点焊焊点熔核直径的三种超声测量方法比较

刘 凯

（福建省锅炉压力容器检验研究院龙岩分院，福建 龙岩 364000）

1 前言

点焊焊接质量的检测方法可以分为破坏性试验和无损检测，无损检测方法目前应用较多的有超声检测、电阻测量法、红外检测和X射线检测方法等[1]。在点焊试件中，常见虚焊内部存在严重缺陷，会极大降低焊点的连接强度[2]。熔核直径值可以反映焊点的连接强度，控制熔核直径值在正常范围内可以有效防止虚焊。超声检测方法是通过测量点焊焊点的熔核直径来判断焊点的焊接质量。目前，点焊焊点熔核直径的超声测量方法研究已取得较大进展，应用较多的有超声A扫描法、超声B扫描法和超声相控阵法。文中将对这三种超声测量方法的原理和扫描图像特征进行分析，并就优缺点进行比较。

2 三种测量方法的原理

超声A扫描图像反映的是单一位置超声波信号的回波幅值与传播时间的关系，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示信号幅值。图1列出了点焊焊点试件的母材、母材和熔核交界处以及熔核处的超声A扫描信号。从超声A扫描信号中可以得到超声反射面距超声入射面的距离，以及回波幅值的大小。超声B扫描设备常见的有水浸超声检测设备，探头可以沿X轴、Y轴、Z轴3个方向线性移动，对每个扫查点的位置信息和超声回波信号进行记录，所以超声B扫描图像可以显示探头扫描方向和超声入射方向组成的纵截面信息，并用不同的亮度（或颜色）表示超声回波信号的幅值，如图2所示。横坐标轴表示探头在试件表面的扫查位置，纵坐标轴为超声回波信号的采样点数，颜色带表示各超声回波的组合。超声相控阵法可以通过设置换能器阵列中各单位阵元发射脉冲的时间延迟，调整各单位阵元发射声波到达物体内部某个部位时的相位关系，从而实现声束在不同位置的聚焦。相控阵检测设备主要由超声采集装置、相控阵探头和计算机组成。超声相控阵法不用像超声B扫描法那样移动探头进行扫描，只须将探头静置于点焊焊点位置，即可得到探头覆盖区域内平行于超声传播方向截面的超声B扫描信息，如图3所示。

图1 点焊焊点的超声A扫描回波信号图

图2 点焊焊点的超声B扫描回波信号图

图3 点焊焊点的相控阵超声回波信号图

3 金相试样制作及验证方法

将实验选用的LF6铝合金点焊试件沿焊点圆心位置切开，制作金相试样，在腐蚀试剂中放置3分钟。如图4所示，颜色较深的椭圆区域是焊点熔核区域，用直尺对熔核的长度进行测量，可以获得点焊焊点的熔核直径实测值。

图4 点焊焊点的金相图

4 三种方法的测量结果比较

该实验采用的超声波探头频率均为5MHz。为了对三种方法的测量结果进行对比分析，笔者用三种方法分别对29个厚度组合为1mm+2mm的LF6铝合金点焊试件的熔核直径进行测量，将测量值和金相试样实测值进行对比，绘制直方图对两者相对误差的分布情况进行统计，拟合正态分布曲线对两者相对误差的集中位置和变化趋势进行研究。

对于超声A扫描法，当超声回波幅度低于设定的闸门高度时，可以认为该位置处于焊点熔核范围内。实验选取闸门高度为5%和10%时，对熔核直径进行测量，得到的实验结果如图5所示，图5(a) 中正态曲线的均值为0.070，方差为0.054。图5(b) 中正态曲线的均值为0.158，方差为0.085。

图5 超声A扫描法实验结果统计图

对于超声B扫描法，测量值与熔核直径实测值的对比结果如图6所示，正态分布曲线的均值为0.212，方差为0.096。

图6 超声B扫描法实验结果统计图

该实验选用的相控阵探头总晶片数为64片。为探讨晶片组和扫描步长对相控阵法测量结果的影响，笔者设置了12种检测模式，分别将3晶片、8晶片、12晶片和16晶片设置为1个晶片组，与0.5晶片、1晶片、2晶片的扫描步长两两搭配成一种检测模式进行试验。以3晶片为1个晶片组，0.5晶片为扫描步长的检测模式为相控阵法1，以3晶片为1个晶片组，1晶片为扫描步长的检测模式为相控阵法2，以3晶片为1个晶片组，2晶片为扫描步长的检测模式为相控阵法3，以8晶片为1个晶片组，0.5晶片为扫描步长的检测模式为相控阵法4，以此类推。

不同测量方法结果的正态分布均值和方差如表1所示。

表1 不同测量方法的结果比较

从表1中可以看出，超声B扫描法和闸门高度10%的A扫描法的相对误差均值的绝对值大于10%，其余方法测量结果的相对误差均值的绝对值均小于10%。超声A扫描法和B扫描法测量结果的方差较小，说明这两种方法测量结果误差的波动性较小。相控阵法测量结果的相对误差均值较小，但方差较大，说明相控阵法测量结果误差的波动性较大。在相控阵法的12种检测模式中，相控阵法1的均值和方差最理想，说明选用较小的晶片组和扫描步长得到的测量结果较精确。超声B扫描法测量结果的相对误差均值偏大，但方差很小，说明超声B扫描法的测量结果误差的波动性较小，相对误差分布范围较集中。利用这一特性可以通过对大量实验数据进行研究，总结出误差分布规律，拟合出经验公式加以修正，从而降低误差值。

5 结语

对比点焊焊点熔核直径的三种超声测量方法，可以发现超声A扫描法的优点在于测量精度较高，测量稳定性较强，而且设备便宜、便携性好，缺点是超声A扫描法在实际检测工作中效率低，测量结果容易受检测人员技术水平高低影响；超声B扫描法的优点在于检测效率较高、测量误差虽比A扫描法大，但可以通过经验公式修正，缺点是设备昂贵、便携性差；相控阵法的优点在于检测效率高、便携性好，缺点是设备昂贵、检测误差波动性较大。虽然目前相控阵法的测量结果不够理想，但它拥有检测效率高和便携性好的先天优势，而检测精度可以通过选用分辨率更高的探头、优化检测模式等方法来提高。相信随着技术不断发展，相控阵法在不远的将来一定可以在点焊焊点无损检测领域占据更重要的地位。