不锈钢搭接激光焊接头超声波定量检测及质量评估研究

发布时间：2020-08-26 13:22

【摘要】：随着国内大中城市轨道交通的飞速发展,对轨道交通车辆品质的要求越来越高。不锈钢车体以其耐腐蚀性、高安全性以及轻量化等特点,广泛应用于各种类型轨道车辆的制造。目前,对于不锈钢车体的焊接主要采用的是电阻点焊和激光深熔焊(以下简称激光焊)。激光焊主要应用于对不锈钢车体侧墙的焊接,激光束从骨架一侧施焊,蒙皮覆盖于骨架的外侧,为部分熔透的焊接方式,因此,与传统电阻点焊相比,激光焊提高了不锈钢车体的外观质量。在轨道交通领域,对不锈钢车体激光焊接技术的研究已经受到越来越多的重视。然而,焊接参数的波动以及能量从激光束到工件传递不稳定会对焊接接头的形成造成影响;如果两层钢板没有严格卡紧,会使母材熔化不均匀,从而导致未熔合或者熔深不足等缺陷的产生。因此,建立有效评估激光焊接头质量的方法是非常重要的。常用的激光焊接头质量评估方法主要有基于工艺参数的在线评估和焊后破坏性检验。前者只能提供有限的焊接质量信息,不能精确地反映出接头质量;而后者虽然能够精确获得熔宽和熔深等几何参数,但浪费材料、影响生产效率。因此,利用无损检测方法分析焊接接头质量是一个重要的研究方向。而超声波检测技术以其穿透能力强、灵敏度高等优势,适用于对薄板搭接激光焊接头的检测。为实现对搭接激光焊接头的定量检测,本文对激光焊接头超声检测过程进行了深入的研究,最终对焊接接头质量进行有效评估,为实际生产应用提供可靠保证。本文利用COMSOL Multiphysics软件对激光焊接头超声检测进行了有限元数值模拟,分析了超声探头位于母材区域、熔合边缘区域以及熔合中心时声场的瞬态分布和A扫描信号。当探头位于不同区域时,一次回波和二次回波强度都有不同的变化特征,而且利用一次回波幅值是最有效、最直接判断熔合边缘的方法。对超声横向扫描检测进行了仿真,分析了一次回波幅值的变化规律。随着探头从母材区域向熔合中心移动,一次回波幅值逐渐降低,而后出现了极大值。对实际激光焊试件以及物理模拟试件进行了超声C扫描检测,证实了数值模拟中出现的回波幅值极大值点为搭接面的熔合中心。熔合中心的确定为评估小尺寸熔宽提供了依据。对实际激光焊接头超声检测的时域和频域信号进行了分析,归纳出超声探头位于不同位置时,A扫描波形及其相应频谱特性曲线的变化规律。在时域上,利用半衰减法可对熔宽进行评估,也就是说,随着探头从母材向熔合区域移动,当一次回波幅值为母材区域的一半时,可认为探头位于熔宽的一个边缘位置;在频域上,探头在母材区域的第一主频与熔合区域的不同,提取横向扫描过程中探头位于母材与熔合区域的第一主频幅值,当两者的第一主频幅值相等时,探头所处的位置为熔宽的一个边缘位置。对利用半衰减法和频域分析方法的熔宽评估结果进行了试验验证。利用半衰减法对熔宽的评估具有较大误差;而当熔宽尺寸较小时,利用频域分析方法也具有较大误差。对小尺寸熔宽进行了界定,提出小于探头焦柱直径的熔宽为小尺寸熔宽,推导出实际聚焦探头的理论焦柱直径,并基于时域信号建立了小尺寸熔宽计算的数学模型。利用小尺寸熔宽计算的数学模型对频域分析方法获得的熔宽评估值进行了修正,结果表明,该模型能够提高频域分析方法对小尺寸熔宽的评估精度,而且当探头位于熔合中心时,模型的评估精度最高。本文对激光焊缝进行了超声C扫描检测,分别利用时域上的一次回波幅值、频域上的母材区域第一主频幅值以及熔合区域第一主频幅值作为特征值进行了C扫描成像。成像结果表明,虽然C扫描成像能够大致地反映出搭接面熔合边缘的波动规律及形貌,但不能定量显示出熔合中心及边缘特征。因此,提出了激光焊缝特征的提取方法。焊缝特征的提取主要是对各横向扫描线上熔合中心及边缘的特征点进行提取,然后对这些特征点在焊缝长度方向上进行累加。对每一条横向扫描线上一次回波幅值、母材区域第一主频幅值以及熔合区域第一主频幅值的扫描点进行了曲线拟合,确定了扫描线上的唯一熔合中心点及两个边缘特征点,最终实现了对搭接面焊缝特征的提取。提出了等效熔宽的概念。等效熔宽能够反映出搭接面的有效连接面积,从而对焊缝的拉剪性能进行有效评价。进一步研发了激光焊缝自动识别系统。该系统能够对搭接面的熔合中心及边缘进行定量检测,对保证激光焊缝质量具有重要意义。激光焊的工艺参数对熔深的形成具有一定的影响,而且熔深与熔宽之间又有一定的数量关系。利用多元线性回归模型和BP神经网络模型对激光焊熔深进行了预测,选用熔透钢板的板厚、激光功率、焊接速度、离焦量以及超声检测获得的熔宽评估值作为输入参数。预测结果表明,当熔深较小时,多元线性回归模型的预测值具有较大的误差;从整体上来看,BP神经网络模型的预测精度较高,而且具有较强的抗外界干扰能力,具有更高的工程应用价值。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.7
【图文】：

不锈钢车体,电阻点焊,激光焊,焊接接头

吉林大学博士学位论文中，熔宽和熔深是评价接头质量的重要几何参数。多数研究表明，在一定的焊接参数条件下，熔宽和熔深具有某种必然的联系，并且可以用于评价焊接接头的力学性能。因此，建立有效评估激光焊接头质量的方法显得尤为重要[18-22]。骨架(a)骨架(b)

激光焊缝,超声C扫描,C扫描,显示图

图 1.4 激光焊缝超声 C 扫描显示（a）扫描示意图和（b）C 扫描显示图Fig. 1.4 Ultrasonic C-scan for the laser weld: (a) Schematic diagram of the scan and(b) C-scan imaging张驰等人[57]利用常规超声 C 扫描检测出了钛合金扩散焊界面缺陷，并研究了扫描长和检测频率对检测能力的影响。研究结果表明，扫描步长越小，C 扫描图像越清，但扫描时间较长；探头焦点尺寸越小，检测灵敏度越高，有利于对小尺寸缺陷的别。由于常规超声 C 扫描主要采用的是机械扫描方式，在检测过程中具有定位精度高测过程稳定以及显示直观等优点。但在实际的工业应用中，这种机械式扫描常常受工业噪声和环境的影响，检测精度会受到影响；另外，扫描步长决定了检测效率以精度，因此，超声 C 扫描暂时无法满足在线快速检测的要求。

示意图,二维阵列,示意图,高频阵

图 1.6 二维阵列探头检测示意图hematic diagram of the detection by a two-dimensional array ultr 等人[69]对铝合金薄板激光焊气孔型缺陷进行了相控阵超声检缺陷，利用常规 B 扫描方法无法直接观察，必须使用高频阵置为同时发射和接收声波信号，并且将聚焦深度设置为远大

【参考文献】