摘要：目前，汽車制造中主要通過(guò)基于涂布規(guī)格的過(guò)程監(jiān)控和基于最終貼合效果的結(jié)果監(jiān)控保證涂膠品質(zhì)，為提高涂膠質(zhì)量檢測(cè)效率，通過(guò)借鑒超聲波焊點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，探索超聲波相控陣技術(shù)在車身涂膠檢測(cè)中的應(yīng)用，從理論上論證其可行性，并運(yùn)用超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)車身涂膠的無(wú)損檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：超聲波 相控陣 車身涂膠 無(wú)損探傷

中圖分類號(hào)：U466" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240182

Application on Ultrasonic Phased Array Technology in the Detection of Vehicle Body Coating

Abstract： At present， the automotive industry mainly through the process monitoring based on coating specifications， as well as the result monitoring based on the final bonding effect to effectively ensure the quality of the coating. In order to improve coating quality detection efficiency， this paper， by learning from to the ultrasonic welding spot nondestructive testing technology， explores the application of ultrasonic phased array technology in the detection of body glue， and proves its feasibility theoretically， Moreover， this paper also uses ultrasonic phased array nondestructive testing instrument for practical application inspection， and finally realizes the nondestructive testing of body glue.

Key words： Ultrasonic wave， Phased array， Body coating， Nondestructive testing

1 前言

車身是汽車的重要組成部分，是整個(gè)汽車零部件的載體。車身制造主要是將鋼材、鋁材等沖壓零部件通過(guò)焊接、鉚接、螺栓連接等方式組裝、連接到一起，形成完整的車身。在汽車行駛過(guò)程中，為降低車身的鋼材、鋁材等之間的振動(dòng)異響、縫隙漏水、連接力不足等風(fēng)險(xiǎn)，金屬板材之間往往需要適宜的膠水涂布。目前，各汽車制造工廠主要通過(guò)涂布規(guī)格的過(guò)程監(jiān)控、涂裝烘烤硬化后的全破壞檢查等方式檢測(cè)涂膠品質(zhì)，但成本偏高，效率較低，準(zhǔn)確性和時(shí)效性不足。目前，對(duì)于其他車身涂膠檢查的新技術(shù)應(yīng)用國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道[1]。本文借鑒行業(yè)內(nèi)廣泛使用的超聲波無(wú)損焊點(diǎn)檢測(cè)，探索超聲波在車身涂膠檢測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車身涂膠的無(wú)損檢測(cè)，在提升車身涂膠品質(zhì)保證能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車身制造過(guò)程的降本增效。

2 車身涂膠及其檢測(cè)

2.1 車身涂膠

隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展和性能要求的不斷提高，車身涂膠在汽車制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅可以起到增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)、緊固防銹、隔熱減振和內(nèi)外裝飾的作用，還能夠代替某些部件的焊接、鉚接等，實(shí)現(xiàn)相同或不同材料之間的連接，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

車身的涂膠工藝是指在零件上按規(guī)格要求涂膠，再與裝配零件貼合。常用的膠水包括點(diǎn)焊膠、減振膠、折邊膠、結(jié)構(gòu)膠、指壓膠等[2]，其主要成分多為熱固化型合成橡膠、熱固化型環(huán)氧樹脂等，通過(guò)多種化工原材料按比例混合、攪拌加工而成。涂膠的最終品質(zhì)與涂布規(guī)格、涂膠位置的零件配合間隙相關(guān)。

2.2 車身涂膠檢測(cè)方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

從車身涂膠的工藝過(guò)程來(lái)看，當(dāng)前涂膠檢測(cè)主要有基于涂布規(guī)格的過(guò)程監(jiān)控以及基于最終貼合效果的結(jié)果監(jiān)控。

基于涂布規(guī)格的過(guò)程監(jiān)控的檢測(cè)手段包括目視、直尺或量規(guī)測(cè)量、涂膠定量監(jiān)控、視覺檢測(cè)等，主要監(jiān)控涂膠的有無(wú)、膠徑、長(zhǎng)度、涂布位置。目視、直尺或量規(guī)測(cè)量依靠人工檢測(cè)，更有利于手工涂膠作業(yè)的檢測(cè)，通過(guò)涂膠作業(yè)者直接、及時(shí)地進(jìn)行檢查，其中，目視為感官檢查，精度低，但效率高，且能實(shí)現(xiàn)全數(shù)檢查確認(rèn)，對(duì)防止漏膠、明顯的膠徑不足、長(zhǎng)度不足、涂膠偏位等品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)效果顯著，實(shí)用性強(qiáng)。而直尺或量規(guī)測(cè)量，雖能精確到具體數(shù)值，但效率低，一般僅用于抽檢。對(duì)于自動(dòng)涂膠，在保證涂膠的穩(wěn)定、精準(zhǔn)、一致性的同時(shí)，涂膠設(shè)備多自帶定量機(jī)對(duì)涂膠量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)涂膠過(guò)程的定量監(jiān)控，但存在涂膠規(guī)格超差而膠量監(jiān)控卻未超限的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)不良品不能被有效檢出。如當(dāng)一段膠粗細(xì)不均，膠徑局部超限，但涂膠量卻在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，膠量監(jiān)控?zé)o法識(shí)別。目前，行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的涂膠規(guī)格監(jiān)控手段為涂膠視覺檢測(cè)[3]，跟隨膠槍對(duì)涂膠過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照檢測(cè)，或涂膠后進(jìn)行定點(diǎn)拍照檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)涂膠質(zhì)量的實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)檢測(cè)，且具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可追溯的功能，可有效提升涂膠品質(zhì)保證能力。

基于涂膠貼合效果的結(jié)果監(jiān)控的檢測(cè)手段包括內(nèi)窺鏡檢查、涂裝烘烤硬化后的全破壞檢查等，主要監(jiān)控膠體在零件之間的最終貼合效果，確認(rèn)是否存在貼合不到零件、膠體移位、膠體撕裂等缺陷。其中，內(nèi)窺鏡檢查受限于車身結(jié)構(gòu)，檢測(cè)區(qū)域有限，無(wú)法檢測(cè)探頭無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域。目前，行業(yè)內(nèi)主要依賴涂裝烘烤硬化后的全破壞檢查進(jìn)行結(jié)果監(jiān)控，將經(jīng)涂裝烘烤、膠體硬化后的車身或部品進(jìn)行全破壞拆解，對(duì)膠體的貼合效果、長(zhǎng)度、位置、有無(wú)缺陷進(jìn)行目視、測(cè)量，以對(duì)涂膠的最終形態(tài)進(jìn)行全面檢查確認(rèn)，但也存在拆解結(jié)果僅反映拆解對(duì)象實(shí)績(jī)、拆解工時(shí)費(fèi)用高、車身或部品損耗費(fèi)用高的問題，一般僅用于較低頻率的抽檢監(jiān)控。

基于涂布規(guī)格的過(guò)程監(jiān)控僅能反映涂膠過(guò)程的規(guī)格品質(zhì)，不能反映最終的貼合效果，而基于涂膠貼合效果的結(jié)果監(jiān)控，主要依賴于全拆解檢測(cè)，檢測(cè)手段單一、成本高。因此，急需一種新的快速、高效、無(wú)損的涂膠貼合效果監(jiān)控手段。

3 超聲波相控陣技術(shù)

3.1 超聲波技術(shù)

超聲波是一種波長(zhǎng)極短的機(jī)械振動(dòng)波，振動(dòng)頻率高于20 kHz，超出人耳的聽覺上限，可在任何介質(zhì)中傳播，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域。因其波長(zhǎng)比一般聲波短，具有較好的方向性，能像光波一樣定向射束，穿透能力強(qiáng)、能量高，對(duì)人體無(wú)害，遇有界面時(shí)產(chǎn)生反射、透射和波型的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)靈活、精確的超聲檢測(cè)。目前，汽車領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用超聲波無(wú)損探傷技術(shù)進(jìn)行焊點(diǎn)的檢測(cè)[4]，能有效檢測(cè)出焊點(diǎn)的壓痕深度、焊核直徑、內(nèi)部缺陷[5]。

電與超聲波間相互的、可逆的轉(zhuǎn)化主要通過(guò)二氧化硅材質(zhì)的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，從而完成超聲波的產(chǎn)生和接收。

3.2 超聲波相控陣技術(shù)

超聲波相控陣技術(shù)來(lái)源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，后廣泛應(yīng)用于醫(yī)用超聲成像與診斷，2000年以來(lái)開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。超聲波相控陣換能器由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，陣列類型包括一維的線陣列、環(huán)陣列，二維的矩陣列以及非平面的柱面陣列等[6]，電子系統(tǒng)控制按一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)晶片單元，以調(diào)節(jié)和控制焦點(diǎn)的位置和聚焦方向，從而得到不同角度、不同聚焦點(diǎn)的波陣面和聲束，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃查[7]。

4 超聲波相控陣檢測(cè)應(yīng)用開發(fā)

4.1 檢測(cè)原理

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在2種介質(zhì)的分界面上會(huì)發(fā)生反射和透射，一部分聲波反射回原介質(zhì)，另一部分聲波透過(guò)界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，反射率和透射率與介質(zhì)的聲阻抗相關(guān)。介質(zhì)的聲阻抗為：

Z=ρc （1）

式中：Z為介質(zhì)聲阻抗，ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)中聲速。

計(jì)算鋼、膠、水、空氣的聲阻抗，結(jié)果如表1所示，其中，膠的聲速按環(huán)氧樹脂的聲速進(jìn)行估算。

根據(jù)超聲波垂直入射到界面的反射率、透射率公式，進(jìn)一步計(jì)算出鋼/膠界面、鋼/水界面、鋼/空氣界面的聲壓反射率r、聲壓透射率t、聲強(qiáng)反射率R、聲強(qiáng)透射率T，如表2所示。其中，負(fù)值表示相位改變。由計(jì)算結(jié)果可知，超聲波能從鋼介質(zhì)透射入膠、水介質(zhì)，而幾乎不能透射入空氣介質(zhì)，因此，超聲波能對(duì)膠的貼合狀況進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)原理如圖1所示，當(dāng)膠貼合不良時(shí)，板材與膠之間存在空氣，超聲波到達(dá)板材/空氣界面，幾乎不透射，超聲波被反射，即超聲波只在板材間進(jìn)行傳播。當(dāng)膠貼合良好時(shí)，超聲波到達(dá)板材/膠界面，透射波穿透入膠體，直至遇到空氣再反射，即超聲波透過(guò)板材、膠體進(jìn)行傳播。通過(guò)反射回波的強(qiáng)弱、波的傳播時(shí)長(zhǎng)即可判斷膠是否貼合良好。

4.2 檢測(cè)設(shè)備及使用方法

檢測(cè)使用的設(shè)備為超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀，其由主機(jī)、檢測(cè)探頭、編碼器構(gòu)成，主機(jī)同時(shí)具備常規(guī)超聲波檢測(cè)（Ultrasonic Testing，UT）、超聲波相控陣（Phased Array，PA）檢測(cè)功能，并具有相應(yīng)通道接口，通過(guò)連接配置相關(guān)檢測(cè)探頭即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)UT檢測(cè)或超聲波PA檢測(cè)[8]。其中，PA檢測(cè)的掃查類型為扇形或線性，檢測(cè)結(jié)果能以A掃描、B掃描、C掃描、S掃描的圖像在屏幕上直觀呈現(xiàn)，具體呈現(xiàn)形式可選擇設(shè)定。其中C掃描圖像帶有測(cè)量光標(biāo)，通過(guò)移動(dòng)光標(biāo)，可讀取膠的尺寸信息。本文應(yīng)用的檢測(cè)探頭為相控陣PA檢測(cè)探頭，由64個(gè)晶片組成，呈線性排列，每個(gè)晶片可獨(dú)立觸發(fā)并接收超聲波。為更好地適應(yīng)不同厚度板材的檢測(cè)，配置了超聲波頻率分別為10 MHz、15 MHz的探頭各一個(gè)，其中，頻率為15 MHz的檢測(cè)探頭比頻率為10 MHz的檢測(cè)探頭的靈敏度更高，可檢測(cè)更小的缺陷，但探測(cè)深度更淺，更適用于薄板材的涂膠檢測(cè)。編碼器為拉線編碼器，具備磁吸固定功能，通過(guò)拉繩記錄位移量。

檢測(cè)方法是：在被測(cè)零件表面涂布耦合劑，將拉線編碼器通過(guò)磁吸固定在零件上，拉繩與檢測(cè)探頭連接，通過(guò)移動(dòng)檢測(cè)探頭對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行掃查檢測(cè)，如圖2所示。

4.3 檢測(cè)實(shí)例

根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)定超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀檢測(cè)參數(shù)，包括門位/門寬、增益、掃描距離等，對(duì)被測(cè)工件、車身進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

以試片、實(shí)車檢測(cè)為例，對(duì)板材無(wú)漆膠未烘烤硬化、板材有漆膠烘烤硬化2種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后進(jìn)行全破壞對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀能對(duì)車身涂膠進(jìn)行有效檢測(cè)，能檢測(cè)出膠長(zhǎng)、膠寬及斷膠缺陷。

4.4 檢測(cè)應(yīng)用

通過(guò)超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)車身涂膠進(jìn)行檢測(cè)，新增了一種快速、高效、無(wú)損的車身涂膠檢測(cè)手段，在提高車身涂膠品質(zhì)保證能力的同時(shí)，有效避免了全破壞檢查造成的材料、工時(shí)成本損失?？蓪⒃摍z測(cè)手段應(yīng)用于車身涂膠品質(zhì)的日常監(jiān)控、品質(zhì)不良解析中，以實(shí)現(xiàn)車身制造過(guò)程的降本增效。

超聲波檢測(cè)過(guò)程需要使用耦合劑。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，在使用超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)儀檢測(cè)車身涂膠的過(guò)程中，用水代替專用耦合劑進(jìn)行耦合是可行的，通過(guò)噴壺在零件表面噴淋一層均勻、細(xì)密的水珠后檢測(cè)，能夠清晰成像，但需要注意零件的生銹風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)需采用防銹液劑。對(duì)于漆面完整的零件檢測(cè)，為防止探頭楔塊造成的刮痕，可使用醫(yī)用固態(tài)耦合劑進(jìn)行耦合。

在實(shí)際使用過(guò)程中，受車身結(jié)構(gòu)的限制，部分涂膠零件表面可能存在凹凸不平的現(xiàn)象，或受限于其他零件遮擋，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)探頭無(wú)法有效檢測(cè)，此時(shí)，可通過(guò)制作弧形、異形檢測(cè)探頭楔塊，提高檢測(cè)覆蓋率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有車身涂膠檢測(cè)方式及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，借鑒行業(yè)內(nèi)廣泛使用的超聲波焊點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，探索了超聲波相控陣技術(shù)在車身涂膠檢測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)分析超聲檢測(cè)原理，從理論上論證其可行，運(yùn)用超聲波無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)試片、實(shí)車開展實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)車身涂膠的無(wú)損檢測(cè)，在降本增效的同時(shí)，有效提高了車身涂膠品質(zhì)保證能力。

為使超聲波相控陣技術(shù)在車身涂膠檢測(cè)中得到更高效、更廣泛的運(yùn)用，后續(xù)將在探頭行程的編碼方式開發(fā)、探頭楔塊的形狀設(shè)計(jì)與材質(zhì)開發(fā)、耦合介質(zhì)的運(yùn)用開發(fā)等方面進(jìn)行更廣泛的探索，以進(jìn)一步提高車身無(wú)損檢測(cè)的效率、覆蓋率。

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