徐惠妍， 李云峰

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

新型不銹鋼城鐵車(chē)車(chē)體側(cè)墻采用搭接激光焊結(jié)構(gòu)，激光焊時(shí)光束作用的表面層鋼板全熔透，而搭接的下層鋼板僅實(shí)現(xiàn)半熔透，從而達(dá)到作為焊接產(chǎn)品使用面的下層鋼板表面無(wú)焊痕的效果[1-2]。由于激光焊接頭的連接處位于搭接板貼合面激光焊接頭的內(nèi)部，給激光焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)帶來(lái)很大困難，因此，合適的焊接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)搭接激光焊質(zhì)量控制具有重要意義[3-6]。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以其檢測(cè)靈敏度高、速度快、易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作及安全性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，尤其在迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)信息及智能化技術(shù)推動(dòng)下，定量化、智能化超聲波檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，展現(xiàn)出良好的發(fā)展及應(yīng)用前景。針對(duì)搭接激光焊縫熔寬超聲檢測(cè)，文獻(xiàn)[7-9]介紹了一種機(jī)械掃查式超聲檢測(cè)方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了搭接激光焊縫的圖像化C掃描定量超聲檢測(cè)，但該方法存在檢測(cè)效率較低的不足。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)采用電子聚焦掃描檢測(cè)方式，使超聲檢測(cè)效率及實(shí)時(shí)成像性能得到極大提升，成為超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主流方向。因此，文中基于相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)研究不銹鋼搭接激光焊縫的高效超聲檢測(cè)方法及系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試件材料為奧氏體不銹鋼SUS301L薄板，其化學(xué)成分、聲學(xué)特性分別見(jiàn)表1和表2。

表1 奧氏體不銹鋼SUS301L化學(xué)成分 wt.%

表2 奧氏體不銹鋼SUS301L聲學(xué)常數(shù)

1.2 不銹鋼搭接激光焊工藝

不銹鋼搭接激光焊選用的激光焊設(shè)備為額定功率4 kW的Nd：YAG固體激光器，其輸出激光波長(zhǎng)為1.06 μm。激光焊過(guò)程中為防止焊縫氧化及有害成分進(jìn)入焊縫，采用純度大于99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體。

不銹鋼搭接激光焊采用的材料板厚組合為1+1.5 mm，激光焊接頭形式如圖1所示

圖1 不銹鋼搭接激光焊接頭形式

激光焊主要工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不銹鋼搭接激光焊工藝參數(shù)

1.3 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)

相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)為美國(guó)AOS公司出產(chǎn)的32通道相控陣超聲檢測(cè)儀，配套32陣元的線陣超聲探頭，其陣元間距為0.3 mm，中心頻率為10 MHz。該超聲檢測(cè)系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)激光焊縫的電子掃描檢測(cè)。

2 超聲檢測(cè)系統(tǒng)研究

2.1 超聲檢測(cè)方法原理

利用搭接激光焊縫下層鋼板僅是半熔透的特點(diǎn)，搭接激光焊縫的超聲檢測(cè)在工件的半熔透板表面進(jìn)行，以避開(kāi)比較粗糙的焊縫表面，使探頭與工件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的耦合，提高聲波對(duì)工件的入射率，檢測(cè)方法原理如圖2所示。

圖2 超聲檢測(cè)方法原理圖

文中搭接激光焊縫超聲檢測(cè)主要是針對(duì)被焊工件接觸面處的激光焊縫熔寬的檢測(cè)，檢測(cè)的基本原理與一般的焊縫缺陷檢測(cè)基本相同，只是將搭接工件接觸面的焊縫熔合區(qū)視為“缺陷”，通過(guò)對(duì)該“缺陷”邊緣的識(shí)別實(shí)現(xiàn)激光焊縫熔寬的檢測(cè)。文中設(shè)計(jì)了電子掃描與機(jī)械掃描結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)激光焊縫的超聲C掃描檢測(cè)：線陣超聲探頭以垂直工件表面直入射的方式，在垂直于焊縫方向(Y向)進(jìn)行相控式電子掃描檢測(cè)；每完成一次對(duì)激光焊縫的橫向電子掃描檢測(cè)，線陣超聲探頭在平行于焊縫方向(X向)移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，然后進(jìn)行下一次橫向電子掃描檢測(cè)，以此往復(fù)。完成設(shè)定次數(shù)的橫向電子掃描后，將所有掃描點(diǎn)獲得的A波檢測(cè)信號(hào)組合成Nx×Ny的數(shù)組矩陣，對(duì)數(shù)組的A波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征值提取分析，并進(jìn)行灰度值及色彩編碼轉(zhuǎn)換，則生成搭接激光焊縫C掃描超聲檢測(cè)圖像。

2.2 超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

搭接激光焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)由便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)、相控陣超聲檢測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊及探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊等組成。其中，探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖

其主要特點(diǎn)是陣列探頭在模塊的殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并采用水浸耦合方式，而在焊縫C掃描檢測(cè)過(guò)程中整個(gè)探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊與工件采用簡(jiǎn)單的接觸耦合方式，并相對(duì)工件不動(dòng)，大大提高了探頭運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，從而改善聲波檢測(cè)信息質(zhì)量。探頭在模塊殼體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)由微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了盡可能減小探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊的尺寸，提高其操作使用的實(shí)用性，采用微型高精度滑軌導(dǎo)向及同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而使探頭的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及位置控制精度得到保證。

工業(yè)計(jì)算機(jī)是搭接激光焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)模塊及運(yùn)動(dòng)控制模塊的協(xié)同控制，驅(qū)動(dòng)探頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的C掃描超聲檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)模塊由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行工作模式設(shè)定、超聲電子掃描參數(shù)配置及垂直于激光焊縫方向的超聲電子聚焦掃描檢測(cè)控制。相控陣超聲探頭每完成一次電子聚焦掃描檢測(cè)，計(jì)算機(jī)則通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),使其在平行焊縫方向移動(dòng)一個(gè)設(shè)定的步長(zhǎng)，并在此模式下，激光焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)按照設(shè)定的超聲探頭移動(dòng)步數(shù)進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)對(duì)所有掃描點(diǎn)的超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)處理，整個(gè)超聲C掃描結(jié)束后,則對(duì)每個(gè)掃描點(diǎn)的超聲檢測(cè)A波信號(hào)數(shù)據(jù)在時(shí)域及頻域上進(jìn)行特征值提取分析，提取出的特征值轉(zhuǎn)化為超聲檢測(cè)C圖像的灰度值或色彩編碼，在此基礎(chǔ)上形成超聲檢測(cè)C掃描圖像信息。系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面顯示焊縫的超聲C掃描圖像，直觀顯示焊縫熔寬情況的超聲檢測(cè)結(jié)果，在C掃描圖像分析基礎(chǔ)上，對(duì)焊縫熔寬進(jìn)行定量分析計(jì)算，并給出焊縫熔寬值的分析結(jié)果。

2.3 超聲檢測(cè)系統(tǒng)控制軟件

工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)搭接激光焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制及分析。系統(tǒng)軟件功能主要包括：相控陣超聲檢測(cè)模塊檢測(cè)參數(shù)配置及超聲電子聚焦掃描檢測(cè)控制；超聲探頭移動(dòng)參數(shù)設(shè)置及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制；超聲檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)處理、特征值分析提取及焊縫熔寬檢測(cè)結(jié)果的圖像化與定量化分析；超聲檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；系統(tǒng)信息輸入及輸出界面設(shè)計(jì)等。

文中超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件基于Windows開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用面向?qū)ο罂梢暬疺isual C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)，系統(tǒng)軟件流程和顯示主界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 超聲檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程

圖5 超聲檢測(cè)系統(tǒng)主界面

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證文中超聲檢測(cè)系統(tǒng)功能及檢測(cè)效果，采用超聲檢測(cè)結(jié)果與焊接試件金相檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的方法，驗(yàn)證超聲檢測(cè)系統(tǒng)功能及對(duì)焊縫熔寬檢驗(yàn)的準(zhǔn)確程度。一條激光焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果及相應(yīng)若干焊縫斷面實(shí)際的熔寬情況如圖6所示。

(a) 激光焊搭接接頭C掃描圖像

(b) A位置特征曲線與對(duì)應(yīng)橫截面金相照片

(c) B位置特征曲線與對(duì)應(yīng)橫截面金相照片

(d) C位置特征曲線與對(duì)應(yīng)橫截面金相照片

試驗(yàn)表明，對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)分析提取的特征值曲線能夠較好反映激光焊縫的熔寬情況，熔寬的定量分析結(jié)果與實(shí)際金相試樣檢測(cè)結(jié)果吻合較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)不銹鋼搭接激光焊縫熔寬檢測(cè)，開(kāi)發(fā)基于相控陣超聲聚焦檢測(cè)的自動(dòng)及智能超聲檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊縫熔寬的自動(dòng)C掃描超聲檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果圖像化實(shí)時(shí)輸出及焊縫熔寬的智能化定量評(píng)估。電子掃描與步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的結(jié)合及獨(dú)特的超聲探頭內(nèi)水浸耦合方式實(shí)現(xiàn)了激光焊縫的高效、高精度及穩(wěn)定的檢測(cè)。試驗(yàn)表明，研究的超聲檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 及川昌志.確保不銹鋼車(chē)輛車(chē)體激光焊接質(zhì)量的研究[J].國(guó)外機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝,2012(1):9-12.

[2] 王洪瀟,史春元,王春生,等.鐵道客車(chē)用SUS301L不銹鋼非熔透型激光搭接焊工藝[J].熱加工工藝,2009,38(19):136-139.

[3] Lei Yang I, Charles Ume. Measurement of weld penetration depths in thin structures using rans-ission coefficients of laser-generated Lamb waves and neural network [J]. Ultrasonics,2017,78:96-109.

[4] Bao Mi, Charles Ume. Real-time weld penetration depth monitoring with Laser ultrasonic sensing system [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering,2006,128(1):280-286.

[5] 張旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2002(7)：24-26.

[6] Dixon S, Edwards C, Palmer S B, et al. A laser-EMAT system for ultrasonic weld inspection [J]. Ultrasonics,1999,37:273-281.

[7] Gu X P, Xu G C, Liu J, et al. Ultrasonic testing and evaluation of laser welds in stainless steel [J]. Lasers in Engineering，2013,26(1/2):103-113.

[8] Zhou G H, Xu G C, Gu X P, et al. Simulation and experimental study on the quality evaluation of laser welds based on ultrasonic test [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technolog，2017，93(9-12):3897-3906.

[9] 王凌，李云峰，逢煥利，等.數(shù)據(jù)集中多屬性關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)算法[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(4)：56-58.