孫鑫宇 曾 凱 張 龍

(昆明理工大學機電工程學院,昆明 650500)

點焊接頭超聲C掃描圖像分析及焊核直徑測量

孫鑫宇 曾 凱 張 龍

(昆明理工大學機電工程學院,昆明 650500)

文 摘 采用超聲波掃描顯微鏡獲取了點焊接頭C掃描圖像，分析點焊接頭C掃描圖像灰度值的分布特征，提出了一種對焊核邊緣、焊核直徑進行快速檢測分析的方法；對不同焊接工藝參數下的不銹鋼點焊接頭進行表面檢測，對比分析基于C掃描圖像的焊點檢測結果與實際測量值。結果表明，通過這種測量方法不但可以快速得到焊核邊緣及焊核尺寸，而且避免了人為因素的影響；與實際測量結果相對比，兩者之間相差較小，證實了該檢測方法的可行性。

焊核直徑,超聲波C掃描,灰度值,點焊接頭

0 引言

電阻點焊是一種重要的結構連接技術，在工業(yè)生產領域得到廣泛的應用[1-2]。隨著人們對車身安全性能的日益關注，如何對點焊接頭質量進行快速檢測成為人們研究的焦點[3]。而熔核直徑是一項評價點焊接頭質量的重要參數，目前工業(yè)生產中主要采用費時、費力的破壞性檢測方式進行焊接質量的評估。

近幾年，隨著檢測技術的不斷發(fā)展，超聲波無損檢測技術可以高效地檢測接頭質量，且具有成本低的特點，因而，采用超聲波無損檢測技術測量電阻點焊接頭的焊核直徑成為近幾年無損檢測技術領域的研究熱點。趙新玉等[4]通過分析沿焊核直徑方向的B掃描圖像，有效地檢測出不同結合狀態(tài)的點焊接頭直徑，且與實測值具有較好的一致性。劉凱[5]研究了點焊焊點不同區(qū)域的超聲波A掃描信號特征，總結出點焊焊點熔核直徑的超聲測量方法的基本原理，認為這種方法可以有效的測量焊核尺寸。吳程程[6]采用基于傳統(tǒng)的超聲波C掃描成像技術發(fā)展的一種電阻點焊準三維超聲成像技術，實現了對焊核直徑的測量，并取得了良好的效果。郝永魁[7]通過建立電阻點焊超聲檢測專家系統(tǒng)并利用其對超聲波C掃描圖像熔核直徑進行測量分析，認為該系統(tǒng)利用C掃描圖像測量焊核直徑具有良好的穩(wěn)定性。M. Thornton和L. Han等[8]對AA5754鋁合金點焊接頭進行超聲C掃描檢測,認為超聲波C掃描檢測技術可以提供點焊熔核尺寸及形狀的信息。綜上所述，雖然國內外學者提出多種焊核直徑的無損檢測方法，但對于點焊接頭超聲波C掃描圖像中的灰度值分布特征及圖像中焊核區(qū)域邊緣的確定尚未進行詳細分析。

本文通過分析超聲波C掃描圖像灰度值的分布特征，提出了一種對焊核邊緣、焊核尺寸進行快速檢測分析的方法，并通過實例分析驗證該檢測方法的可行性。

1 試件制備及實驗原理

選用SUS304不銹鋼，板厚為1.0 mm。研究采用的超聲波掃描顯微鏡的探頭頻率為15 MHz，分辨率為95 μm，檢測系統(tǒng)結構如圖1所示，其掃描軸重復精度為±0.5 μm，步進軸和聚焦軸的分辨率為±0.2 μm，脈沖收發(fā)器帶寬5～500 MHz，數據采集卡頻率1 G sample/s。檢測時，將點焊試件平放于水槽中，調節(jié)運動控制單元使探頭位于試件正上方，通過調節(jié)探頭聚焦直至獲得清晰的C掃描圖像，如圖2所示。

2 焊核邊界的確定

為確定在灰度圖中焊核邊緣點的位置，過C掃描圖像的中心，基于MATLAB對點焊接頭的超聲波C掃描圖像的灰度值進行測量，典型灰度圖如圖3所示。由圖3可知，灰度圖中共存在A～F共6個特征點，其中A-F、B-E、C-D之間相互對稱，結合點焊接頭的形成過程，其中6個特征點應分別代表不同的邊緣位置，其中一組應為焊核的邊緣位置，故分別測量上述3組特征點之間的距離；同時，取點焊接頭中心橫截面制作金相試樣，然后進行拋光腐蝕，腐蝕液采用1 g CuCl2+20 mL HCl+20 mL CH3CH2OH+20 mL H2O的比例配制，并將測量結果與實際測量值(圖4)相對比，最終確定熔核區(qū)域的邊緣位置。

3 焊核檢測分析步驟

超聲波C掃描圖像是基于待檢試件內部特定深度的信號而形成的垂直于焊點表面的灰度圖，其圖像灰度值反映選通閘門內的信號幅值，體現了結合層的熔合程度。由于超聲波C掃描圖像可以直觀、準確的顯示點焊接頭的內部形貌，利用超聲波掃描顯微鏡對點焊接頭進行無損檢測在工業(yè)應用領域中越來越受到人們的重視。

由圖2可知，超聲波C掃描圖像存在著明顯的區(qū)域特征，并且可以反映點焊接頭的內部形貌。且C掃描圖像的各特征區(qū)域均為圍繞焊核的中心逐漸向外擴張形成的，具體反映在其圖像的灰度值從中心點到圖像邊緣呈規(guī)律性變化。而C掃描圖像反映特定深度的熔合程度，故灰度值的變化必然與焊核各區(qū)域存在相應的聯系。但是，各特征區(qū)域之間的界限較模糊，通過超聲波掃描顯微鏡直接對焊核直徑測量存在一定的困難。本文提出通過測量C掃描圖像的灰度值，通過其灰度值的分布特征來測量焊核直徑大小，檢測的主要步驟：

第一步，獲取超聲波C掃描圖像。首先通過超聲波掃描顯微鏡對點焊接頭進行超聲波C掃描，獲得點焊接頭的C掃描圖像。

第二步，焊核邊緣點分析。通過分析C掃描圖像灰度值的變化特征，最終確定焊核區(qū)域的邊緣點。

第三步，圖像的閾值分割。在生成超聲波C掃描圖像的過程中，由于檢測系統(tǒng)、待檢試件及其他因素的影響，使得回波信號中存在噪聲的影響，導致C掃描圖像出現失真現象。為了更加清楚的區(qū)分接頭的內部形貌，進一步進行圖像特征識別及各特征區(qū)域邊緣的界定，對得到的超聲波C掃描圖像進行了圖像增強、閾值分割等處理，如圖5所示。

第四步，焊核中心點的確立。閾值分割后的圖像并非規(guī)則的圓，為下一步準確的獲得C掃描圖像直徑線上的灰度值增加了難度。試驗中，通過MATLAB編寫程序尋找閾值分割后圖像焊核區(qū)域的形心，即焊核區(qū)域的中心，如圖6所示。

第五步，焊核直徑的測量。通過上述步驟確定的熔核區(qū)域的邊緣位置和焊核中心點，對焊核直徑進行多次測量求平均值確定焊核直徑。

第六步，測量誤差分析。對上述測量方法的結果進行測量誤差分析，驗證該方法的可行性。

4 實例分析

采用板厚為1.0 mm的SUS304不銹鋼點焊接頭進行實例分析。試驗中，通過選擇不同的焊接工藝參數對試件進行焊接，具體參數如表1所示。為了研究不同焊接工藝參數下點焊接頭的變化特征，采用超聲波掃描顯微鏡分別對不同焊接工藝參數下的點焊接頭進行超聲波無損檢測，獲得了不同焊接參數下的超聲波C掃描圖像。

表1 焊接條件

電阻點焊接頭是在不同的電極壓力、焊接電流、焊接時間等工作參數的作用下，接頭處金屬隨著熱輸入量的增大逐漸熔化并向外擴張而形成的，所以形成的焊核的各區(qū)域都是圍繞焊核中心而形成的環(huán)形狀。采用上述焊核邊界確定方法對焊核直徑進行檢測分析，各組特征點之間的距離與實際焊核直徑測量值相對比，結果如圖8所示，介于B-E、C-D兩組特征點之間的距離與實際值偏差較大，而介于A-F特征點之間的距離與實際值相差較小，故認為A-F為焊核的邊緣位置，把其作為測量焊核直徑的參考點。

為了進一步對超聲波C掃描圖像進行檢測分析，清楚的區(qū)分點焊接頭的區(qū)域特征，對獲得的不銹鋼點焊接頭的超聲波C掃描圖像進行圖像處理，得到經過閾值分割后的圖像，如圖5所示。通過閾值分割后的不銹鋼點焊接頭的圖像可以看出，該方法可以較好的獲取超聲波C掃描圖像的內部信息，可以將接頭的焊核區(qū)域和塑性區(qū)域很好的區(qū)分開來，使得其焊核邊緣特征也更加突出。

為了保證測得的焊核直徑的準確性，測量C掃描圖像灰度值的線必須通過焊核中心點，所以點焊接頭焊核中心的確立對于焊核直徑的測量尤為重要。本文通過MATLAB編寫的程序得到了閾值分割后圖像的焊核中心，如圖6所示。以上述步驟所確立的A-F點作為直徑測量的參考點，過各焊接參數下C掃描圖像的焊核中心，分別對不同焊接工藝參數下的C掃描圖像的灰度值進行測量。為保證實驗數據的準確性，不同的焊接工藝參數下，圍繞焊核中心每隔15°對焊核直徑測量一次，取12次測量結果的平均值作為該焊接參數下最終的焊核直徑測量結果。為評估基于灰度值測量焊核直徑的精度，將測量值與實際值對比，如圖8和表2所示。試驗結果表明，基于超聲波C掃描圖像的灰度值測量的焊核直徑與實際測量值基本一致。

5 結論

對點焊接頭進行超聲波C掃描檢測，分析了C掃描圖像灰度值的變化特征，提出了借助灰度值變化特征測量焊核直徑的方法，并以不銹鋼點焊接頭實例對該方法進行了驗證。沿焊核直徑基于超聲波C掃描圖像灰度值分布特征確立焊核邊界點、測量焊核直徑具有可行性，而且，該方法避免了人為因素的影響；將該方法的測量值和實際值相對比，其結果具有高度的吻合度。

[1] 趙大偉,王新陽,王元勛,等.鈦合金微電阻點焊電極間電壓質量檢測技術[J].焊接學報,2014,35(1):33-36.

[2] 騰輝,張勇,胡喆.電阻點焊質量監(jiān)測[J].電焊機,2014,44(7):75-78.

[3] 孫海濤,張延松,來新民,等.變電極力作用下的電阻點焊質量分析[J].焊接學報,2008,29(6):45-48.

[4] 趙新玉,鋼鐵,袁媛.薄鋼板點焊接頭超聲信號分析[J].焊接學報,2005,26(11):101-105.

[5] 劉凱,鋼鐵.鋁合金點焊焊點超聲回波信號特征與熔核直徑測量方法[J].焊接學報,2011,32(8):105-108.

[6] 吳程程.電阻點焊超聲成像及其定量檢測關鍵技術的研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[7] 郝永魁.電阻點焊接頭超聲檢測數據評估專家系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學,2015.

[8] THORNTON M, HAN L, SHERGOLD M. Progress in NDT of resistance spot welding of aluminium using ultrasonic C-scan[J]. NDT & E International, 2012, 48: 30-38.

Ultrasonic C-scan Analyses and Nugget Diameter Measuring of Spot Welded Joints

SUN Xinyu ZENG Kai ZHANG Long

( Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500)

The quality of spot welded joints was evaluated by the scanning acoustic microscope (SAM). The change characteristics of gray level of C-scan image were analyzed. The feasibility of evaluating the quality of spot welded joints and measuring the nugget diameter by using the change of the gray level was provided. And we analyzed the spot welded joints of 1.0 mm stainless steel under different welding parameters. The calculated values of nugget diameter are compared with the measured values by macrophotograph of samples. The results show that this method is available for measuring nugget diameter of the spot welded joints, and can avoid the influence of artificial factors and reduce production costs. The accuracy of testing result was verified by contrasting the metallographs of actual spot welded joints cross section.

Nugget diameter,Ultrasonic C-scan,Gray level,Spot welded joint

2016-06-01

國家自然科學基金項目(51565022;51565023)；昆明理工大學分析測試基金(20150575)

孫鑫宇，1989年出生，碩士，主要從事材料連接質量檢測分析、結構可靠性設計的研究工作。E-mail：xinyusun789@163.com

曾凱，碩士生導師，主要從事材料連接質量檢測分析、結構可靠性設計的研究工作。E-mail:kmzk201109@163.com

TG115.28

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.016