點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的三種超聲測(cè)量方法比較

劉 凱

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，福建 龍巖 364000）

1 前言

點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的檢測(cè)方法可以分為破壞性試驗(yàn)和無損檢測(cè)，無損檢測(cè)方法目前應(yīng)用較多的有超聲檢測(cè)、電阻測(cè)量法、紅外檢測(cè)和X射線檢測(cè)方法等[1]。在點(diǎn)焊試件中，常見虛焊內(nèi)部存在嚴(yán)重缺陷，會(huì)極大降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度[2]。熔核直徑值可以反映焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，控制熔核直徑值在正常范圍內(nèi)可以有效防止虛焊。超聲檢測(cè)方法是通過測(cè)量點(diǎn)焊焊點(diǎn)的熔核直徑來判斷焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。目前，點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的超聲測(cè)量方法研究已取得較大進(jìn)展，應(yīng)用較多的有超聲A掃描法、超聲B掃描法和超聲相控陣法。文中將對(duì)這三種超聲測(cè)量方法的原理和掃描圖像特征進(jìn)行分析，并就優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

2 三種測(cè)量方法的原理

超聲A掃描圖像反映的是單一位置超聲波信號(hào)的回波幅值與傳播時(shí)間的關(guān)系，橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間，縱坐標(biāo)軸表示信號(hào)幅值。圖1列出了點(diǎn)焊焊點(diǎn)試件的母材、母材和熔核交界處以及熔核處的超聲A掃描信號(hào)。從超聲A掃描信號(hào)中可以得到超聲反射面距超聲入射面的距離，以及回波幅值的大小。超聲B掃描設(shè)備常見的有水浸超聲檢測(cè)設(shè)備，探頭可以沿X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向線性移動(dòng)，對(duì)每個(gè)掃查點(diǎn)的位置信息和超聲回波信號(hào)進(jìn)行記錄，所以超聲B掃描圖像可以顯示探頭掃描方向和超聲入射方向組成的縱截面信息，并用不同的亮度（或顏色）表示超聲回波信號(hào)的幅值，如圖2所示。橫坐標(biāo)軸表示探頭在試件表面的掃查位置，縱坐標(biāo)軸為超聲回波信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，顏色帶表示各超聲回波的組合。超聲相控陣法可以通過設(shè)置換能器陣列中各單位陣元發(fā)射脈沖的時(shí)間延遲，調(diào)整各單位陣元發(fā)射聲波到達(dá)物體內(nèi)部某個(gè)部位時(shí)的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)聲束在不同位置的聚焦。相控陣檢測(cè)設(shè)備主要由超聲采集裝置、相控陣探頭和計(jì)算機(jī)組成。超聲相控陣法不用像超聲B掃描法那樣移動(dòng)探頭進(jìn)行掃描，只須將探頭靜置于點(diǎn)焊焊點(diǎn)位置，即可得到探頭覆蓋區(qū)域內(nèi)平行于超聲傳播方向截面的超聲B掃描信息，如圖3所示。

圖1 點(diǎn)焊焊點(diǎn)的超聲A掃描回波信號(hào)圖

圖2 點(diǎn)焊焊點(diǎn)的超聲B掃描回波信號(hào)圖

圖3 點(diǎn)焊焊點(diǎn)的相控陣超聲回波信號(hào)圖

3 金相試樣制作及驗(yàn)證方法

將實(shí)驗(yàn)選用的LF6鋁合金點(diǎn)焊試件沿焊點(diǎn)圓心位置切開，制作金相試樣，在腐蝕試劑中放置3分鐘。如圖4所示，顏色較深的橢圓區(qū)域是焊點(diǎn)熔核區(qū)域，用直尺對(duì)熔核的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，可以獲得點(diǎn)焊焊點(diǎn)的熔核直徑實(shí)測(cè)值。

圖4 點(diǎn)焊焊點(diǎn)的金相圖

4 三種方法的測(cè)量結(jié)果比較

該實(shí)驗(yàn)采用的超聲波探頭頻率均為5MHz。為了對(duì)三種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，筆者用三種方法分別對(duì)29個(gè)厚度組合為1mm+2mm的LF6鋁合金點(diǎn)焊試件的熔核直徑進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值和金相試樣實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，繪制直方圖對(duì)兩者相對(duì)誤差的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，擬合正態(tài)分布曲線對(duì)兩者相對(duì)誤差的集中位置和變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。

對(duì)于超聲A掃描法，當(dāng)超聲回波幅度低于設(shè)定的閘門高度時(shí)，可以認(rèn)為該位置處于焊點(diǎn)熔核范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)選取閘門高度為5%和10%時(shí)，對(duì)熔核直徑進(jìn)行測(cè)量，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖5(a) 中正態(tài)曲線的均值為0.070，方差為0.054。圖5(b) 中正態(tài)曲線的均值為0.158，方差為0.085。

圖5 超聲A掃描法實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)于超聲B掃描法，測(cè)量值與熔核直徑實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖6所示，正態(tài)分布曲線的均值為0.212，方差為0.096。

圖6 超聲B掃描法實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

該實(shí)驗(yàn)選用的相控陣探頭總晶片數(shù)為64片。為探討晶片組和掃描步長(zhǎng)對(duì)相控陣法測(cè)量結(jié)果的影響，筆者設(shè)置了12種檢測(cè)模式，分別將3晶片、8晶片、12晶片和16晶片設(shè)置為1個(gè)晶片組，與0.5晶片、1晶片、2晶片的掃描步長(zhǎng)兩兩搭配成一種檢測(cè)模式進(jìn)行試驗(yàn)。以3晶片為1個(gè)晶片組，0.5晶片為掃描步長(zhǎng)的檢測(cè)模式為相控陣法1，以3晶片為1個(gè)晶片組，1晶片為掃描步長(zhǎng)的檢測(cè)模式為相控陣法2，以3晶片為1個(gè)晶片組，2晶片為掃描步長(zhǎng)的檢測(cè)模式為相控陣法3，以8晶片為1個(gè)晶片組，0.5晶片為掃描步長(zhǎng)的檢測(cè)模式為相控陣法4，以此類推。

不同測(cè)量方法結(jié)果的正態(tài)分布均值和方差如表1所示。

表1 不同測(cè)量方法的結(jié)果比較

從表1中可以看出，超聲B掃描法和閘門高度10%的A掃描法的相對(duì)誤差均值的絕對(duì)值大于10%，其余方法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均值的絕對(duì)值均小于10%。超聲A掃描法和B掃描法測(cè)量結(jié)果的方差較小，說明這兩種方法測(cè)量結(jié)果誤差的波動(dòng)性較小。相控陣法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均值較小，但方差較大，說明相控陣法測(cè)量結(jié)果誤差的波動(dòng)性較大。在相控陣法的12種檢測(cè)模式中，相控陣法1的均值和方差最理想，說明選用較小的晶片組和掃描步長(zhǎng)得到的測(cè)量結(jié)果較精確。超聲B掃描法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均值偏大，但方差很小，說明超聲B掃描法的測(cè)量結(jié)果誤差的波動(dòng)性較小，相對(duì)誤差分布范圍較集中。利用這一特性可以通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，總結(jié)出誤差分布規(guī)律，擬合出經(jīng)驗(yàn)公式加以修正，從而降低誤差值。

5 結(jié)語

對(duì)比點(diǎn)焊焊點(diǎn)熔核直徑的三種超聲測(cè)量方法，可以發(fā)現(xiàn)超聲A掃描法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精度較高，測(cè)量穩(wěn)定性較強(qiáng)，而且設(shè)備便宜、便攜性好，缺點(diǎn)是超聲A掃描法在實(shí)際檢測(cè)工作中效率低，測(cè)量結(jié)果容易受檢測(cè)人員技術(shù)水平高低影響；超聲B掃描法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)效率較高、測(cè)量誤差雖比A掃描法大，但可以通過經(jīng)驗(yàn)公式修正，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、便攜性差；相控陣法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)效率高、便攜性好，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、檢測(cè)誤差波動(dòng)性較大。雖然目前相控陣法的測(cè)量結(jié)果不夠理想，但它擁有檢測(cè)效率高和便攜性好的先天優(yōu)勢(shì)，而檢測(cè)精度可以通過選用分辨率更高的探頭、優(yōu)化檢測(cè)模式等方法來提高。相信隨著技術(shù)不斷發(fā)展，相控陣法在不遠(yuǎn)的將來一定可以在點(diǎn)焊焊點(diǎn)無損檢測(cè)領(lǐng)域占據(jù)更重要的地位。