搭接接頭C掃描圖像

(b) A位置特征曲線與對應橫截面金相照片

(c) B位置特征曲線與對應橫截面金相照片

(d) C位置特征曲線與對應橫截面金相照片

試驗表明，對超聲檢測信號分析提取的特征值曲線能夠較好反映激光焊縫的熔寬情況，熔寬的定量分析結果與實際金相試樣檢測結果吻合較好。

4 結 語

針對不銹鋼搭接激光焊縫熔寬檢測，開發基于相控陣超聲聚焦檢測的自動及智能超聲檢測系統，實現了焊縫熔寬的自動C掃描超聲檢測、檢測結果圖像化實時輸出及焊縫熔寬的智能化定量評估。電子掃描與步進電機技術的結合及獨特的超聲探頭內水浸耦合方式實現了激光焊縫的高效、高精度及穩定的檢測。試驗表明，研究的超聲檢測系統達到了預期功能。

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