周廣浩 程志義 張 勇 杜雨欣 陳 磊 畢浩棋 李 洋
(中車長春軌道客車股份有限公司質(zhì)量保證部, 130062, 長春∥第一作者, 高級工程師)
激光焊接技術(shù)是薄板連接的一種經(jīng)濟有效的焊接方法,廣泛應用于汽車、軌道交通行業(yè)等[1-3]。然而,激光焊接是一個高度動態(tài)過程,能量從激光束到板材極不穩(wěn)定。因此,研究一種有效評估激光焊縫質(zhì)量的方法是非常必要的[4]。
利用超聲波無損檢測技術(shù)可評估激光焊縫質(zhì)量。對于傳統(tǒng)的超聲波檢測方法,作業(yè)人員通常使用單晶探頭來分析回波幅值并判斷焊縫質(zhì)量。這種方法需要作業(yè)人員具備高技能水平,但很難獲取熔合區(qū)域的準確信息。分析研究表明,激光焊縫熔寬能夠用來表征激光焊縫質(zhì)量。為此,本文利用二維陣列式超聲波探頭對激光焊縫熔寬進行檢測,并對熔合區(qū)域進行C掃描成像,從而建立一種基于熔寬快速評估激光焊縫質(zhì)量的方法。
本文選用母材厚度分別為1 mm和2 mm的SUS304奧氏體不銹鋼進行焊接試驗,焊接接頭形式為搭接。采用Nd:YAG固體激光器進行激光焊接,激光束照射于厚1 mm的板材表面。焊接熱輸入和照射區(qū)域、熔池形貌如圖1所示。當熔深超過厚1 mm的板材時,厚2 mm的板材開始熔化;冷卻后,形成了焊接接頭,兩層板材連接在一起。通過控制激光功率和焊接速度,可獲得不同種熔池形貌的焊接接頭。
圖1 激光焊縫的熔池形貌Fig.1 Pool morphology of laser weld
利用二維陣列式探頭對焊接接頭進行超聲波檢測。檢測時,分別將焊縫長度和寬度方向定義為X向和Y向,如圖2所示。探頭由64個陣元組成,每個陣元尺寸為0.4 mm(長度)×0.4 mm(寬度),陣元間隔為0.1 mm,可獨立發(fā)射和接收超聲波縱波信號。64個陣元形成了8×8矩陣,可覆蓋4 mm×4 mm的檢測區(qū)域。
圖2 激光焊縫超聲波檢測示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser weld ultrasonic detection
檢測過程中,每個陣元依次激發(fā)和接收超聲波信號。為避免陣元間的影響,同一時刻僅激發(fā)1個陣元。當所有陣元完成激發(fā)后,可采集到64組A掃描信號,每組信號可反映出搭接面處的熔合特征信息。通過處理信號,可構(gòu)建出搭接面處的熔合特征圖像。本文采用電子掃查替代了機械式掃查,檢測效率明顯提高(檢測時間小于1 s)。
在不考慮焊接缺陷(如氣孔、裂紋)的前提下,焊接接頭強度與搭接面處的熔寬成線性關(guān)系。因此,熔寬可作為評估激光焊縫質(zhì)量的重要特征參數(shù)。在檢測過程中,由于每個陣元所處位置的熔合狀態(tài)不同,所以陣元接收到的A掃描信號的特征也不同。因此,可將所有的特征信號提取出來,用于分析不同區(qū)域的熔合狀態(tài)。
在激光焊縫焊接接頭選取不同位置(見圖3),進行A掃描,掃描圖像見圖4。根據(jù)超聲波的傳播特性,當陣元處于母材位置Ya時,超聲波信號在搭接面處發(fā)生反射;當陣元處于Yc位置時,搭接面處的回波幅值大幅減小,究其原因是由于搭接面隨著母材的熔化而消失,超聲波信號主要由下層板底面反射回波組成;當陣元處于Yb位置時,超聲波信號主要由搭接面反射回波和下層板底面反射回波組成。根據(jù)回波信號特征,可從不同陣元接收到的信號中提取出搭接面反射回波幅值A(chǔ)m。
圖3 陣元位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of array element position
a) 陣元處于Ya位置
由上述分析可知,搭接面處不同位置的回波信號幅值不同,可根據(jù)不同位置搭接面處的A掃描回波幅值A(chǔ)m來構(gòu)建C掃描圖像。根據(jù)不同的回波幅值,利用灰度值構(gòu)建C掃描圖像,如圖5所示。
由于陣元尺寸的限制,原始C掃描圖像比較粗糙,獲得的熔寬尺寸精度并不能滿足實際工程應用要求,因此,可利用線性插值算法將圖像進行優(yōu)化,如圖6所示。
注:白色、灰色和黑色單元格分別代表母材區(qū)域、過渡區(qū)域和完全熔合區(qū)域的特征。圖5 焊接接頭的C掃描原始圖像Fig.5 Original C-scan image of welded joints
圖6 插值優(yōu)化后焊接接頭的超聲C掃描圖像Fig.6 Ultrasonic C-scan image of welded joints after interpolation optimization
當焊接速度一定時,增加激光功率可加大焊接熱輸入。激光焊縫的熔寬和熔深隨著熱輸入的增加而增加。熱輸入直接影響到熔池和焊縫形貌。利用C掃描成像方法可獲得不同熱輸入的熔寬,如圖7所示。由圖7可見,搭接面處的熔寬隨著激光功率的增加而增加。由此可見,C掃描成像結(jié)果與激光焊接原理是一致的。
a) 激光功率為1.0 kW
由于激光功率、焊接速度等焊接參數(shù)的波動,焊縫中某個截面的熔寬值也存在一定的變化。因此,對整條激光焊縫焊接質(zhì)量的評價顯得尤為重要。本文提出了等效熔寬De的概念,用以表征整條焊縫的質(zhì)量。
圖8 a)為從不同陣元位置采集到的搭接面回波幅值特征圖像。圖8 a)中,特征圖像分為高幅值區(qū)A、低幅值區(qū)C和過渡區(qū)B。其中,高幅值區(qū)A表示陣元位于非熔合區(qū)域,低幅值區(qū)域C表示陣元位于熔合區(qū)域;過渡區(qū)域B表示陣元的一部分位于熔合區(qū)域,而另一部分位于非熔合區(qū)域。將采集到的A掃描信號進行投影,形成一條V型曲線,該曲線包含了等效熔寬De的信息。為簡化計算,可將該曲線近似成5條直線(見圖8 b)):2條高幅值水平線OP和NM,2條斜線PH和KN,1條低幅值水平線HK。等效熔寬De為:
De=LHK+kLPH+kLKN
式中:
LHK、LPH、LKN——分別為HK、PH和KN的長度;
k——修正系數(shù),根據(jù)6 dB法則,k取0.5。
為驗證等效熔寬計算模型,制作了對比試塊(見圖9)。對對比試塊進行超聲波檢測,并計算等效熔寬。將De的計算值與實測值進行對比,如圖10所示。由圖10可見,等效熔寬的計算精度很高,誤差小于0.05 mm,能夠滿足實際工程應用需求。
1) 通過對不銹鋼激光焊搭接焊縫超聲波掃描分析,搭接面處的回波幅值與探頭陣元的位置有著良好的對應關(guān)系。
2) 根據(jù)不同的回波幅值可構(gòu)建C掃描圖像,并可通過插值算法將圖像細化,以提高圖像精度。
3) 基于C掃描圖像,建立了等效熔寬的數(shù)學模型,且該模型的計算精度能夠滿足實際工程應用需求。
a) 搭接面回波幅值
a) 主視圖
圖10 等效熔寬的計算值與實測值對比Fig.10 Comparison between calculated value and measured value of equivalent melting width