基于熔寬的激光焊縫超聲波檢測成像分析

周廣浩 程志義 張 勇 杜雨欣 陳 磊 畢浩棋 李 洋

(中車長春軌道客車股份有限公司質(zhì)量保證部, 130062, 長春∥第一作者, 高級(jí)工程師)

激光焊接技術(shù)是薄板連接的一種經(jīng)濟(jì)有效的焊接方法，廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通行業(yè)等[1-3]。然而，激光焊接是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)過程，能量從激光束到板材極不穩(wěn)定。因此，研究一種有效評估激光焊縫質(zhì)量的方法是非常必要的[4]。

利用超聲波無損檢測技術(shù)可評估激光焊縫質(zhì)量。對于傳統(tǒng)的超聲波檢測方法，作業(yè)人員通常使用單晶探頭來分析回波幅值并判斷焊縫質(zhì)量。這種方法需要作業(yè)人員具備高技能水平，但很難獲取熔合區(qū)域的準(zhǔn)確信息。分析研究表明，激光焊縫熔寬能夠用來表征激光焊縫質(zhì)量。為此，本文利用二維陣列式超聲波探頭對激光焊縫熔寬進(jìn)行檢測，并對熔合區(qū)域進(jìn)行C掃描成像，從而建立一種基于熔寬快速評估激光焊縫質(zhì)量的方法。

1 激光焊縫超聲波檢測技術(shù)

本文選用母材厚度分別為1 mm和2 mm的SUS304奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接接頭形式為搭接。采用Nd:YAG固體激光器進(jìn)行激光焊接，激光束照射于厚1 mm的板材表面。焊接熱輸入和照射區(qū)域、熔池形貌如圖1所示。當(dāng)熔深超過厚1 mm的板材時(shí)，厚2 mm的板材開始熔化；冷卻后，形成了焊接接頭，兩層板材連接在一起。通過控制激光功率和焊接速度，可獲得不同種熔池形貌的焊接接頭。

圖1 激光焊縫的熔池形貌Fig.1 Pool morphology of laser weld

利用二維陣列式探頭對焊接接頭進(jìn)行超聲波檢測。檢測時(shí)，分別將焊縫長度和寬度方向定義為X向和Y向，如圖2所示。探頭由64個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元尺寸為0.4 mm(長度)×0.4 mm(寬度)，陣元間隔為0.1 mm，可獨(dú)立發(fā)射和接收超聲波縱波信號(hào)。64個(gè)陣元形成了8×8矩陣，可覆蓋4 mm×4 mm的檢測區(qū)域。

圖2 激光焊縫超聲波檢測示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser weld ultrasonic detection

檢測過程中，每個(gè)陣元依次激發(fā)和接收超聲波信號(hào)。為避免陣元間的影響，同一時(shí)刻僅激發(fā)1個(gè)陣元。當(dāng)所有陣元完成激發(fā)后，可采集到64組A掃描信號(hào)，每組信號(hào)可反映出搭接面處的熔合特征信息。通過處理信號(hào)，可構(gòu)建出搭接面處的熔合特征圖像。本文采用電子掃查替代了機(jī)械式掃查，檢測效率明顯提高(檢測時(shí)間小于1 s)。

2 激光焊縫超聲波檢測結(jié)果分析

2.1 焊接接頭A掃描圖像分析

在不考慮焊接缺陷(如氣孔、裂紋)的前提下，焊接接頭強(qiáng)度與搭接面處的熔寬成線性關(guān)系。因此，熔寬可作為評估激光焊縫質(zhì)量的重要特征參數(shù)。在檢測過程中，由于每個(gè)陣元所處位置的熔合狀態(tài)不同，所以陣元接收到的A掃描信號(hào)的特征也不同。因此，可將所有的特征信號(hào)提取出來，用于分析不同區(qū)域的熔合狀態(tài)。

在激光焊縫焊接接頭選取不同位置(見圖3)，進(jìn)行A掃描，掃描圖像見圖4。根據(jù)超聲波的傳播特性，當(dāng)陣元處于母材位置Ya時(shí)，超聲波信號(hào)在搭接面處發(fā)生反射；當(dāng)陣元處于Yc位置時(shí)，搭接面處的回波幅值大幅減小，究其原因是由于搭接面隨著母材的熔化而消失，超聲波信號(hào)主要由下層板底面反射回波組成；當(dāng)陣元處于Yb位置時(shí)，超聲波信號(hào)主要由搭接面反射回波和下層板底面反射回波組成。根據(jù)回波信號(hào)特征，可從不同陣元接收到的信號(hào)中提取出搭接面反射回波幅值A(chǔ)m。

圖3 陣元位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of array element position

a) 陣元處于Ya位置

2.2 焊接接頭C掃描成像分析

由上述分析可知，搭接面處不同位置的回波信號(hào)幅值不同，可根據(jù)不同位置搭接面處的A掃描回波幅值A(chǔ)m來構(gòu)建C掃描圖像。根據(jù)不同的回波幅值，利用灰度值構(gòu)建C掃描圖像，如圖5所示。

由于陣元尺寸的限制，原始C掃描圖像比較粗糙，獲得的熔寬尺寸精度并不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求，因此，可利用線性插值算法將圖像進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。

注：白色、灰色和黑色單元格分別代表母材區(qū)域、過渡區(qū)域和完全熔合區(qū)域的特征。圖5 焊接接頭的C掃描原始圖像Fig.5 Original C-scan image of welded joints

圖6 插值優(yōu)化后焊接接頭的超聲C掃描圖像Fig.6 Ultrasonic C-scan image of welded joints after interpolation optimization

當(dāng)焊接速度一定時(shí)，增加激光功率可加大焊接熱輸入。激光焊縫的熔寬和熔深隨著熱輸入的增加而增加。熱輸入直接影響到熔池和焊縫形貌。利用C掃描成像方法可獲得不同熱輸入的熔寬，如圖7所示。由圖7可見，搭接面處的熔寬隨著激光功率的增加而增加。由此可見，C掃描成像結(jié)果與激光焊接原理是一致的。

a) 激光功率為1.0 kW

3 基于熔寬的激光焊縫焊接質(zhì)量評價(jià)

3.1 等效熔寬的計(jì)算模型

由于激光功率、焊接速度等焊接參數(shù)的波動(dòng)，焊縫中某個(gè)截面的熔寬值也存在一定的變化。因此，對整條激光焊縫焊接質(zhì)量的評價(jià)顯得尤為重要。本文提出了等效熔寬De的概念，用以表征整條焊縫的質(zhì)量。

圖8 a)為從不同陣元位置采集到的搭接面回波幅值特征圖像。圖8 a)中，特征圖像分為高幅值區(qū)A、低幅值區(qū)C和過渡區(qū)B。其中，高幅值區(qū)A表示陣元位于非熔合區(qū)域，低幅值區(qū)域C表示陣元位于熔合區(qū)域；過渡區(qū)域B表示陣元的一部分位于熔合區(qū)域，而另一部分位于非熔合區(qū)域。將采集到的A掃描信號(hào)進(jìn)行投影，形成一條V型曲線，該曲線包含了等效熔寬De的信息。為簡化計(jì)算，可將該曲線近似成5條直線(見圖8 b))：2條高幅值水平線OP和NM，2條斜線PH和KN，1條低幅值水平線HK。等效熔寬De為：

De=LHK+kLPH+kLKN

式中:

LHK、LPH、LKN——分別為HK、PH和KN的長度；

k——修正系數(shù)，根據(jù)6 dB法則，k取0.5。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證等效熔寬計(jì)算模型，制作了對比試塊(見圖9)。對對比試塊進(jìn)行超聲波檢測，并計(jì)算等效熔寬。將De的計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對比，如圖10所示。由圖10可見，等效熔寬的計(jì)算精度很高，誤差小于0.05 mm，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

1) 通過對不銹鋼激光焊搭接焊縫超聲波掃描分析，搭接面處的回波幅值與探頭陣元的位置有著良好的對應(yīng)關(guān)系。

2) 根據(jù)不同的回波幅值可構(gòu)建C掃描圖像，并可通過插值算法將圖像細(xì)化，以提高圖像精度。

3) 基于C掃描圖像，建立了等效熔寬的數(shù)學(xué)模型，且該模型的計(jì)算精度能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

a) 搭接面回波幅值

a) 主視圖

圖10 等效熔寬的計(jì)算值與實(shí)測值對比Fig.10 Comparison between calculated value and measured value of equivalent melting width