探头位置偏差对点焊质量超声检测的影响与对策研究

向清

摘 要：高效率和自动化无损检测是汽车车身点焊质量检测的发展方向，然而点焊检测过程中的探头位置偏差对检测结果评估有重要影响。文章以薄板点焊超声无损检测为研究对象，建立了存在探头位置偏差下的熔核尺寸测量误差的理论计算公式，在COMSOL软件中建立了含位置偏差的点焊超声检测仿真模型，获得了不同位置偏差下的声压幅值波形图，研究了位置偏差对熔核直径计算结果的影响规律，通过点焊超声无损检测和金相实验，验证了理论分析和仿真结果的正确性，最后提出了存在探头位置偏差情况下的点焊超声检测探头规格选择方法。研究结果对于点焊超声自动化检测具有指导意义。

关键词：点焊质量；超声无损检测；熔核尺寸；探头位置偏差

中图分类号：TG409 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0062-05

引言

电阻点焊占据车身焊接工作量的90%以上，是车身装配中最主要的连接方式。点焊过程中，电极压力、焊接电流和焊接时间等波动极易对点焊质量产生影响，进而威胁到汽车可靠性和行驶安全性。目前，点焊质量检测普遍采用破坏性抽样测试，无法全面反映车身整体焊接质量。超声无损检测是所有点焊质量检测中比较有前景的技术，它是通过超声在焊点中传播的波形变化及衰减程度来判断点焊质量[1-5]。

目前，车身电焊大量采用工业机器人进行自动化焊接，因此，采用工业机器人进行点焊质量自动化检测是比较高效和便捷的方法。目前关于点焊检测系统，刘静、郝永魁等人设计开发了一种基于超声C扫的单焊点质量超声检测装置及数据评估专家系统[6，7]，宋雨柯设计了一种基于超声A扫的车身点焊质量超声自动检测评估系统[8]。然而，由于工业机器人等自动化设备均不可避免地存在运动误差，导致点焊焊接以及随后的超声检测存在偏差。由于焊点位置偏差、自动化设备制造和定位精度等因素，导致在点焊超声检测过程中，探头相对于焊点中心存在一定的位置偏差，其位置偏差情况如图1所示。而探头位置偏差引起的检测数据的变化可能对我们对焊点质量的判断有所影响，因此研究探头位置偏差对点焊超声检测的影响并判断影响的大小以及对减小位置偏差影响的对策研究有重大意义。

1 探头位置偏差对点焊熔核直径计算的影响

超声波的一个极其重要的特点是它几乎能穿透任何材料。超声波在薄板、焊核间传播时，必然携带具有焊点内部缺陷等的回波信息，超声无损检测就是通过提取和分析这些信息，对回波信號进行处理，进而对焊点的性能进行综合评价。由于熔核直径大小是点焊熔核质量的决定性因素[9]，因此熔核直径越大，表示板间连接面积越大，相应的焊接强度越高，焊点质量也就越好。所以本文主要研究探头位置偏差对点焊超声检测下熔核直径计算值的影响。

根据Song， Y等人的研究可知熔核直径的计算公式为[8]：

其中：D为探头直径；p1和p2分别表示第二和第三个超声检测回波波峰的幅值；r1表示的是声波从楔块传入第一层板时的反射率，那么根据以上公式即可计算出等厚两层板熔核的直径。

如图2是探头偏差不同距离时延迟块和熔核相对位置的示意图，其中R表示楔块半径，r表示熔核半径，s表示楔块与熔核轴线间的距离。假设不考虑声波传播过程中的散射、衍射等作用，声波的反射能量和反射面积成正比，则图2中两圆重合面积即代表实际检测到的熔核面积，根据偏差量的大小，重合面积Sr满足：

2 点焊超声检测的探头位置偏差仿真研究

点焊超声无损检测是将点焊构件置于超声波声场中检测，得到不同回波的过程。通过建立低碳钢等厚双层板的存在探头位置偏差时的点焊超声无损检测有限元模型，找出点焊在不同位置偏差下超声无损检测过程中的声场、声压的变化规律并得到最后的回波图，为探头位置偏差对点焊的超声无损检测的影响的深入研究提供理论依据。

2.1 探头位置偏差下的等厚双层板点焊超声无损检测的有限元建模

本文采用COMSOL Multiphysics软件声场模块对低碳钢等厚两层板的焊点的超声无损检测过程进行有限元模拟，研究在不同探头位置偏差下的点焊超声无损检测的声场和声压的变化规律，最终得到的声压随时间变化的波形图，根据声压值与熔核直径的关系，计算相应情况下的焊点的熔核直径计算值。

由于探头偏差后不具有轴对称结构，且3D模型网格过多难以完成计算，故采用2D结构进行仿真计算。根据焊点超声无损检测原理，对探头、板材和焊点进行简化，采用二维平面模型。因为探头、板材和焊核是连通的，可以将板材和焊核部分等效成一个沿超声波方向传播的圆柱体，探头位置偏差的点焊超声检测模型示意图如图3所示。通过调整熔核直径d和误差量s即可得到不同直径和误差量下的瞬态声压图和A扫波形图。

此模型中将焊核和母材的材料参数均取低碳钢的材料参数。芯片下的延迟块采用有机玻璃PMMA，母材部分两板间间隙除焊核外的部分和第二层板下面的部分都为空气。各种材料的性能参数如下表1所示。

2.2 探头位置偏差下的等厚板点焊超声检测的仿真结果

当母材两层板厚度均为1.6mm，熔核直径为4mm，偏差量为3mm时的瞬态声压图如图4所示。

图5是等厚板在不同探头偏差量下的有限元模拟结果，当熔核直径d=4mm，板厚h1=1.6mm，h2=1.6mm固定不变时，将探头分别偏差1，2，3，4，5，6mm，进行模拟，得到相关的随时间变化的声压值，截取其中时间为t=9.00us-10.05us的波形图。

如图5所示，当熔核直径d=4mm，板厚h1=h2=1.6mm固定不变时，随着探头偏差量的增加，探头接收到的回波声压值也有所不同。从上图可以看出当探头偏差量小于2mm，t=9.12us和t=9.75us时，探头接收到的声压值p1和p2的值随着探头偏差量的增加基本保持不变；当探头偏差量大于2mm时，当t=9.12us，探头接收到的声压值p1的值随着探头偏差量的增加而增加，而当t=9.75us时，探头接收到的声压值p2的值随着探头偏差量的增加而减小；当探头偏差量大于6mm左右时，探头接收到的声压值p1大于p2，即声波在第一层板底部发生全反射，两层板间没有连接，全为空气，即为单层板的波形，此时熔核直径为零。

3 探头位置偏差的超声无损检测实验研究

3.1 焊点试样的制备

本次试验选用长方形低碳钢板，其几何形状如下图6所示。焊接钢板的材料为低碳钢，低碳鋼在汽车上的应用范围很广，焊接母材形状为30×100×1.6mm的长方形板材。本次实验采用NA-100型交流点焊机，其固定电极端面直径为6mm。点焊的主要焊接工艺参数有三个：电极压力、焊接时间和焊接电流。通过改变这三个参数的大小，就可以得到不同熔核尺寸的焊点。本实验的焊接参数选择，在查阅相关文献和前期实验的基础上[9]，确定工艺参数如下表2所示。

参照表2所示的焊接工艺参数进行焊接后，可以得到焊点试样，如图6所示。

3.2 探头位置偏差的超声无损检测的试验操作及结果

实验仪器是广州多普勒公司生产的Phascan便携式超声相控阵检测仪，该仪器如图7左边所示。实验中使用的探头为频率15MHz，直径7.6mm的高频探头，楔块的材料为有机玻璃，探头形状和尺寸如图7右边所示。

本次实验使用二维位移台研究探头位置偏差对焊点超声无损检测的影响规律。位移台可调整水平方向的偏差量和竖直方向的倾斜角度，水平方向偏差标尺量程：200mm，精度0.02mm，竖直方向摆头角度范围：±10°，精度0.1°。在水平标尺上安装一个可以在竖直面摆动的探头夹持装置，将探头固定在探头夹持装置上，来测量板件上的焊点，通过调整水平方向的偏差量和摆头倾斜角度可以做实验研究探头定位精度对焊点超声无损检测的影响规律。使用图8所示的二维位移台和超声无损检测仪来进行探头偏差的超声无损检测实验。

将探头和焊点试样放在二维位移台定位好之后，以4mm熔核直径的焊点为例，移动水平标尺，将探头向右分别移动为0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm时，测得相关的波形记录下来，如下图9所示。

从图9中（a）（b）（c）可以看出，当探头移动偏差量l2mm时，随着偏差量的增大，第一个小回波峰值p1与第二层板底部的反射回波峰值p2基本不变，因此代入公式（2）计算所得熔核直径值也相同，这与模拟结果是一致的。

从（d）（e）（f）可以看出，当偏差量2mm

从上图（g）中可以看出，当偏差量5mm时，此时测得的熔核直径为零，测得的是单层板的回波。

3.3 金相实验

为了得到试样的点焊熔核直径的真实值，需要对试验进行金相实验，从而测量熔核直径。

使用线切割机和游标卡尺、手锯、砂纸等辅助工具，将焊后试件沿焊核中心切开制成金相试样，然后将金相试样打磨抛光后使用硝酸酒精进行腐蚀。并使用宏观电子显微镜拍摄焊点的金相试样，得到等厚板及不等厚两层板的熔核宏观形貌图，如图10所示，然后测量得到真实熔核直径。

4 数据分析与总结

根据理论推导以及仿真和实验的数据，可以得出熔核直径的计算值随探头位置偏差变化的趋势图，如图11所示：

如图11所示，理论计算的熔核直径值均随着探头位置偏差量的增大先保持不变再减小的趋势。且随着实际熔核直径的增大，在少许偏差量的情况下，熔核直径理论测量值就开始减小。以4mm熔核直径为例，当探头偏差量小于2mm时，理论的熔核直径计算值随着探头偏差量的增大保持不变；当探头偏差量大于2mm，理论的熔核直径值随着探头偏差量的增大而减小。这是因为当探头偏差量小于2mm时，结合图2可知，熔核在探头内部，它们的相交面积不变，所以理论熔核直径值保持不变；而当探头偏差量大于2mm时，熔核与探头相交，此时探头和熔核相交面积如图2（c）所示，且随着探头偏差量的增大，探头和熔核相交的面积逐渐减小，因而理论的熔核直径值也随之减小；而当探头偏差量大于6mm左右时，熔核和探头完全分离，此时探头和熔核相交面积为零，理论的熔核直径值也为零。

同时，由图11可见，由于仿真未考虑衍射等作用，所以仿真结果的熔核直径计算数值比真实值偏大，但是其随着探头位置偏差量的增大而产生的变化趋势相同。实验结果中熔核直径的计算值的变化趋势同样符合理论情况。

经过数据处理可以得到在理论情况及仿真和实验结果下的熔核尺寸计算误差随探头位置偏差量改变的变化图，如图12所示。

由图12可见，δd在不同熔核直径下的熔核直径测量误差值随探头位置偏差量的增加的理论变化趋势与仿真和实验数据的变化趋势相同，其变化规律为：

（1）在同一熔核直径下，随着探头位置偏差量s的增加，熔核直径测量误差δd呈现不变、下降、不变的变化规律，且熔核直径越大，δd下降得越早，终止得越晚，且其具体值为：

（2）在同一探头位置偏差量下，熔核直径越大，δd越大。

（3）探头的位置偏差更易对熔核直径较大的情况造成误差，若将实际的探头位置偏差量控制在2mm范围内，则熔核直径误差在1mm内。

5 对策研究

由于在实际的自动化点焊超声无损检测中总会因为各种误差因素导致探头的位置偏差，则需要通过确定探头的尺寸来保证在误差因素影响下的检测精度。

探头相对于熔核的位置偏差主要由焊接位置误差Δd1和检测定位误差Δd2造成。这些误差的具体数值在不同工作环境和情况下需要具体考虑。为使自动化点焊超声无损检测中得到的数据所计算出的熔核直径不出现较大误差，探头的尺寸D需满足以下条件：

其中：Dmax为抽样检测出的熔核直径最大值。

一般情况下车身覆盖件的点焊超声无损检测都使用直探头，在实际检测工作中只需选取最小的D值即可。

6 结束语

本文为了研究探头位置偏差对点焊的自动化超声检测的影响，提出了影响规律的理论计算模型，并建立探头位置偏差的声学仿真模型，进行了相應的试验研究，最终得到了影响规律及减小误差的对策。结论如下：

（1）在同一熔核直径下，随着偏差量s的增加，熔核直径计算值d呈现不变、下降的变化规律，且熔核直径越大，d下降得越早，终止得越晚。

（2）在同一熔核直径下，随着偏差量s的增加，熔核直径测量误差δd呈现不变、下降、不变的变化规律，且熔核直径越大，δd下降得越早，终止得越晚。

（3）探头偏差更易对熔核直径较大的情况造成误差。

（4）在实际检测中只要选取的探头尺寸合适，就能保证熔核尺寸的计算精度。

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