基于超声波相控阵技术的车桥焊缝质量评价

张世雄　廖观万　张杰　任凯利

摘 要：本论文针对车桥服役过程中由于焊接质量不良引起的交通事故，引入超声波相控阵检测技术来完成对车桥焊缝质量的增强，并对在役和生产过程中的车桥焊缝进行超声波无损检测，达到安全监控和提高品质的目的。通过大量的数据分析和验证，并与金相检验进行比对，建立一套超声波相控阵的车桥焊缝质量评价方法。该方法可以通过监控焊接工艺过程，对焊接工艺的改进和生产过程的质量控制起到积极作用。此外，对在役的桥壳进行在役检测，可对桥壳的剩余寿命评价指导指导意义。相较于金相检验，该无损检测方法还具有成本优势。

关键词：车桥 超声波相控阵 车桥焊缝 汽车安全 无损检测

0 引言

汽车车桥是汽车行驶安全性和可靠性的重要部件，也是用来支撑车轮和连接后车轮的装置，是支撑汽车重量的重要构件。在生产过程中桥壳和轴管通过V型坡口焊接，焊接的质量情况起到至关重要的作用，特别是开口不明显的未熔合。焊接质量受焊接设备、工艺环境、材料选择及技术水平等因素的影响，在熔合区和焊接区难免会出现气孔、焊偏、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷现象。在车桥服役过程中，由于焊接质量不良，受交变应力和冲击较多，应力会在此集中，进而发展成疲劳裂纹，引发断裂，造成严重事故。[1-2]因此，为了保障汽车的行驶安全，通常需要对汽车车桥的焊接质量进行可靠性检测，检测方法包括金相显微镜研磨检测，X射线检测，超声检测等。其中，金相检测属于有损检测，需要对检测部位进行研磨加工后，再进行观测。而X射线和超声检测属于无损检测，在不需要破坏结构件形态的情况下，可以对焊缝质量进行定量分析。但是，对于复杂结构件而言，X射线会由于透射方向上存在结构遮挡等问题，导致无法对焊缝进行有效检测，并且X射线无法检测焊缝熔深。综合而言，超声检测是车桥焊缝的最佳无损检测手段。[3]

在众多的行业领域，针对焊缝的超声波检测技术已报道了一些研究成果。例如，在对接钢板焊缝检测应用领域，孙长河等人采用阵列式压电微型超声换能器，实现了对25mm厚度的标准对接钢板试块内部进行准确识别，分辨率优于1mm。[4]在油气领域，罗更生等人提出采用相控阵超声导波法对大曲率油气对焊弯管的缺陷进行成像检测，可有效识别和定位弯头和直管上的缺陷[5]。在舰船制造领域，曹艳等人搭建完整的系统架构，采用超声波无损检测方法可以在短时间内精准地检测出船体结构的焊缝大小、形状和所在位置。[6]

针对焊缝检测，在与车桥厂的合作研究中，本论文引入了高精度超声波相控阵检测技术，通过大量的数据验证，及与金相检测进行比对，学习建立了一套超声波相控阵检测评价方法，对在役的桥壳进行在役检测，对桥壳的剩余寿命评价提供指导意义。

1 车桥焊缝超声波相控阵技术检测原理

1.1 原理阐述

相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，可给出A型、B型、C型、P型及3D扫描成像。

相对于常规超声检测，超声相控阵具有以下优点：

（1）采用电子扫描方式对工件进行扫查，大大提高了检测效率；

（2）利用可控的合成波阵面可适应复杂几何形状工件的检测；

（3）通过控制合成声束在空间中的焦点位置，可在大范围内实现较高的检测分辨力。

1.2 检测方案

在检测焊缝质量期间需高度关注未熔合方面的危害，采取全面质量管理体系落实质量监管与控制措施。为及时、高效、准确的检测出未熔合方面的缺陷，可采用超声波相控阵扇形扫描技术，该技术对未熔合缺陷极为敏感。实施检测前，必须做好充分的准备工作，保证超声相控阵仪器、相控阵探头和楔块等设备完好无损且性能稳定。根据焊缝的材质和厚度等特性，在仪器中预先设置频率、波幅和扫描角度等合适的检测参数，经过模拟测试确定最佳的探头测量位置和角度。

检测步骤至关重要，必须严格按照流程操作。紧密贴合相控阵探头与楔块，并将其放置在焊缝表面预定位置。涂抹适量的耦合剂，保证顺利传入超声波。启动仪器开展扇形扫描，密切观察显示屏上的波形变化，捕捉任何异常回波。在扫描过程中，实时分析获取的数据，通过对比一次波和二次波的波形特征判断是否存在未熔合缺陷。一旦发现缺陷，利用技术定位功能准确确定其位置、大小和深度，并评估其严重程度。

在检测过程中，有几点注意事项需牢记。一是始终保持探头与焊缝表面紧密贴合，避免接触不良导致的误判；二是针对不同位置和角度的焊缝，要及时调整探头的位置和角度以获得最佳检测效果；三是在数据分析时，要结合焊缝的实际情况和波形特征作出综合判断，控制分析结果准确无误；四是对于发现的未熔合缺陷，要及时记录并报告相关部门以便及时处理。

检测工作完成后，还有一系列后续工作需要跟进。根据检测结果修复或处理发现的未熔合缺陷，采取切割、重焊等措施解决严重缺陷，轻微缺陷则可考虑局部修补。整理检测数据并编写详细的检测报告，报告中包含检测时间、地点、设备信息、检测步骤以及发现的问题和处理建议等内容。对本次检测过程进行总结并提炼经验教训，针对遇到的问题和困难提出改进措施和建议为后续工作提供参考。对使用过的设备进行清洁和保养以保证其处于良好状态为下次检测做好准备。

2 检测结果

2.1 检测内容及现有检测方法

为进一步验证超声波相控阵的焊缝检测性能，通过理论分析和试验数据，最终选择阵元数为32阵元，探头频率选择10MHz，楔块45度，设备选择英国声纳超声波检测仪VEO+。检测对象为车桥V型环焊缝，检测的缺陷类型包括气孔、夹杂、裂纹、未熔合等，其中主要以检测未熔合为主。并与传统的X射线和有损式金相检测进行对比，要求超声波检测效果与金相对比相吻合，能及时发现未熔合焊缝。

如图1所示，车桥V型环焊缝1号样件 的金相图像如（a）所示，显示实测未熔合深度4.55mm。图（b）为超声波相控阵检测结果，显示在4.7mm处存在点状未熔合。根据数据分析得知，超声波检测准确捕捉到了未熔合区域，并且结果与金相图像较为接近。

2.2 检测结果分析

如表1和图2所示，共进行了37组样件的检测，金相与超声波检测的总体平均契合度达95.46%。其中，16组数据来自于汽车新桥样件，金相与超声波检测的平均契合度达99.53%。其中，21组数据来自于汽车旧桥样件，金相与超声波检测的平均契合度达92.36%。图2（a）和（b）展示了具体每个样件的金相与超声波检测的数据契合度情况。

通过超声波相控阵无损检测方法检测车桥焊缝未熔合，经过多次试验，总结经验，分析误差原因，契合度统计结果：总体大于90%；能检测到最小裂纹宽度，未熔合宽度为3μm，其中最小宽度的裂纹长度必须是连续的或密集的点状未熔合；能检测到最小宽度下的裂纹长度≥2mm。高精度超声波相控阵检测技术，实现了车桥焊缝内部结构的“可视化”诊断，实现了车桥焊缝内部质量精准无损检测，有效解决了车桥焊缝“防患于未然”。通过无损检测可以监控焊接工艺过程，对改进焊接工艺，生产过程的质量控制起到促进作用。降低了切检金相的成本。通过大量的数据验证，及与金相进行比对、学习建立了一套评价方法，对在役的桥壳进行在役检测，对桥壳的剩余寿命评价提供指导意义。

3 结束语

本论文针对车桥服役过程中由于焊接质量不良引起的交通事故，引入超声波相控阵检测技术来完成对车桥焊缝质量的增强，通过大量的与金相检验进行比对的数据分析和验证，验证了超声波检测的准确性，并建立一套超声波相控阵的车桥焊缝质量评价方法。相较于传统金相检测，该方法具有无损样件的优势。相较于X射线检测方法，超声波检测具有精度上的优势。该超声波检测方法可以通过监控焊接工艺过程，对焊接工艺的改进和生产过程的质量控制起到积极作用。此外，对在役的桥壳进行在役检测，可对桥壳的剩余寿命评价指导意义。相较于金相检验，该无损检测方法还具有成本优势。

参考文献：

[1]黄海鸿，姚结艳，刘儒军，等.基于金属磁记忆技术的车桥桥壳损伤检测[J]. 电子测量与仪器学报，2014（7）：770-776. DOI：10.13382/j.jemi.2014.07.013.

[2]高福洋，高奇，蒋鹏，等.钛合金电子束深熔焊根部缺陷机理分析[J].焊接学报，2018，39（10）：30-34.DOI：10.12073/j.hjxb.2018390244.

[3]胡文刚，刘伟，朱瑞灿，等.基于超声C扫描的复杂结构焊缝缺陷检测[J].焊接，2021（4）：57-61.DOI：10.12073/j.hj.20210206003.

[4]孙长河，李博伦，黑创，等.压电微型超声换能器阵列设计及焊缝检测应用[J]. 压电与声光，2023，45（4）：595-600. DOI：10.11977/ji.ssn.1004-2474.2023.04.023.

[5]罗更生，谭建平.基于相控阵超声导波扫描成像的大曲率油气对焊弯管缺陷检测[J]. 中南大学学报（自然科学版），2019， 50（10）：2385-2394.DOI：10.11817/j.issn.1672-7207.2019.10.007.

[6]曹艳，喻星星.船体结构焊缝超声波无损检测方法研究[J].舰船科学技术，2018，40（10X）：58-60.DOI：10.3404/j.issn.1672-7649.2018.10A.020