基于超聲波相控陣技術(shù)的車橋焊縫質(zhì)量評價(jià)

張世雄　廖觀萬　張杰　任凱利

摘 要：本論文針對車橋服役過程中由于焊接質(zhì)量不良引起的交通事故，引入超聲波相控陣檢測技術(shù)來完成對車橋焊縫質(zhì)量的增強(qiáng)，并對在役和生產(chǎn)過程中的車橋焊縫進(jìn)行超聲波無損檢測，達(dá)到安全監(jiān)控和提高品質(zhì)的目的。通過大量的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，并與金相檢驗(yàn)進(jìn)行比對，建立一套超聲波相控陣的車橋焊縫質(zhì)量評價(jià)方法。該方法可以通過監(jiān)控焊接工藝過程，對焊接工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制起到積極作用。此外，對在役的橋殼進(jìn)行在役檢測，可對橋殼的剩余壽命評價(jià)指導(dǎo)指導(dǎo)意義。相較于金相檢驗(yàn)，該無損檢測方法還具有成本優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：車橋 超聲波相控陣 車橋焊縫 汽車安全 無損檢測

0 引言

汽車車橋是汽車行駛安全性和可靠性的重要部件，也是用來支撐車輪和連接后車輪的裝置，是支撐汽車重量的重要構(gòu)件。在生產(chǎn)過程中橋殼和軸管通過V型坡口焊接，焊接的質(zhì)量情況起到至關(guān)重要的作用，特別是開口不明顯的未熔合。焊接質(zhì)量受焊接設(shè)備、工藝環(huán)境、材料選擇及技術(shù)水平等因素的影響，在熔合區(qū)和焊接區(qū)難免會(huì)出現(xiàn)氣孔、焊偏、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷現(xiàn)象。在車橋服役過程中，由于焊接質(zhì)量不良，受交變應(yīng)力和沖擊較多，應(yīng)力會(huì)在此集中，進(jìn)而發(fā)展成疲勞裂紋，引發(fā)斷裂，造成嚴(yán)重事故。[1-2]因此，為了保障汽車的行駛安全，通常需要對汽車車橋的焊接質(zhì)量進(jìn)行可靠性檢測，檢測方法包括金相顯微鏡研磨檢測，X射線檢測，超聲檢測等。其中，金相檢測屬于有損檢測，需要對檢測部位進(jìn)行研磨加工后，再進(jìn)行觀測。而X射線和超聲檢測屬于無損檢測，在不需要破壞結(jié)構(gòu)件形態(tài)的情況下，可以對焊縫質(zhì)量進(jìn)行定量分析。但是，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件而言，X射線會(huì)由于透射方向上存在結(jié)構(gòu)遮擋等問題，導(dǎo)致無法對焊縫進(jìn)行有效檢測，并且X射線無法檢測焊縫熔深。綜合而言，超聲檢測是車橋焊縫的最佳無損檢測手段。[3]

在眾多的行業(yè)領(lǐng)域，針對焊縫的超聲波檢測技術(shù)已報(bào)道了一些研究成果。例如，在對接鋼板焊縫檢測應(yīng)用領(lǐng)域，孫長河等人采用陣列式壓電微型超聲換能器，實(shí)現(xiàn)了對25mm厚度的標(biāo)準(zhǔn)對接鋼板試塊內(nèi)部進(jìn)行準(zhǔn)確識別，分辨率優(yōu)于1mm。[4]在油氣領(lǐng)域，羅更生等人提出采用相控陣超聲導(dǎo)波法對大曲率油氣對焊彎管的缺陷進(jìn)行成像檢測，可有效識別和定位彎頭和直管上的缺陷[5]。在艦船制造領(lǐng)域，曹艷等人搭建完整的系統(tǒng)架構(gòu)，采用超聲波無損檢測方法可以在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)地檢測出船體結(jié)構(gòu)的焊縫大小、形狀和所在位置。[6]

針對焊縫檢測，在與車橋廠的合作研究中，本論文引入了高精度超聲波相控陣檢測技術(shù)，通過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，及與金相檢測進(jìn)行比對，學(xué)習(xí)建立了一套超聲波相控陣檢測評價(jià)方法，對在役的橋殼進(jìn)行在役檢測，對橋殼的剩余壽命評價(jià)提供指導(dǎo)意義。

1 車橋焊縫超聲波相控陣技術(shù)檢測原理

1.1 原理闡述

相控陣成像是通過控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成成像掃描線的技術(shù)，可給出A型、B型、C型、P型及3D掃描成像。

相對于常規(guī)超聲檢測，超聲相控陣具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用電子掃描方式對工件進(jìn)行掃查，大大提高了檢測效率；

（2）利用可控的合成波陣面可適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀工件的檢測；

（3）通過控制合成聲束在空間中的焦點(diǎn)位置，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的檢測分辨力。

1.2 檢測方案

在檢測焊縫質(zhì)量期間需高度關(guān)注未熔合方面的危害，采取全面質(zhì)量管理體系落實(shí)質(zhì)量監(jiān)管與控制措施。為及時(shí)、高效、準(zhǔn)確的檢測出未熔合方面的缺陷，可采用超聲波相控陣扇形掃描技術(shù)，該技術(shù)對未熔合缺陷極為敏感。實(shí)施檢測前，必須做好充分的準(zhǔn)備工作，保證超聲相控陣儀器、相控陣探頭和楔塊等設(shè)備完好無損且性能穩(wěn)定。根據(jù)焊縫的材質(zhì)和厚度等特性，在儀器中預(yù)先設(shè)置頻率、波幅和掃描角度等合適的檢測參數(shù)，經(jīng)過模擬測試確定最佳的探頭測量位置和角度。

檢測步驟至關(guān)重要，必須嚴(yán)格按照流程操作。緊密貼合相控陣探頭與楔塊，并將其放置在焊縫表面預(yù)定位置。涂抹適量的耦合劑，保證順利傳入超聲波。啟動(dòng)儀器開展扇形掃描，密切觀察顯示屏上的波形變化，捕捉任何異?；夭?。在掃描過程中，實(shí)時(shí)分析獲取的數(shù)據(jù)，通過對比一次波和二次波的波形特征判斷是否存在未熔合缺陷。一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，利用技術(shù)定位功能準(zhǔn)確確定其位置、大小和深度，并評估其嚴(yán)重程度。

在檢測過程中，有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)需牢記。一是始終保持探頭與焊縫表面緊密貼合，避免接觸不良導(dǎo)致的誤判；二是針對不同位置和角度的焊縫，要及時(shí)調(diào)整探頭的位置和角度以獲得最佳檢測效果；三是在數(shù)據(jù)分析時(shí)，要結(jié)合焊縫的實(shí)際情況和波形特征作出綜合判斷，控制分析結(jié)果準(zhǔn)確無誤；四是對于發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷，要及時(shí)記錄并報(bào)告相關(guān)部門以便及時(shí)處理。

檢測工作完成后，還有一系列后續(xù)工作需要跟進(jìn)。根據(jù)檢測結(jié)果修復(fù)或處理發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷，采取切割、重焊等措施解決嚴(yán)重缺陷，輕微缺陷則可考慮局部修補(bǔ)。整理檢測數(shù)據(jù)并編寫詳細(xì)的檢測報(bào)告，報(bào)告中包含檢測時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備信息、檢測步驟以及發(fā)現(xiàn)的問題和處理建議等內(nèi)容。對本次檢測過程進(jìn)行總結(jié)并提煉經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，針對遇到的問題和困難提出改進(jìn)措施和建議為后續(xù)工作提供參考。對使用過的設(shè)備進(jìn)行清潔和保養(yǎng)以保證其處于良好狀態(tài)為下次檢測做好準(zhǔn)備。

2 檢測結(jié)果

2.1 檢測內(nèi)容及現(xiàn)有檢測方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲波相控陣的焊縫檢測性能，通過理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終選擇陣元數(shù)為32陣元，探頭頻率選擇10MHz，楔塊45度，設(shè)備選擇英國聲納超聲波檢測儀VEO+。檢測對象為車橋V型環(huán)焊縫，檢測的缺陷類型包括氣孔、夾雜、裂紋、未熔合等，其中主要以檢測未熔合為主。并與傳統(tǒng)的X射線和有損式金相檢測進(jìn)行對比，要求超聲波檢測效果與金相對比相吻合，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)未熔合焊縫。

如圖1所示，車橋V型環(huán)焊縫1號樣件 的金相圖像如（a）所示，顯示實(shí)測未熔合深度4.55mm。圖（b）為超聲波相控陣檢測結(jié)果，顯示在4.7mm處存在點(diǎn)狀未熔合。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知，超聲波檢測準(zhǔn)確捕捉到了未熔合區(qū)域，并且結(jié)果與金相圖像較為接近。

2.2 檢測結(jié)果分析

如表1和圖2所示，共進(jìn)行了37組樣件的檢測，金相與超聲波檢測的總體平均契合度達(dá)95.46%。其中，16組數(shù)據(jù)來自于汽車新橋樣件，金相與超聲波檢測的平均契合度達(dá)99.53%。其中，21組數(shù)據(jù)來自于汽車舊橋樣件，金相與超聲波檢測的平均契合度達(dá)92.36%。圖2（a）和（b）展示了具體每個(gè)樣件的金相與超聲波檢測的數(shù)據(jù)契合度情況。

通過超聲波相控陣無損檢測方法檢測車橋焊縫未熔合，經(jīng)過多次試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，分析誤差原因，契合度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：總體大于90%；能檢測到最小裂紋寬度，未熔合寬度為3μm，其中最小寬度的裂紋長度必須是連續(xù)的或密集的點(diǎn)狀未熔合；能檢測到最小寬度下的裂紋長度≥2mm。高精度超聲波相控陣檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車橋焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“可視化”診斷，實(shí)現(xiàn)了車橋焊縫內(nèi)部質(zhì)量精準(zhǔn)無損檢測，有效解決了車橋焊縫“防患于未然”。通過無損檢測可以監(jiān)控焊接工藝過程，對改進(jìn)焊接工藝，生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制起到促進(jìn)作用。降低了切檢金相的成本。通過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，及與金相進(jìn)行比對、學(xué)習(xí)建立了一套評價(jià)方法，對在役的橋殼進(jìn)行在役檢測，對橋殼的剩余壽命評價(jià)提供指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

本論文針對車橋服役過程中由于焊接質(zhì)量不良引起的交通事故，引入超聲波相控陣檢測技術(shù)來完成對車橋焊縫質(zhì)量的增強(qiáng)，通過大量的與金相檢驗(yàn)進(jìn)行比對的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，驗(yàn)證了超聲波檢測的準(zhǔn)確性，并建立一套超聲波相控陣的車橋焊縫質(zhì)量評價(jià)方法。相較于傳統(tǒng)金相檢測，該方法具有無損樣件的優(yōu)勢。相較于X射線檢測方法，超聲波檢測具有精度上的優(yōu)勢。該超聲波檢測方法可以通過監(jiān)控焊接工藝過程，對焊接工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制起到積極作用。此外，對在役的橋殼進(jìn)行在役檢測，可對橋殼的剩余壽命評價(jià)指導(dǎo)意義。相較于金相檢驗(yàn)，該無損檢測方法還具有成本優(yōu)勢。

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