0 前言电阻点焊广泛应用于金属板之间焊接的连接，并成为公认的最快最经济的焊接方式。点焊自身的优点使其成为汽车、航空、金属加工业等行业中最高效和最具有竞争力的焊接手段[1-2]，尤其在汽车和航空工业[3]。 点焊属于压力焊的一种[4]，是在热与机械力作用下形成焊点的过程，热作用使焊件结合面母材金属熔化，机械力作用使焊接区产生必要的塑性变形，两者适当配合和共同作用是获得优质点焊接头的基本条件[5]。点焊的焊接工艺使其具有如下优势[6-8]：无需填充材料、操作简便，成本低，速度快，生产效率高，易于在生产线上实现自动化等[9]。 在汽车行业，电阻点焊是最常用的焊接方式[3]。电阻点焊用于金属板的焊接制作已经具有近几十年的历史[8]。汽车或轨道车辆的车架和车身上金属板主要的焊接形式都是点焊[10]，中等大小的客运车辆平均具有5 000个焊点[11-12]。以美国制造的汽车为例，车身上的点焊数量大约为4 000～7 000，车身结构的可靠性和乘客安全很大程度上依赖于可靠的焊接质量。 然而，由于电阻点焊焊接过程短暂而复杂，焊接过程中熔核的形成是看不见的，不可能通过视觉直接观察熔核来判断焊接质量。在这一短暂的过程中，电阻点焊的焊接质量受到诸多因素的影响，点焊是电、热、机械、化学和冶金学等多种现象相互作用的结果，其质量很大程度上依赖于焊接操作过程，与工件表面条件、电极尖端与工件表面的吻合情况、焊接电流大小、焊接时间、电极压力、电路阻抗、分流效应等参数都有关系[13]。焊点或焊缝的应力状态、焊件的断裂韧度以及焊接处异常也是引起焊接处质量问题的重要因素。在焊接过程中，这些焊接参数的波动可能导致焊核直径不足、虚焊、过焊，焊核中存在焊接缺陷等问题[14-15]。因此，对点焊接头进行监测和检测是非常必要的，也是一项非常有意义并使很多人受益的工程，但同时也是一项非常艰巨的任务。 1 点焊的质量检测手段点焊的质量监测和检测手段主要有破坏性检测(Destructive Inspection,DI)和无损检测(Non-destructive Inspection, NDI)两大类。 传统的破坏性测试的过程是撬开或者凿开点焊焊接的金属板或者将焊接在一起的金属板剥离，然后对焊点进行检查，通过这种剥离试验或抗剪试验检测点焊的质量或强度。目前，工业点焊质量评估用得最多的方法还是破坏性检测的方法[16]。中等大小的客运车辆平均具有5 000个焊点，若采用破坏性检测手段检测所有的焊点，需要耗费大量的时间、精力，一旦检测出缺陷，相关的部件就必须废弃。伴随着这种破坏性检测过程，每年每个汽车加工厂要丢弃价值数百万美元的金属材料，造成严重浪费。另外，只能对部分点焊抽样检测，不能实现所有点焊的全覆盖检测。即使在撬开后，通过裸眼视力也不能直接辨识合格点焊和不合格点焊之间的具体差异。因此，这种破坏性检测具有效率低下、劳动力耗费严重、浪费严重、成本高、检测范围不全面等缺点[17]。但是，这种检测方法相对来说具有更高的可靠性。 点焊无损检测中最重要的手段是超声波检测(UT, Ultrasonic Testing)。研究表明，UT结果与破坏性检测的结果具有很好的相关性[18]。根据不同程度的检测要求， UT检测技术的检测过程可以进一步分为两个阶段：①检测与定位;②定征和缺陷的定量。超声波检测技术具有众多优点：①可检测表面以及内部特征或缺陷;②检测灵敏度高;③检测过程便捷和高效;④节约成本;⑤便于实现自动化等。主要的限制在于，基于A模式扫描信号的检测系统，对操作人员操作技能和经验要求比较高，需要具有一定的设备操作技能和信号分析能力；对于信号的识别和点焊焊接质量的分类与判别带有主观性。 点焊无损检测中另一重要的手段是在线焊接参数监测[19-20]。近几年，人们开始使用在线焊接参数监测的方法无损地对点焊进行质量检测。在线监测的原理[21-22]是这样的：点焊焊接过程中，伴随着熔核的形成会出现一些关联的现象和特征，通过监测焊接过程中出现的这些现象和特征，可以监测点焊质量。尽管在线监测和控制点焊质量的方法尚没有得到充分地验证，但是这种方法仍然可能是比较理想的、有前景的方法。在线监测的参数或特征可以概括为两类：①电相关参数，如动态电阻、输入阻抗等；②与机械响应相关的参数，如焊接电极位移、电极压力、声发射等。 与利用在线焊接参数模糊分析的手段相比，UT和破坏性检测可以对点焊的焊接情况进行直接定量评估。 2 点焊超声波检测系统现状传统的点焊超声波检测系统多采用高频聚焦超声换能器借助于特殊设计的探头结构采用脉冲反射法对点焊进行A扫描，检测时需要手持设备前端，放置于点焊正上方。近年来，点焊接头质量评价方面正逐步融入新的超声波检测技术。国内外学者通过分析超声波 C 扫描图像特征来检测点焊质量[23]，如测量点焊熔核直径，这种技术采用的超声波系统较A扫描系统要复杂些，称为点焊超声波C扫描系统。 化州柚花挥发油的GC-MS分析及其对肺癌细胞A549增殖、迁移的影响研究 ……………………………… 李武国等（22）：3093 根据超声波系统硬件实际具有的独立工作的通道数目，可以将现有的点焊超声波系统归为两类：①单通道超声波检测系统;②多通道超声波检测系统。对于单通道检测系统，根据超声波换能器是否能够机械移动扫描，又可以细分为：常规单通道系统[24]和单通道扫查系统[25]。前者探头位置固定不动，后者探头可以做二维机械平动或机械平移加旋转移动。传统的手持式A扫描点焊超声波检测系统多为常规单通道检测系统。 2.1 常规单通道系统常规单通道系统多采用脉冲反射回波法进行检测，常用带有水膜延迟结构的高频接触式点焊专用探头，内置一单晶高频超声波换能器(中心频率约15 ～ 20 MHz)，采用手持方式将探头放置于点焊正上方进行检测，设备显示A模式回波波形。系统结构如图1所示，探头水膜延迟结构细节图如图2所示[26]。  图1 GE点焊超声波检测系统SpotChecker  图2 点焊单晶超声波换能器结构 国外典型的常规单通道系统代表有美国通用电气公司(General Electric Company,GE)的SpotChecker便携式车身焊点探伤仪、美国Roman Gr Maev等设计的点焊质量超声波在线监测与反馈系统[27]、以色列的ScanMaster 超声波汽车点焊检测仪 UT/MATE。SpotChecker便携式车身焊点探伤仪是比较典型的产品，已经有不少汽车厂商使用。Roman Gr Maev等设计的点焊质量超声波在线监测与反馈系统已申请了相关专利，该系统焊接电极中至少安装一个超声波换能器，通过超声波信号谱分析，分析出点焊的大小、厚度、位置、熔核成形的动态过程及点焊质量信息。该系统不仅可以通过一个探头采用脉冲回波法进行测试，还支持双探头采用透射法进行检测，甚至是两种方式结合起来的检测。 常规单通道系统相对于多通道系统具有简单、便携、成本低的特点，但也存在一些问题。系统对于探头和检测对象之间的接触面的倾斜角非常敏感，倾斜角度不正确时甚至导致操作者难于区分好点焊和粘连点焊，尤其是对于一些镀层的高强度钢的检测，这种问题更加明显。而且，这种系统由于换能器的位置固定，换能器孔径的选择比较考究，一般原则是换能器孔径应该与最小可容忍的熔核直径相当[28]，当检测部件点焊直径不同时，系统需要根据点焊熔核的尺寸更换不同孔径大小的超声波换能器。因此，这种常规单通道A扫描检测系统对操作者的操作经验和技能的要求更高。 2.2 单通道扫查系统单通道扫查系统是在常规单通道系统的基础上，添加了使超声波换能器旋转或平移的机械装置，使换能器在一定范围内进行机械运动，完成对某一范围或区域的扫查，并最终给出该区域或界面上的二维或三维图像。运动方式主要有机械平移或者平移加旋转扫描[29]两种方式。机械平移又可以是连续或者单步的形式。 超声显微镜就是一种典型的单通道超声扫查系统，可以用于在实验室条件下对点焊样本的检测。超声扫描显微镜如图3所示。有不少研究人员在实验室条件下使用超声显微镜对点焊样本进行C扫描成像。在检测时，为了达到高分辨率，超声显微镜的换能器压电晶片产生的平面波用特殊的声学透镜聚焦，结合机械扫描装置实现扫描检测。扫描检测时探头和工件都浸入到液体(通常是水)中，液体作为超声波传播过程中的耦合剂。超声显微镜的聚焦探头示意图如图4所示。一般在进行C扫描时采用的检测路径如图5所示。  图3 德国AM-300 超声扫描显微镜  图4 聚焦探头聚焦示意图  图5 超声波C扫描检测路径示意图 典型的单通道扫查系统有荷兰Amsterdam Technology公司的MiniScanner、美国的Marvin F. Fleming等设计的基于聚焦探头的二维扫查系统。MiniScanner是比较有代表性的一款产品，它的探头有一个水膜结构，内置高频超声波换能器和冷却水，膜的外侧通过油与点焊耦合，如图6所示。探头在封闭腔内做圆周运动的同时向一侧做平移运动，如图7所示。Marvin F. Fleming等已经申请了二维扫查探头系统的相关的专利。Marvin F. Fleming等设计的系统的探头的外观如同铅笔，内部采用聚焦探头，换能器的扫查路径也是“S”形扫描，如图5所示，支持A，B，C三种显示方式。文献[29]采用机械装置的旋转，结合反射的机理，巧妙实现了声束的偏转，最终实现了对点焊的连续二维扫查。 例10：校园歌舞表演片段，可以在后期剪辑时适当添加多种多样的转场效果，还可以利用“画中画”滤镜，设置移动路径，从无到有、大小渐变、旋转翻转、倒影阴影、定格动画等，产生较强的艺术效果，给观众以新颖、活泼、明快、变幻无穷的感觉，使表演气氛更加热烈浓厚。 此外，还可以指导学生探讨屠格涅夫的《做脏活的工人和白手的人》对《药》的创作带来的影响。《做脏活的工人和白手的人》叙述的是一个白手的人，尽管他已经可以过着优裕的生活，但他决定放弃自己的安逸生活，加入了十二月党，从此投身革命，为改变穷苦百姓的命运而奋斗。就是这样的一位革命者，后来被捕入狱了，并被处绞刑。可悲的是，穷苦的百姓，如小说中的做脏活的工人，并不理解白手人的革命理想，对他的死漠然和麻木，甚至还策划着要得到绞死白手人的那根绞索，因为他们相信那根绞索能给他们带来好运。 国内吉林大学的徐国成教授的研究团队研发的便携式点焊C扫描检测系统也属于单通道扫查系统，如图8所示。该系统的二维扫描运动机构由两台微型步进电机驱动，带动超声波探头作二维平面运动。扫描运动步距在0.02～1.6 mm 的范围内可调，以满足不同的扫描检测精度要求。计算机通过电机驱动模块控制超声探头的扫描运动，并协同控制超声检测模块实现对点焊接头的步进式检测。自动扫描检测的扫查范围、检测步距等参数可通过计算机的人机交互界面在一定的范围内进行设置。  图6 荷兰Amsterdam Technology公司的MiniScanner  图7 miniScanner探头扫描路径  图8 吉林大学点焊超声波检测试验系统 2.3 多通道阵列系统点焊的多通道超声波检测系统多采用阵列换能器，通过电子方式控制通道的切换或者声束的偏转或聚焦，最终实现对点焊的二维或者三维扫查。 比较有代表性的点焊多通道超声波检测系统有日本东芝的MatrixeyeTM[30]、加拿大TESSONICS 公司的RSWA、德国VOGT Ultrasonics公司的 PHAsis®one，美国爱迪生焊接研究所(EWI, edison welding institute)的点焊超声成像系统SpotSightTM 。MatrixeyeTM是目前较先进的点焊专用多通道阵列检测系统，已经出售给多家科研单位。MatrixeyeTM系统如图9所示，其探头结构如图10所示。MatrixeyeTM和RSWA采用的换能器都是二维阵列(面阵)。EWI SpotSightTM采用的换能器是三维阵列(曲面)，如图11所示。 目前来说，真正集成到实际的汽车生产线上的点焊超声波检测系统几乎没有。文献[31]指出超声波检测系统RSWA已经用于实时检测的工业环境中，并用于对北美、欧洲汽车制造商提供的点焊样本的分析中，但是否已经在实际的汽车焊接生产线上实时检测有待于进一步考证。 典型的单通道扫查和多通道阵列系统产品比较见表1。  图9 MatrixeyeTM系统图  图10 MatrixeyeTM系统相控阵探头的构造图  图11 EWI SpotSightTM系统采用的三维阵列 表1 典型的单通道扫查和多通道阵列系统产品比较 名称厂家通道数扫描模式扫描精度(Δx×Δy×Δz)/(mm×mm×mm)检测每个点焊的时间t/s换能器类型中心频率f/MHz扫描区域(x×y)/(mm×mm)MatrixeyeTM日本东芝64/256A/B/C0．6×0．6×0．23面阵相控阵8×810～1512×12RSWA加拿大Tessonics52A/B/C1．25×1．25约1/3面阵(52阵元)15～2010×10EWISpotSightTM美国EWI≥64A/C0．54×0．54约0．53D曲面阵128×8PHAsis®one德国VOGTUltrasonics16/128D<0．35×0．253～5面阵相控阵11×11209×9AMSTech荷兰AmsterdamTechnology1A/C0．1×0．14单晶3512×25便携式电阻点焊超声波检测系统中国吉林大学①1A/C0．08×0．08420单晶聚焦1516×16 注：①吉林大学的系统的数据是典型应用配置下的数据，其扫描精度在一定范围可调，最大扫描区域是20 mm×20 mm。 3 点焊超声波检测方法从不同的角度，点焊接头缺陷超声检测方法有不同的分类。根据检测原理的不同，一般分为3种，即反射法、透射法和谐振法，有时也会将反射法和透射法结合起来使用；从A扫描信号处理的角度讲，可分为时域、频域和包络谱域分析法；从探头的入射方式角度，又分为直入射和斜入射两种。传统的脉冲反射回波法一般采用直探头直入射方式。目前，采用斜入射法对点焊接头质量进行检测研究的文献很少。 对于A扫描信号处理方法，具体来说，时域分析法一般思路是在A扫描超声回波时域信号某个特定的时间位置添加一个或多个时间窗，或者提取时间窗内信号的幅度信息[32]或若干时间窗内幅度的比值信息[38]、或者采用多次回波或者透射信号的幅度衰减特性、或者采用点焊底面或者交界面处的回波的传播时间(在时间轴上出现的位置)，分析点焊熔核状态，最终对点焊质量进行分析和检测。频域分析的一般思路是通过傅里叶变换(Fourier Transform,FT)或其他变换将时域信号转换到频域，然后通过特定频率窗内幅度信息或者特定频率点间的频率关系分析点焊的质量情况。包络谱域分析法的思路是在对时域信号提取包络后再对包络信号进行变换域分析，以提取包络中与点焊厚度信息直接相关的频率成分，并以此为依据分析点焊质量。 例如，教师可以从最基本的启蒙诗词《静夜思》入手，通过为幼儿讲解著名诗人李白创作这首古诗的背景，进而激发幼儿的阅读兴趣。具体来讲，教师可以如是说：“小朋友们，今天我们来一起学习一首古诗，诗的名字叫做《静夜思》，这首诗由我国著名诗人李白所作，李白在创作这首诗的时候，正处于一个皓月当空的深夜，你们想知道作者怎样结合深夜意境创作出这首诗的吗？”幼儿异口同声：“想。”如此，便可以有效激发幼儿的阅读兴趣，继而培养幼儿良好的阅读习惯。 4 点焊超声波C扫描成像点焊的C扫描成像方法可以直观地看到与焊点双层板交界面平行的平面上的点焊二维图像，可以清晰地显示点焊熔核形状以及内部缺陷，因此，绝大数具有扫查功能的点焊超声波检测系统最终都会给出焊点的C扫描图像。C扫描图像的获得是通过对大量的A扫描信号进行特征提取(如幅度或幅度比、回波位置、频域幅度、频率间隔以及包络谱域中的幅度)，然后利用这些特征值经过进一步处理，与像素之间建立对应关系，最终得到C扫描图像[33]。这些特征是在上一节介绍的时域、变换域分析的基础上提取出来的。这些A扫描信号是通过沿特定的机械扫描路径扫描(单通道扫查系统)或声束偏转或移动扫描(多通道阵列系统)获得的，包含了点焊焊接区域不同位置处的信息。典型的C扫描成像如图12所示。 图12 MiniScanner C扫描成像(2层板，焊点内部有气孔) 5 点焊超声波检测面临的难题点焊超声波检测主要的难点在于以下几个方面： (1)金属板比较薄，对换能器中心频率要求比较高。研究表明，大部分点焊应用场景，焊接金属板厚范围为0.7～2 mm，属于薄板检测的范畴。要想区分不同界面上的回波信号，需要高频、宽带、高阻尼的换能器，因此比常规的焊缝检测对换能器的要求更高。用于点焊检测的超声波换能器频率范围一般为0.5～100 MHz。 开幕式上，杭州西湖博物馆潘沧桑馆长代表展览承办方致辞；国家艺术基金项目“纳西族东巴画艺术百年展”负责人、丽江师专东巴艺术学院副院长潘宏义介绍了项目的巡展情况；项目参展艺术家代表、丽江市美术书法摄影家协会主席兰碧瑛研究员代表参展画家讲话；丽江师范高等专科学校校长张洪波教授代表项目主办单位致答谢词。 (2) 对于常规单通道检测系统来说，点焊检测对探头中心的位置及探头相对于点焊的取向非常敏感，有时候甚至导致点焊质量的判别出现截然不同的结果，对操作者的操作技能和手法要求也很高，且不同的熔核直径需要不同孔径的探头来检测，需要随时根据待检焊点大小所属的直径范围更换探头。 (3) 点焊表面压痕的影响。压痕影响超声波传播过程，在脉冲反射法中，压痕散射导致一部分超声回波超出接收孔径范围，不能被接收换能器所接收，这将影响熔核形状和大小的准确估计。 中午大家都在工地吃饭，有时迎面一阵风，刮得满碗都是土，就用水冲冲，继续吃。傍晚，大卡车来接大家回驻地，有的累得上不去车，当卡车颠簸着向驻地行驶时，有人竟站着打起磕睡来。尽管生活艰苦，大家毫无怨言。团总支和工会还组织了后方服务队，为前线的工人洗衣、送饭，把同志间的温暖带到施工前线，送进每个人的心田。 两兄弟便相依偎着坐在屋角，静静地听着这个催人肠断的哀乐。音乐结束，阿里轻轻地说了一句：“姆妈睡着了。”说完，他就迷糊了起来。 (4) 超声波检测系统与汽车自动焊接生产线的集成存在困难。文献[24,31]将超声波换能器集成于装有冷却水的电极中，采用脉冲反射法获取信号，在焊接的同时完成焊点的检测。汽车焊接现场噪声复杂，有多重噪声源，如冷却水中的气泡、换能器周围的温度变化，电磁噪声，变压器、伺服电机噪声等，这种方法最大限度地保留原有生产线的现状，但对于如何从被噪声污染的信号中提取有用信号成分和信号特征提出了更高的要求。若不采用这种在焊接电极中植入探头的方式，超声波检测系统的引入对于汽车焊接生产线的改动可能就比较大，可能对高昂生产线造成较大的影响，从而被汽车生产商拒之门外。 6 发展趋势为了提高车体硬度、降低事故风险、减小车重和节约燃料，加之法律规定和环境保护的要求，先进的高强度材料(如高强度钢)和轻质材料(如铝制材料)在汽车工业中不断地推广开来[34-35]。 新型材料的使用，给原有的生产制造过程引入了许多挑战。传统的破坏性检测方法对于新型高强度钢来说，检测结果也已经不够准确。为了确保新材料的安全使用，汽车工业必须引入更加合理的检测手段或方法来取代破坏性检测。另外，汽车行业呈现的另一趋势是每个车辆身上的点焊数量逐渐减少，这对点焊质量和强度的要求越来越高，对无损检测技术的检测精度和准确度的要求也越来越高。近年来，点焊接头质量评价方面正逐步融入新的检测手段，国内外学者通过分析超声波C扫描图像特征来测量点焊熔核直径。在汽车生产线上使用更加可靠的、直观的、高效的、准确的点焊超声波检测技术是必然趋势，而支持超声波C扫描的多通道阵列检测系统很可能将是最具有潜力的解决方案。 式中，m为调制器的调制指数(m=πVRF/Vπ).VRF和ω分别为射频信号的电压幅度和频率，Vπ为调制器的半波电压，Jn(·)为n阶的第一类贝塞尔函数. 为了适应汽车点焊超声波检测的新的需求，新的高级信号处理方法不断涌现。如高级自适应全聚焦(Total Focusing Method,TFM)成像、盲成分分离(Blind Component Separation,BCS)、模式识别与自动分类算法(Pattern Recognition and Automatic Classification,PNAC)等。 对于混凝土构件，受拉力作用时是最不利的，因为混凝土抗压强度很高，抗拉强度很低，配筋混凝土在受到拉力时极易产生裂缝，GB 50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计规范》对裂缝的要求比较严格，为0.2mm，因此，当收到的拉力越大，构件中钢筋用于“抗裂”的占比越大，结构就越不经济。 当前面临的最艰巨的任务是如何将超声波检测技术无缝地融合到汽车自动焊接生产线上，而其中的关键是如何最大程度地保留原有生产线的特性，在不破坏原有的昂贵的生产线的基础上将超声波自动检测技术与机器人自动焊接技术相结合。 参考文献 [1] Ma Y, Wu P, Xuan C, et al. 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