分享：電阻點(diǎn)焊熔核質(zhì)量的超聲原位監(jiān)測

電阻點(diǎn)焊是一種基于焦耳定律開發(fā)的焊接方法,世界上首臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)是利用變壓器作為電源來實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊的[1-2]。點(diǎn)焊機(jī)工作時(shí),通過壓緊兩端電極臂,使兩層或多層金屬薄板在焊接處緊密貼合,再控制電流大小和通電時(shí)間,使工件接觸界面局部熔化并冷卻形核[3]。電阻點(diǎn)焊工藝過程涉及電、熱、機(jī)械和冶金的相互作用,熔核尺寸和組織形態(tài)對焊點(diǎn)質(zhì)量有決定性作用[4-5]。當(dāng)前,電阻點(diǎn)焊常用的熔核無損檢測方法主要有紅外輻射法[6]、焊接參數(shù)監(jiān)測[7]、渦流磁感應(yīng)[8]、X射線透視、超聲波掃查[9]等。 

羅怡等[10]利用紅外輻射監(jiān)視熔核變化,發(fā)現(xiàn)接頭狀態(tài)與開裂、飛濺等焊接缺陷可通過紅外信號(hào)特征予以判定。然而,由于點(diǎn)焊熔核在封閉環(huán)境下形核生長,難以做到焊核內(nèi)部溫度的直接監(jiān)測。白志范等[11]利用傳感器準(zhǔn)確采集焊接電流、電極間電壓等參數(shù)信息,并計(jì)算焊接電流有效值來進(jìn)行監(jiān)測,但是焊接參數(shù)監(jiān)測法難以直接反映熔核質(zhì)量檢測信息[12]。TARAM等[13-14]利用渦流熱成像技術(shù)可發(fā)現(xiàn)近表面微小裂紋,但是該方法較難識(shí)別焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷。鄧云生等[15]利用X射線對鋁合金點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了檢測,指出脫焊的“白環(huán)”與正常焊點(diǎn)存在明顯差異。但X射線對人體有害且難以實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測。吳剛等[16]針對點(diǎn)焊超聲檢測信號(hào)波峰差異化衰減影響熔核尺寸判定的問題,提出信號(hào)增益補(bǔ)償后計(jì)算熔核尺寸的方法,結(jié)果表明,該方法所計(jì)算熔核直徑誤差在0.1 mm以內(nèi),檢測精度較高。焊后超聲檢測因操作便捷而獲得廣泛應(yīng)用[17],但點(diǎn)焊質(zhì)量在線超聲檢測的研究較少。針對上述問題,筆者開發(fā)了內(nèi)嵌超聲傳感器的水冷電極臂,實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊質(zhì)量原位在線監(jiān)測,研究超聲數(shù)據(jù)特征與虛焊缺陷、焊核直徑的關(guān)系。 

1.   超聲原位監(jiān)測平臺(tái)

超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制模塊與數(shù)據(jù)處理模塊兩部分構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制模塊由機(jī)械臂控制系統(tǒng)、點(diǎn)焊焊鉗等組成,機(jī)械臂夾持工件上下料到點(diǎn)焊鉗工位并保持焊件姿態(tài),點(diǎn)焊焊鉗夾緊進(jìn)行焊接。數(shù)據(jù)處理模塊主要由超聲傳感器、脈沖收發(fā)儀與數(shù)據(jù)采集卡組成。利用霍爾傳感器監(jiān)測焊接電流上升沿,通電后激勵(lì)超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號(hào),超聲探頭的中心頻率為10 MHz,脈沖的重復(fù)頻率為1 kHz。在焊核熔化和凝固過程中,超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測固液界面位置,進(jìn)而檢測熔核厚度,并利用熔核厚度計(jì)算熔核直徑。超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。 

圖  1  超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

原位監(jiān)測超聲傳感器內(nèi)嵌式水冷電極臂結(jié)構(gòu)如圖2所示,其通過循環(huán)冷卻水的保護(hù),可避免超聲傳感器因過熱而損壞,同時(shí)也為超聲傳播提供良好耦合。使用重新設(shè)計(jì)的電極臂,可以同時(shí)進(jìn)行電阻點(diǎn)焊和超聲檢測工作。 

圖  2  原位監(jiān)測超聲傳感器內(nèi)嵌式水冷電極臂結(jié)構(gòu)

點(diǎn)焊焊接過程的典型超聲回波特征如圖3所示,點(diǎn)焊工件為3 mm厚低碳鋼薄板搭接而成,通電開始前,A1為工件上表面與銅電極臂接觸面,A2為兩層搭接鋼板之間的一次回波,A3為兩層搭接鋼板之間的二次回波；通電開始后,兩層低碳鋼板之間接觸點(diǎn)處電流最大,鋼板瞬間熔化,且熔化范圍隨著通電時(shí)間增加逐漸變大,此時(shí)B掃描信號(hào)出現(xiàn)固液界面回波特征,如圖中C1（焊核固液界面上界面）、C2（焊核固液界面下界面）所示；當(dāng)電流停止時(shí),通常對應(yīng)焊點(diǎn)熔核的最大值,此時(shí)B2為最大熔核上頂點(diǎn),B3為熔核下頂點(diǎn)；焊接電流停止后,熔核冷卻凝固,水冷電極臂接觸工件處上下表面溫度最低,焊核中心溫度最高,受溫度梯度影響,固液界面逐步向焊核中心凝固,若熔核質(zhì)量良好,兩層板搭接面回波消失。綜上,焊點(diǎn)熔核熔化和凝固過程對應(yīng)菱形超聲B掃描特征區(qū)如圖3中橙色區(qū)域所示。 

圖  3  點(diǎn)焊焊接過程的典型超聲回波特征

2.   點(diǎn)焊試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)主要有焊接電流、通電時(shí)間和電極壓力。影響焊接熱輸入的主要是焊接電流和通電時(shí)間,在250 ms通電時(shí)間工況下,采用多組不同焊接電流進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)時(shí)的超聲檢測B掃描圖像如圖4,5所示。 

圖  4  小電流參數(shù)控制組的超聲檢測B掃描圖像

圖  5  大電流參數(shù)控制組的超聲檢測B掃描圖像

可見,在通電時(shí)間和電極壓力不變（250 ms和3.4 kN）條件下,焊接電流由小到大改變（6,6.5,7.0 kA）,在焊接電流較低（不超過7 kA）時(shí),焊點(diǎn)接收的熱輸入量不足以形核,不會(huì)出現(xiàn)明顯菱形超聲B掃特征,據(jù)此可以判定存在未熔合缺陷。 

隨著焊接電流增大（7.5,8.0,8.5 kA）,焊點(diǎn)出現(xiàn)明顯形核長大和冷卻凝固過程,對應(yīng)菱形超聲B掃特征區(qū)域也會(huì)明顯增大,菱形區(qū)域高度最大值,即超聲波飛行時(shí)間（TOF）對應(yīng)焊核長大的最大厚度。 

焊接時(shí)間和焊接電流由小到大改變,電極壓力不變時(shí),獲得的在線監(jiān)測B掃描圖像如表1所示。由表1可以看出,在焊接電流較?。?.5 kA）時(shí),隨著焊接時(shí)間的增加,難以實(shí)現(xiàn)有效形核。在焊接電流為7 kA時(shí),焊接時(shí)間較短時(shí)形核較小,但隨著焊接時(shí)間增加,菱形超聲B掃特征區(qū)域逐漸增大。即最小焊接有效電流為7 kA。在焊接電流為7.5 kA時(shí),即便很短的焊接時(shí)間,也可以有效形核,隨著焊接時(shí)間的增加,焊核尺寸會(huì)逐步增大,對應(yīng)的超聲波飛行時(shí)間也變大。 

Table  1.  時(shí)間參數(shù)控制組在線監(jiān)測B掃描圖像

焊接電流/kA	焊接時(shí)間/ms
	250	280	310
6.5
7.0
7.5

能夠有效形核的情況下,再增加電流和通電時(shí)間時(shí)的B掃圖像特征變化如表2所示,可以看出,每組B掃圖像的菱形特征區(qū)域與超聲波飛行時(shí)間都會(huì)隨焊接電流和焊接時(shí)間的增加而增大。 

Table  2.  焊接參數(shù)增大對照組的在線監(jiān)測B掃描圖像

焊接電流/kA	焊接時(shí)間/ms
	340	370	400
7.5
8.0
8.5

為了驗(yàn)證超聲在線監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性,對測試焊點(diǎn)試件進(jìn)行了焊后C掃描檢測。通過焊后C掃描圖像可識(shí)別焊核尺寸,通常取最大和最小直徑平均值作為焊核直徑。在線監(jiān)測和焊后檢測結(jié)果比較如表3所示,可以看出,在焊接電流和電極壓力不變（8.0 kA和3.4 kN）條件下,隨焊接時(shí)間增加（400,450,500 ms）,在線監(jiān)測菱形特征區(qū)尺寸和焊后C掃描圖像中的熔核直徑都會(huì)增大,據(jù)此可以通過在線監(jiān)測菱形特征區(qū)尺寸來預(yù)測焊點(diǎn)熔核直徑。 

Table  3.  TOF特征與焊后C掃描直徑對比

焊接時(shí)間/ms	在線監(jiān)測	焊后檢測
400
450
500

3.   焊核直徑量化方法

通過上述分析可知,熔核直徑越大,實(shí)時(shí)監(jiān)測菱形區(qū)也越大。菱形區(qū)高度對應(yīng)焊核厚度,焊核越厚對應(yīng)熔核也會(huì)越大,冷卻凝固時(shí)間也會(huì)越長。因此,可以采用熔核厚度對應(yīng)的TOF時(shí)間作為判據(jù),與熔核直徑進(jìn)行相關(guān)分析,兩者的相關(guān)性比較如圖6所示。汽車領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)要求板厚為3 mm搭接接頭熔核直徑的合格值為不低于4 mm。由熔核直徑與TOF擬合結(jié)果得知,TOF時(shí)間與焊核直徑具有較好的線性關(guān)系,4 mm直徑對應(yīng)TOF時(shí)間為0.38 μs。 

圖  6  C掃描熔核直徑與在線TOF對比結(jié)果

筆者統(tǒng)計(jì)了TOF時(shí)間與焊接參數(shù)（焊接電流和通電時(shí)間）之間的關(guān)系,其對比結(jié)果如圖7,8所示,據(jù)此可以給出合理的工藝參數(shù)區(qū)間范圍,例如,當(dāng)TOF值小于0.38 μs時(shí),無法獲得有效熔核直徑。且低于有效電流時(shí),均有未熔合缺陷產(chǎn)生,高于有效電流時(shí),熔核質(zhì)量都滿足標(biāo)準(zhǔn)。 

圖  7  有效電流以下時(shí)TOF與通電時(shí)間對比結(jié)果

圖  8  有效電流以上時(shí)TOF與通電時(shí)間對比結(jié)果

4.   結(jié)語

設(shè)計(jì)了-套電阻點(diǎn)焊熔核質(zhì)量的超聲原位監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)含有內(nèi)嵌超聲傳感器的水冷電極臂,通過循環(huán)冷卻水在防止傳感器過熱的同時(shí)提供良好耦合；并分析了超聲傳播時(shí)間與焊核直徑的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)大于有效焊核尺寸時(shí)的超聲傳播時(shí)間和焊核直徑具有較好線性關(guān)系。依據(jù)超聲傳播時(shí)間也可以判定焊接電流和通電時(shí)間等焊接參數(shù)對形核大小的影響,進(jìn)而評(píng)價(jià)焊接工藝參數(shù)有效性。

文章來源——材料與測試網(wǎng)