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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-12-19 12:23
電阻點焊是一種基于焦耳定律開發(fā)的焊接方法，工藝過程涉及電、熱、機械和冶金的相互作用，熔核尺寸和組織形態(tài)對焊點質(zhì)量有決定性作用。
當(dāng)前，電阻點焊常用的熔核無損檢測方法主要有紅外輻射法、焊接參數(shù)監(jiān)測、渦流磁感應(yīng)、X射線透視、超聲波掃查等。
但研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射難以對焊核內(nèi)部溫度進(jìn)行直接監(jiān)測，利用傳感器采集焊接參數(shù)的監(jiān)測方法難以直接反映熔核質(zhì)量的檢測信息，渦流熱成像方法較難識別焊點內(nèi)部缺陷，X射線對人體有害且難以實現(xiàn)原位監(jiān)測。焊后超聲檢測因操作便捷而獲得廣泛應(yīng)用，但點焊質(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，實現(xiàn)電阻點焊質(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。
超聲原位監(jiān)測平臺
超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)主要由運動控制模塊與數(shù)據(jù)處理模塊兩部分構(gòu)成，如圖1所示。
圖1 超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
運動控制模塊由機械臂控制系統(tǒng)、點焊焊鉗等組成，機械臂夾持工件上下料到點焊鉗工位并保持焊件姿態(tài)，點焊焊鉗夾緊進(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，通電后激勵超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號，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)實時監(jiān)測固液界面位置，進(jìn)而檢測熔核厚度，并利用熔核厚度計算熔核直徑。
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，可避免超聲傳感器因過熱而損壞，同時也為超聲傳播提供良好耦合。使用重新設(shè)計的電極臂，可以同時進(jìn)行電阻點焊和超聲檢測工作。
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)
點焊焊接過程的典型超聲回波特征如圖3所示，點焊工件為3 mm厚低碳鋼薄板搭接而成。
圖3 點焊焊接過程的典型超聲回波特征
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處電流最大，鋼板瞬間熔化，且熔化范圍隨著通電時間增加逐漸變大，此時B掃描信號出現(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，通常對應(yīng)焊點熔核的最大值，此時B2為最大熔核上頂點，B3為熔核下頂點。
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。
點焊試驗與數(shù)據(jù)分析
電阻點焊工藝參數(shù)主要有焊接電流、通電時間和電極壓力。影響焊接熱輸入的主要是焊接電流和通電時間，在250 ms通電時間工況下，采用多組不同焊接電流進(jìn)行點焊試驗時的超聲檢測B掃描圖像如圖4和圖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，焊點接收的熱輸入量不足以形核，不會出現(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)域也會明顯增大，菱形區(qū)域高度最大值，即超聲波飛行時間（TOF）對應(yīng)焊核長大的最大厚度。
焊接時間和焊接電流由小到大改變，電極壓力不變時，獲得的在線監(jiān)測B掃描圖像如表1所示。
表1 時間參數(shù)控制組在線監(jiān)測B掃描圖像
由表1可以看出，在焊接電流較?。?.5 kA）時，隨著焊接時間的增加，難以實現(xiàn)有效形核。在焊接電流為7 kA時，焊接時間較短時形核較小，但隨著焊接時間增加，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，即便很短的焊接時間，也可以有效形核，隨著焊接時間的增加，焊核尺寸會逐步增大，對應(yīng)的超聲波飛行時間也變大。
能夠有效形核的情況下，再增加電流和通電時間時的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)域與超聲波飛行時間都會隨焊接電流和焊接時間的增加而增大。
表2 焊接參數(shù)增大對照組的在線監(jiān)測B掃描圖像
為了驗證超聲在線監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性，對測試焊點試件進(jìn)行了焊后C掃描檢測。通過焊后C掃描圖像可識別焊核尺寸，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)測焊點熔核直徑。
表3 TOF特征與焊后C掃描直徑對比
焊核直徑量化方法
通過上述分析可知，熔核直徑越大，實時監(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)熔核也會越大，冷卻凝固時間也會越長。因此，可以采用熔核厚度對應(yīng)的TOF時間作為判據(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。
圖6 C掃描熔核直徑與在線TOF對比結(jié)果
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時間為0.38 μs。
筆者統(tǒng)計了TOF時間與焊接參數(shù)（焊接電流和通電時間）之間的關(guān)系，其對比結(jié)果如圖7和圖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，無法獲得有效熔核直徑。且低于有效電流時，均有未熔合缺陷產(chǎn)生，高于有效電流時，熔核質(zhì)量都滿足標(biāo)準(zhǔn)。
圖7 有效電流以下時TOF與通電時間對比結(jié)果
圖8 有效電流以上時TOF與通電時間對比結(jié)果
結(jié)語
設(shè)計的電阻點焊熔核質(zhì)量超聲原位監(jiān)測系統(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提供良好的耦合；并分析了超聲傳播時間與焊核直徑的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)大于有效焊核尺寸時的超聲傳播時間和焊核直徑具有較好的線性關(guān)系。依據(jù)超聲傳播時間也可以判定焊接電流和通電時間等焊接參數(shù)對形核大小的影響，進(jìn)而評價焊接工藝參數(shù)的有效性。
來源：《無損檢測》2024年12期
第一作者簡介：趙新玉，博士，副教授，主要研究方向為焊接、檢測技術(shù)與裝備。
通信作者簡介：張佳瑩，博士，副教授，主要研究方向為材料的無損檢測與評價。
來源：無損檢測NDT
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