無鉚釘接頭的無損檢測

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(1.江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212013;2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

近年來，隨著汽車行業的快速發展，人們開始對汽車輕量化技術進行研究和探索，并取得了一定成果。汽車輕量化程度是評價汽車質量的一個重要指標，采用輕型材料、合理結構和合理成形工藝能夠實現汽車的節能減重。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可以提高6%～8%。車輛行駛時會因底盤重量的減輕而減少顛簸，整個車身會更加穩定。由于鋁合金材料具有密度小、比強度和比剛度高、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、易表面著色以及高回收再生性等優良性能，其可成為汽車輕量化的理想材料。相對于其他輕型材料，鋁合金在汽車上的用量最多。鋼材在強度和價格上具有一定的優勢，同時兼顧了鋁合金在減重及吸能方面的優點，在成本不高的情況下也能夠實現汽車的輕量化[1-3]。

在汽車工業生產中，主要采用激光對鋼鋁板進行焊接，但是激光焊接有無法克服的缺點，比如設備昂貴，焊道快速凝固，有氣孔及脆化的缺陷，能量轉換率低，通常低于10%。進行激光焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再次出現。同時，激光焊接容易出現熱裂紋等缺陷，因此需要新的連接技術克服傳統連接技術的缺點，在保證焊接質量的前提下，實現汽車節能減重的目標。

無鉚釘連接過程是根據材料本身的塑性變形能力，在不添加任何材料的情況下，采用專用凹凸模具對板料進行沖壓，通過板料之間的內嵌達到連接的目的，獲得接頭的一種成形工藝。影響鋼鋁連接質量的因素包括材料本身的特性、模具尺寸、壓力等參數[4]，因此探討鋼鋁無鉚釘連接過程中的板料放置位置、凸模沖壓速度、表面摩擦系數、模具尺寸等對鋼鋁無鉚釘連接點質量的影響，對揭示鋼鋁無鉚釘連接的成形機理有重要作用[5-7]。

于是，如何發現鋁鋁連接和鋼鋁連接過程中出現的缺陷就成為研究的重點，破壞性試驗是一種簡單直接的方式，然而這種方式無法保留完整的接頭，同時也會造成一定程度的成本損失，而通過無損檢測評價接頭質量，將成為建立缺陷診斷專家系統的主要依據。無損檢測技術是汽車產品及其材料制備與制造過程中的質量控制方法，有著非常重要的意義[8]。有效地解決無損檢測技術問題，建立有效的無損檢測方法，并科學地將無損檢測技術應用到汽車的設計、制造、服役、維修等的全壽命周期中，已經成為研究重點[9-14]。無鉚釘連接接頭的檢測樣本及其裂紋形貌如圖1所示。

圖1 無鉚釘連接接頭的檢測樣本及其裂紋形貌

筆者主要通過幾種無損檢測技術控制無鉚釘連接接頭的質量，評價每種無損檢測方法控制接頭質量的優缺點。

1 評價接頭質量試驗

評價接頭質量的方法分為定性評價和定量評價兩種。定性評價接頭質量是通過百分卡表測量接頭底厚(接頭底部的組合厚度)來判斷接頭質量的。在模具尺寸不變、材料組合不變、厚度不變的情況下，理論上接頭底厚也是恒定不變的，由此通過百分卡表的測量可衡量接頭的質量。這是一種不使用破壞性試驗來評價接頭質量的方法，然而其并不能獲得接頭強度。通常情況下，使用破壞性試驗，即抗拉強度、抗剪切強度和抗疲勞強度試驗來定量評價接頭質量。

按照接頭質量可以將接頭分為合格樣本和不合格樣本。然而在實際接頭成形的過程中，一些缺陷并不影響接頭質量，既不影響接頭幾何參數，也不影響接頭的抗拉強度、抗剪切強度和抗疲勞強度。換句話說，對先前評價的失效樣本可以重新劃分為可接受失效樣本和不可接受失效樣本兩類。可接受失效樣本就是其失效的行為并不影響接頭質量，只是在某些局部位置發生了微觀失效。接頭質量的內部影響因素主要有接頭的機械鎖值，頸縮值和底厚值3個主要參數。另外，接頭部分的微觀裂紋仍然是失效的一個主要原因，而裂紋的不同位置對接頭質量的影響也并不相同。

通過破壞性試驗可以得到樣本的抗沖擊性能、韌性、屈服強度和最大拉伸強度、斷裂韌性和疲勞強度等。無損檢測技術主要是確保產品的完整性、可靠性，達到控制制造過程質量，保持產品質量一致性的目的。

1.1 破壞性試驗

無鉚釘接頭的失效形式很多，包括正常失效和異常失效。正常失效即為在成形過程中出現的失效形式，包括發生在凹槽位置、頸縮位置的斷裂以及沒有形成機械鎖，正常失效樣本如圖2所示。異常失效即為強度試驗造成的接頭失效形式，一般是剪切強度試驗、拉伸強度試驗和疲勞強度試驗。這些破壞性試驗是一種最簡單有效的衡量接頭質量的定量評價標準，即通過強度試驗獲得接頭強度，并通過金相分析獲得接頭的幾何尺寸。

圖2 無鉚釘接頭正常失效樣本

發生在頸縮位置的裂紋會直接影響接頭質量，當裂紋出現在凹槽處時，裂紋不會直接影響接頭質量。

1.2 無損檢測試驗

為了考察感應熱成像、主動熱成像、X射線照相、目測、滲透等無損檢測技術的檢測能力，對無鉚釘接頭進行了這幾種技術的檢測試驗。圖3為感應熱成像顯示的不同斷裂形貌。不同的底厚、不同的裂紋分布都可在圖像中呈現。在未來的研究中，不僅要獲得較準確的表面裂紋形貌，而且要實現在線監測，建立計算機控制平臺，開發完善專家系統。熱成像技術的檢測原理是：由于被測件中存在的缺陷會影響感應電流的流動和溫度分布，而造成溫度場的變化，熱像儀依靠感應線圈等獲取被測件表面的溫度場，進而對缺陷進行判別。該方法主要檢測接頭底部的裂紋分布情況，然而其成本較高，很多問題目前不能解決。

圖3 感應熱成像顯示的無鉚釘接頭的不同斷裂形貌

圖4為無鉚釘接頭的主動熱成像圖。主動熱成像系統主要包括熱加載裝置、紅外熱像儀、計算機成像系統和分析軟件等。無鉚釘接頭是一個大變形結構，合格接頭在紅外檢測結果中是均勻的，而其他幾種失效模式(不對中、凹模失效、頸縮斷裂)所呈現的形貌也不均勻，不對中。

圖4 無鉚釘接頭的主動熱成像圖

圖5 無鉚釘接頭的X射線照相結果

圖5為無鉚釘接頭的X射線照相結果。其檢測設備為Yxlon 225射線機，電壓為80 kV，被測物體距離為700 mm，曝光時間為150 s，使用沒有鉛屏的D3膠片。雖然X射線方法檢測結果直觀，但是設備復雜龐大，適合在實驗室操作，而且檢測時需要采取安全防護措施。

圖6 無鉚釘接頭凹槽位置斷口形貌的目測檢測結果

圖6為目測檢測無鉚釘接頭凹槽位置的斷口形貌，該檢測技術簡單直觀，具有較低的材料成本，能夠檢測所有表面裂紋，能快速獲得檢測結果，也便于實現自動化。雖然人類的視覺和思路有誤差，但是可以通過建立計算機控制平臺，從數據的角度來獲取裂紋的特征。這種目測的方法，不僅能夠觀測到接頭表面的宏觀裂紋，而且能夠通過軟件及時處理裂紋的密度變化。從表面上看，接頭凹槽位置的裂紋是均勻分布的，并且隨著底厚的減小，裂紋逐漸加寬，直到達到某值時，斷裂的表面積不再增加，甚至是逐漸縮小(見圖7)。由于拍攝的差異，宏觀觀測結果難免出現誤差，為此在研究中，可以通過顏色滲透的方式來提高成像性能。

通過微觀斷面進行分析，考核微觀裂紋尺寸密度的變化情況。圖8為微觀裂紋尺寸密度的變化情況。隨著底厚的變化，裂紋尺寸密度的變化并不是單調增加或減小；當底厚達到某一值時，裂紋不再增加，反而有下降的趨勢。

圖7 宏觀裂紋尺寸密度

圖8 無鉚釘接頭宏觀裂紋尺寸密度變化

目測的方法可以觀測到接頭底部的宏觀裂紋，與滲透無損檢測技術結合使用可以使成像更加清晰，便于判斷在成形連接過程中的表面裂紋形貌。這種檢測技術是最經濟適用的判斷接頭質量的方法，對操作者和設備的要求少，能夠滿足對無鉚釘連接接頭質量的定性判斷。

2 結語

(1) X射線照相技術、感應熱成像技術、主動熱成像技術等無損檢測技術在無鉚釘接頭檢測的檢測效果、檢測速度上，更依賴于計算機系統控制平臺，能夠較好地控制裂紋，然而計算機控制平臺的建立仍然有很多需要解決的問題。

(2) 無鉚釘連接凹槽位置檢測的特殊性決定了目測檢測和滲透檢測技術將成為主要的現場檢測技術。使用目視檢測和滲透檢測技術能夠得到較好的檢測結果，適合理論研究。

(3) 通過目測檢測技術和滲透檢測技術結合的使用方法，可以觀測無鉚釘接頭凹槽位置裂紋的微觀形貌。

感謝感謝比利時政府為作者提供兩年的獎學金以完成研究工作。