超声合成孔径聚焦技术在点焊质量检测中的应用

GXF360 2019-10-27

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0 前言

电阻点焊是薄板焊接最常用的焊接方式之一，具有焊接速度快、焊接成本低、操作简单以及易于实现机械化和自动化等优点，在航空航天、汽车等领域得到越来越广泛的应用[1-4]。由于点焊的焊接面积小，若焊接工艺控制不良容易造成熔核尺寸小、气孔等缺陷，而点焊接头质量又直接决定了产品力学性能的好坏，因此需对其进行无损检测。

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航天点焊产品传统的质量检测方法是通过射线方法检测焊接缺陷，同时通过拉剪和金相试验，测量焊点的熔核尺寸；该工艺不仅操作繁琐，且旁证方法属于破坏性试验，无法实现产品质量的一一对应。因此文中主要针对航天钛合金电阻点焊产品，开展超声合成孔径聚焦检测技术研究，同时实现焊点的缺陷检测和熔核尺寸测量，为点焊质量的综合评定提供参考依据。

1 超声合成孔径聚焦原理

超声合成孔径聚焦技术(Synthetic aperture focusing technique，SAFT)实际上在相控阵超声的基础上，通过改进算法实现的一种全聚焦技术，其基本原理如图1所示。

由图1可知，64阵元的相控阵探头的压电晶片按照P1，P2，P3…的顺序依此发出扩散型超声波，P1晶片发出的超声波经过反射后由P1-P64晶片接收，即形成了一发多收的模式。以被检件中反射体A点为例，A点接收到P1发射的超声波并反射，由P1到P64晶片全部接收，这就相当于A点成为了一个超声波发射源，此时，将P1→A→P1路径上超声波传播时间内的反射回波强度叠加到元素A上，同样P1→A→P2，P1→A→P3…进行同样的处理，即将所有晶片接收到的64个反射信号叠加到元素A上；同样，P2晶片发出的超声波经过反射后到达A点后由64个晶片接收，也形成64个回波信号，依此类推，相控阵探头发射的64 回波经过A点反射后共收到带有A点信息的4 096个回波信号和数据，将所有信号进行自适应加权叠加算法，可大大降低噪声干扰，提高检测灵敏度，消除超声检测盲区，形成了A点的成像化数据。。同理，物体内其它任意一点均可视为一个超声波发射源，并均获取4 096个回波信号，从而实现被检产品内部的全聚焦，这就是合成孔径聚焦算法[5-6]。

图1 超声合成孔径聚焦检测原理

文中采用Matrixeye EX型合成孔径聚焦超声检测仪和64晶片相控阵探头，探头频率15 MHz，相控阵面阵列探头外形尺寸12 mm×12 mm，可以覆盖整个点焊区域的面积，探头接触焊点即可成像，设备如图2所示。检测焊点时，将探头耦合在焊点位置进行数据采集和处理，即可获得焊点的检测图像和信息，并根据设定闸门进行自动判定，检测效率可得到很大提升，且适合于现场检测。

图2 合成孔径聚焦超声检测仪

2 检测对象

文中试验所采用的点焊试片为钛合金TC4板材，与该产品原材料一致，试片尺寸100 mm×25 mm，厚度1.5 mm，状态为退火态；焊接采用S0432NT型点焊机，电极材料为氧化铝铜，电极直径为8 mm，焊接时采用固定点焊压力和时间，调节焊接电流的方式，制作出一批带有气孔、缩孔、夹杂和裂纹等典型缺陷的试块，针对试块开展合成孔径聚焦超声检测，以分析缺陷检测原理和检测图像特征，从而得出典型缺陷的识别方法。

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3 缺陷检测原理及识别方法

3.1 孔洞类缺陷识别方法

如图3所示，焊点存在一处孔洞类缺陷，由于缺陷超声检测原理是利用声波的反射，图中所示缺陷反射波位置与单层板反射波接近，因此,C扫图像中两位置图像均显示为红色，焊核完好部位超声穿透底面后再返回，这表示点焊完好部位反射信号为焊点的底波，显示为绿色。

图3 超声检测和C扫图缺陷显示原理

实际检测图像如图4所示，将光标分别置于缺陷处和良好部位，观察B扫图像和A扫波形的差异。由图中可见，缺陷部位的B扫图像中横截面的中心存在明显的反射信号，且底波明显降低，在A扫波形上，缺陷的存在导致底面多次回波和缺陷波交替出现，呈现的A扫波形杂乱无章。而良好部位处B扫图像中可清晰看到底面的多次底波反射，中间无明显的反射信号，且A扫波形为依次递减的多次底面回波，整体波形的规律性很强。

图4 焊点检测图像

由此总结，典型的焊核内部孔洞类缺陷信号(气孔、缩孔、夹杂等)应具有以下特征：①C扫描图像缺陷信号颜色(红色)不同于背景颜色(绿色)；②B扫图像中，界面波和底面波中间存在明显反射信号，底波明显降低；③A扫波形中可见缺陷波，导致底面回波呈现杂乱。

3.2 飞溅、裂纹等缺陷识别方法

根据超声检测原理，反射信号出现在单层板厚度位置，超声波通过裂纹或飞溅后再反射回表面，因此反射波出现在一次底波之后，将呈现出与红色背景不一致的图像，此时根据缺陷位置不同所呈现的检测结果也有所不同。

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当缺陷位置只与一侧母材接触时，多余金属未与上下板完全贴合，超声波通过飞溅或裂纹后反射，未透射第二层板，此时回波信号代表的透射厚度为单层板厚+缺陷厚度，C扫图显示为与红色较为相似的黑红色，如图5所示，此时缺陷部位的A扫波形与单层板位置有明显差异，采用灰色显示可更为直观看出飞溅或裂纹图像显示。

当缺陷位置与两侧母材均有接触时，多余金属与上下板连接为一体，超声波通过缺陷后再透射至第二层板厚，此时回波信号代表的透射厚度为单层板厚+缺陷厚度+单层板厚，透射厚度接近于焊核部位，因此C扫图上显示为与焊核部位一致的绿色，如图6所示，此类情况也可视为焊核异形。

图5 单侧母材接触缺陷检测原理及图像

图6 双侧母材接触缺陷检测原理及图像

根据上述两种类型缺陷识别方法，结合超声A,B,C型图像显示，可对点焊缺陷进行检测和评价。

4 点焊试样缺陷检测结果分析

针对气孔、缩孔、夹杂、飞溅、裂纹等常见缺陷，进行合成孔径聚焦超声检测，同时采用X射线检测其内部缺陷，以便对比辅助验证。

对于内部气孔、缩孔等孔洞类缺陷检测，结果如图7所示，超声和X射线图像均很明显，可直接通过超声C扫图像进行判定。

图7 孔洞类缺陷检测原理及图像

采用预置钢丝的方式制作夹杂缺陷，检测结果如图8所示，当出现金属夹杂物时，超声检测可发现缺陷，但图像较为紊乱，不如射线检测清晰直观。

图8 夹杂缺陷检测图像

一般焊接电流过大时会产生飞溅缺陷，飞溅较小为放射状时，多余金属未连通上下板，超声C扫图像上缺陷显示为红黑色弥漫型，如图9a所示。相比较而言，图9b所示的X射线检测图像更为直观。

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图9 较小线形缺陷检测原理及图像

当飞溅较大，形成体积型并超出焊点范围时，C扫图像上显示为焊点外部的绿色显示，如图10所示，检测图像与X射线检测相一致。

图10 较大线形缺陷检测原理及图像

裂纹缺陷显示与飞溅一致，为红黑色显示，如图11所示，采用灰度辅助显示更为直观。X射线底片上可清晰识别该裂纹，与超声结果相互验证。

②通过水文测流，率定流量经验公式，即流量大小与上游水位、下游水位、闸门开高的关系。闸门开启的高度e可根据调度设定的流量Q设、上游水位H、下游水位h计算得出。

图11 裂纹缺陷检测图像

由检测结果可见，采用合成孔径聚焦超声技术对点焊接头进行检测时，可识别所有预制的气孔、夹杂和内部飞溅等缺陷，且与射线检测可形成对应，验证了缺陷识别方法的可靠性。此外，合成孔径聚焦技术可测量熔核尺寸，该组数据可作为点焊质量好坏的判据，而射线检测只具备缺陷检测功能。

（2）综合评价结果显示，对DICSSAC方案实施效果影响较大的因素主要是能够反映方案实施的直接技术和经济指标，如汽轮机背压降、汽轮机背压波动和冷凝器传热端差，而方案实施所带来的间接影响对方案实施效果的整体评价影响不大，如汽轮机排气阻力损失、机组增发电量和系统煤耗降。

5 熔核尺寸测量

超声检测技术通过多次回波判断边缘信息，从而测量焊点的熔核尺寸[7-9]。调节工艺参数，制作了熔核尺寸不同且无内部缺陷的8个焊点，采用合成孔径聚焦超声检测进行焊核尺寸测量，测量完成后记录数据，沿焊核中心解剖后采用金相检测的方法进行尺寸测量，将两者进行对比分析。

其中一个焊点的测量结果如图12所示，合成孔径聚焦超声检测测量的焊核长轴直径为8.14 mm，焊核短轴直径为8.06 mm，平均焊核直径为8.10 mm，金相测量结果为7.84 mm。

“风险识别是个渐进的过程，开始阶段往往发现的风险源、风险点不够多，覆盖面也不够，随着对风险管理相关理论方法的了解，风险点的识别逐步丰富完善。”沈崇德回顾。

全部焊点检测对比结果见表1，合成孔径聚焦超声技术测量值一般比金相测量值偏大，误差均在10%之内。考虑到试块剖开位置并非完美的直径位置，因此金相测量结果往往略小于实际焊核直径，且金相测量也存在一定误差，综上所述，文中认为合成孔径聚焦超声检测的熔核尺寸测量值为可靠值，可以作为对焊点质量进行综合评价的参考依据。