圖 1超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構成
電阻點焊是一種基于焦耳定律開發(fā)的焊接方法,世界上首臺點焊機是利用變壓器作為電源來實現(xiàn)電阻點焊的[1-2]。點焊機工作時,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間,使工件接觸界面局部熔化并冷卻形核[3]。電阻點焊工藝過程涉及電、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[4-5]。當前,電阻點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[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特征予以判定。然而,由于點焊熔核在封閉環(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]利用傳感器準確采集焊接電流、電極間電壓等參數(shù)信息,并計算焊接電流有效值來進行監(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可發(fā)現(xiàn)近表面微小裂紋,但是該方法較難識別焊點內(nèi)部缺陷。鄧云生等[15]利用X射線對鋁合金點焊接頭進行了檢測,指出脫焊的“白環(huán)”與正常焊點存在明顯差異。但X射線對人體有害且難以實現(xiàn)原位監(jiān)測。吳剛等[16]針對點焊超聲檢測信號波峰差異化衰減影響熔核尺寸判定的問題,提出信號增益補償后計算熔核尺寸的方法,結果表明,該方法所計算熔核直徑誤差在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用[17],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、焊核直徑的關系。
1. 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,進而檢測熔核厚度,并利用熔核厚度計算熔核直徑。超聲原位監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖1所示。
原位監(jiān)測超聲傳感器內(nèi)嵌式水冷電極臂結構如圖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。使用重新設計的電極臂,可以同時進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)嵌式水冷電極臂結構
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,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；當電流停止時,通常對應焊點熔核的最大值,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點焊焊接過程的典型超聲回波特征
2. 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行點焊試驗時的超聲檢測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。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,對應的超聲波飛行時間也變大。
Table 1.時間參數(shù)控制組在線監(jiān)測B掃描圖像
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。
Table 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)測結果準確性,對測試焊點試件進行了焊后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)尺寸來預測焊點熔核直徑。
Table 3.TOF特征與焊后C掃描直徑對比
3. 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)高度對應焊核厚度,焊核越厚對應熔核也會越大,冷卻凝固時間也會越長。因此,可以采用熔核厚度對應的TOF時間作為判據(jù),與熔核直徑進行相關分析,兩者的相關性比較如圖6所示。汽車領域標準要求板厚為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擬合結果得知,TOF時間與焊核直徑具有較好的線性關系,4 mm直徑對應TOF時間為0.38 μs。
圖 6C掃描熔核直徑與在線TOF對比結果
筆者統(tǒng)計了TOF時間與焊接參數(shù)（焊接電流和通電時間）之間的關系,其對比結果如圖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)量都滿足標準。
圖 7有效電流以下時TOF與通電時間對比結果
圖 8有效電流以上時TOF與通電時間對比結果
4. 結語
設計了-套電阻點焊熔核質(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提供良好耦合；并分析了超聲傳播時間與焊核直徑的相關性,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線性關系。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,進而評價焊接工藝參數(shù)有效性。
文章來源——材料與測試網(wǎng)