CN106370733A - 一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法，其特征在于：步骤1：制作焊点样件；步骤2：对焊点样件进行超声波数据采集；步骤3：数据分析与特征值计算；步骤4：特征值统计与寻优求解；步骤5：有限元仿真与修正；步骤6：利用焊点质量评价标准进行焊点质量评价，一种科学可靠的基于超声回波特征的焊点质量评判标准的建立方法，该方法不仅适用于且适用于不同材料类型、不同厚度焊点质量评价标准的建立，且依据该方法建立的评价标准评判结果精准、准确率高、缺陷识别能力强。

Description

一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法

发明领域

本发明涉及一种焊接质量评价标准的建立方法，尤其涉及一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准的建立方法。

背景技术

目前超声波无损检测方法是焊点质量检测中使用最广泛的无损检测方法，且大多是采用国外超声波检测设备。该类检测设备实现焊点质量检测和缺陷类型判别的基本原理是分析焊点超声回波信号，计算得到量化的与焊点质量联系紧密的回波特征值，再将特征值与一定的评价标准进行比对，对焊点的质量情况和缺陷类型做出判定。但是大多厂家对此类设备还停留在应用层面，较少涉及到其内部评价标准和相应的标准建立方法。没有一套明确的建立超声回波特征与焊点质量映射关系的方法，正是该设备一直无法国产化的重要原因之一。

由于超声波检测技术属于无损检测范畴，在焊点质量检测方面具有其独特的优势，因此其应用也越来越广泛，相关领域的技术人员对焊点质量超声波检测方法的研究也越来越多。上海交通大学的王俊强在其发表的论文《基于超声回波特征的电阻点焊接头缺陷识别》中提出了一种基于5个超声回波特征值，利用普通一维统计方法、拉伸试验、金相试验分别建立完好焊点、虚焊接头、小熔核和未焊接头四种缺陷类型与每个特征值的关系，从而建立了一套焊点质量评价标准。文中采用的标准建立方法只能应用于数量较少的焊点样件，其特征值统计方法简单，特征值范围确定的手段不尽合理与精确，且焊点样件中缺陷类型较少，导致其建立的评价标准对缺陷的识别能力和评价准确性不够高。专利号为CN1811335A《点焊融合直径的无损检测方法》一文中公开了一种通过建立熔核直径与焊点超声回波信号特征值t之间的关系，比较每个焊点的t值与标准t值来判别焊点质量是否合格的方法。利用这种方法寻找不同厚度焊点的t值工作量巨大，不易实现，且只能判断焊点合格与否，不具备缺陷识别能力，检测精度也不够高。专利号为CN102509108A《一种焊点缺陷鉴别方法》一文中公开了一种利用神经网络建立焊点表面形态与焊点缺陷类型关系的方法，该方法建立的评价标准仅利用焊点表面形态对焊点进行分类识别，没有真实反应焊点内部结构，使得评判可靠性不够高，且根据焊点特征对神经网络算法改进存在困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准的建立方法。该方法利用软件编程进行特征值的多维统计分析，采用遗传算法进行特征值范围的最优求解，并结合有限元仿真对评价标准进行修正，依据此方法建立的焊点质量评价标准评判结果精准，缺陷识别能力强，且适用于不同材料类型、不同厚度焊点质量评价的建立。

本发明的技术方案是提供一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法，其特征在于：

步骤1：制作焊点样件；

步骤2：对焊点样件进行超声波数据采集；

该步骤中，通过焊点样件的板材上表面、两块板材接触面及焊点样件的板材下表面对超声波的反射，形成包含上表面回波、中间回波及下表面回波的焊点超声波回波信号，反射的超声波信号经探头接收并输入数据采集设备中，在利用数据采集设备将焊点样件扫描回波信号以数值形式导出并储存；

步骤3：数据分析与特征值计算

该步骤中，读取采集的焊点超声波回波数据并重绘回波波形图，对不同质量类型的焊点的超声波数据和回波波形图进行分析，得到与焊点质量相关的特征参数；

1)底面回波个数，记为N₁；

2)中间回波个数，记为M；

3)底面回波波峰间隔S；

4)回波幅值的衰减率α；

计算并提取每个焊点超声回波信号中的底面回波个数、中间回波个数、底面回波波峰间隔和衰减率四个特征值；

步骤4：特征值统计与寻优求解；

利用软件编程建立特征值统计模型对所有焊点样件特征值进行多维统计，根据每种焊点类型的特征值分布规律，联合遗传算法求解每种缺陷对应的最优特征值范围；

步骤5：有限元仿真与修正；

根据超声纵波在焊点内部的传播特性，即超声波主要沿焊核厚度方向传播，用二维平面模型近似模拟各种质量类型的焊点；利用仿真模型的分析计算结果，与基于实验数据建立的焊点质量评价标准进行相互验证与修正；

步骤6：利用焊点质量评价标准进行焊点质量评价；

利用焊点质量评价标准进行焊点质量评价的实施过程如下所述：

步骤6.1、对焊点超声波回波信号中的第一个底面回波峰值进行判断，若它与表面回波峰值满足0.8y₀<y_d1<y₀的关系则进入步骤6.2；若不满足上述关系，认为信号无效，为“无效检测”则继续对超声回波信号进行采集判断循环步骤6.1直到满足上述关系进入步骤6.2，其中y₀、y_d1分别为回波信号中上表面回波幅值、第一个底面回波幅值；

步骤6.2若底面回波波峰间隔S≤S_l，则判断焊点缺陷类型为“压痕过深”，否则进入步骤6.3，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_l为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔下限值；

步骤6.3若底面回波波峰间隔S≥S_h，则判断焊点缺陷类型为“压痕过浅”，否则进入步骤步骤6.4，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_h为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔上限值；

步骤6.4若底面回波个数N≤N_l且衰减率α<α₁，则判断焊点缺陷类型为“过烧”，否则进入步骤6.5，其中N、α分别为回波信号的有效底面回波个数、衰减率，N_l、α₁分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下限值、合格与过烧两种焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.5若底面回波个数满足N_l<N≤N_h，则进入步骤6.6，否则进入步骤6.7，其中N为回波信号的有效底面回波个数，N_l、N_h分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下、上限值；

步骤6.6若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₁≤α<α₂，则判断焊点类型为“合格”，否则进入步骤6.8其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₁、α₂分别为通过上述步骤得到的合格与过烧、合格与小焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.7若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₃≤α<α₄，则判断焊点类型为“薄焊核”，否则为“脱焊”，其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₃、α₄分别为通过上述步骤得到的小焊核与虚焊、脱焊与薄焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.8若y_m1<y_d1，则进入步骤6.9否则判断焊点缺陷类型为“脱焊”，其中y_m1为第一个中间面回波幅值，y_d1为第一个底面回波幅值；

步骤6.9若衰减率满足α₂≤α<α₃，则判断焊点缺陷类型为“小焊核”，否则为“虚焊”，其中α为回波信号的衰减率，α₂、α₃分别为通过上述步骤得到的合格与小焊核、小焊核与虚焊焊点质量类型的衰减率范围分界值本发明的有益效果在于提供了一种科学可靠的基于超声回波特征的焊点质量评判标准的建立方法，该方法不仅适用于且适用于不同材料类型、不同厚度焊点质量评价标准的建立，且依据该方法建立的评价标准评判结果精准、准确率高、缺陷识别能力强。

附图说明

图1为焊点质量评价标准建立方法的流程图。

图2为样件板材切割尺寸要求示意图。

图3为焊点样件焊接时搭接装夹示意图。

图4为焊点超声波数据采集设备示意图。

图5为超声波回波信号示意图。

图6为软件重绘的焊点样件超声波数据回波信号图。

图7为特征值统计模型联合算法寻优示意图。

图8为某种具体质量类型的焊点有限元模型示意图。

图9为依据该方法建立的焊点质量评价标准流程图。

具体实施方式

以下将结合附图1-9对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1为焊点质量评价标准建立方法的流程图。如图1所示，该焊点质量评价标准建立方法的实施方式主要包含焊点样件制作、焊点超声波数据采集、数据分析与特征值计算、特征值统计与寻优求解、有限元仿真与修正以及最终评价标准的建立六个步骤，其具体操作方法如下：

第一步：焊点样件的制作

为了获得实际的焊点缺陷，可以通过调节焊接工艺参数与焊接条件，焊接获取包含不同焊点质量类型的焊点试样，为标准建立提供可靠的样本。

1)根据所要建立质量评价标准的焊点的材料类型和厚度选择相应的制样板材，将所选的板材依据中华人民共和国国家标准GB/T15111－94中相应的制样尺寸要求进行裁剪备用，如图2所示。

2)将试样依据相应焊点材料和厚度的组合顺序与方式，按照图3的方式搭接，并在夹具上装夹待焊。搭接前需去除试样边缘剪切毛刺并用酒精和钢刷清除表面油污锈迹等并确保搭接区域能良好贴合。

3)利用人为改变焊接参数的方法，焊接后获得具有不同缺陷类型，包括合格、压痕过深、压痕过浅、过烧、小焊核、薄焊核、虚焊及脱焊八种类型的焊点样件并标记编号。

第二步：样件超声波数据采集

焊点超声波回波信号中包含了许多可以表征焊点质量和缺陷类型的有用特征信息，因此我们需要采集这些已知缺陷类型的焊点样件的超声波回波数据，以作后续处理将焊点的具体类型与这些特征信息建立明确的对应关系，为焊点质量评价标准的建立提供可靠的实验数据。

图4为焊点超声波数据采集示意图。设备上探头中的压电晶片产生频率超过20KHz的机械波，即超声波，经传播介质传入焊点样件板材中，因各种介质的声阻抗不同，因此板材上表面、两块板材接触面及板材下表面处均对超声波有反射作用，形成包含上表面回波、中间回波及下表面回波等的焊点超声波回波信号。反射的超声波信号经探头接收并输入数据采集设备中，利用数据采集设备将焊点样件A型扫描回波信号以数值形式导出并储存。图4中所示的超声波回波信号图，其横轴为时间，纵轴为信号强度。数据采集过程中需要注意的有：

1)探头直径和中心频率要根据焊点样件板材的厚度合理选择。

2)数据采集时需保证探头中心与焊点中心对齐、探头与焊点表面垂直。

第三步：数据分析与特征值计算

利用软件读取采集的焊点超声波回波数据并重绘回波波形图，对不同质量类型的焊点的超声波数据和回波波形图进行分析，可看出波形数据包含了大量与焊点质量联系紧密的特征参数。在分析数据的同时需将不合理、无效的数据筛选出来并剔除，这些数据不参与后续标准建立过程。结合论文资料中的理论依据，完成对特征值的定义。

图5为超声波回波信号示意图，其横轴为信号采样点个数，纵轴为信号强度，其中x₀、y₀分别为上表面回波峰值所在位置对应的采样点个数及上表面回波幅值；x_d1、x_d2...x_dN分别为第1、2…N个底面回波峰值所在位置对应的采样点个数，y_d1、y_d2...y_dN分别为第1、2…N个底面回波幅值；x_m1、x_m2...x_mM分别为第1、2…M个中间面回波峰值所在位置对应的采样点个数，y_m1、y_m2...y_mM分别为第1、2…M个中间面回波幅值。

图6为软件重绘的焊点样件超声波数据回波信号图，图中指明了回波信号中的上表面回波、中间回波以及下表面回波。参照图5和图6所示，焊点超声波回波信号中的底面回波个数、中间回波个数、底面回波波峰间隔和衰减率四个特征值定义如下：

1)底面回波个数。一个超声波回波信号波形中，若底面反射波幅值高于预设底面回波阀值，则为一个有效底面回波，波形中有效底面回波个数即为底面回波个数，记为N。

2)中间回波个数。一个超声波回波信号波形中，若中间面反射波幅值高于预设中间回波阀值，则为一个有效中间回波，波形中有效中间面回波个数即为中间回波个数，记为M。

3)底面回波波峰间隔S(mm)。两个相邻底面回波波峰之间的距离间隔S(mm)，反应了焊接区厚度及压痕深度。S＝0.5(x_d2-x_d1)Vt，x_d1、x_d2分别为第一个、第二个底面回波横坐标值，V为超声波声速(m/s)，t为采样点时间间隔(s)。

4)回波幅值的衰减率α(无量纲)。不同类型的焊点其内部微观组织结构不同，对超声波的衰减程度也不同，用衰减率表征此衰减程度，其中y_dn为第n个底面回波幅值，N为有效底面回波个数。

依据上述特征值定义方法，计算提取每个焊点超声回波信号中的底面回波个数、中间回波个数、底面回波波峰间隔和衰减率四个特征值。

第四步：特征值统计与寻优求解

为准确找出每种焊点类型对应的超声波特征值范围，利用软件编程建立特征值统计模型对所有焊点样件特征值进行多维统计，根据每种焊点类型的特征值分布规律，联合遗传算法求解每种缺陷对应的最优特征值范围。图6为特征值统计模型联合算法寻优示意图，结合图7，详细叙述统计寻优过程，具体如下：

1)图7中样件特征值为第三步中求得的所有样件的四个特征值。

2)统计计算模型是用相关软件编程搭建的可进行特征值统计计算与绘图的模型，利用该模型实现征值的多维统计、绘图及提供遗传算法可调用的用于计算的程序。根据不同焊点类型的内部结构分析可知，在实际检测中，探头直径选择合理的情况下，只有小焊核、脱焊、虚焊三种缺陷类型存在中间回波，而其他几种类型不存在中间回波，即可根据焊点产生波回波信号中是否有中间回波来判断该焊点是否属于小焊核、脱焊、虚焊中的一种，而焊点的具体质量类型则需要结合其他三个特征值才能进行明确判定。因此在利用模型进行特征值的多维统计的时候，只需要对底面回波个数、底面回波波峰间隔和衰减率三个特征值进行三维统计分析。利用软件对特征值进行多维统计分析作图，可大致看出不同焊点质量类型的特征值分布规律，特征值具体范围的确定则需要结合计算程序，利用遗传算法寻找得出。

3)直接调用遗传算法中的具体算法类型，设置好输入输出参数及目标参数，则可根据上述统计计算模型中的条件经多次寻优计算，寻找出符合要求的不同焊点质量类型对应的最优特征值范围。

根据所求的不同焊点质量类型对应的特征值范围，可建立一个根据实验统计数据得到的初版焊点质量评价标准。由于上述过程中一些人为因素及一些其它不可控因素的存在，因此目前建立的初版评价标准仍有不尽准确的地方，为提高评价标准的准确性和可靠性，需采取一定措施对其进行修正完善。

第五步：有限元仿真与修正

图8为某种具体质量类型的焊点有限元模型示意图。根据超声纵波在焊点内部的传播特性，即超声波主要沿焊核厚度方向传播，可以用二维平面模型来近似模拟各种质量类型的焊点。利用仿真模型的分析计算结果，与基于实验数据建立的焊点质量评价标准进行相互验证与修正。具体过程如下所述：

1)对板材截面进行网格剖分，在相关软件中生成合格、压痕过深、压痕过浅、过烧、小焊核、薄焊核、虚焊及脱焊八种焊点质量类型的有限元模型。

2)依据对各种焊点质量类型的归纳定义，利用有限元数值仿真分析，得到超声波在各种质量焊点中的传播过程以及回波特征信号曲线。

3)提取分析仿真信号特征参数，将这些参数与焊点质量类型进行对应，与基于实验数据建立的焊点质量评价标准进行相互比较验证并对相应特征值的范围进行修正。

第六步：最终评价标准的建立

通过对标准的反复验证与修正，形成了最终可靠性高、缺陷识别能力强的焊点质量评价标准。

图9为依据该方法建立的焊点质量评价标准流程图，图中N_l、N_h分别为底面回波个数下限值、上限值，S_l、S_h分别为底面回波波峰间隔的下限值、上限值，α₁、α₂、α₃、α₄为不同缺陷类型的衰减率范围分界值。在获得焊点的超声回波信计算出特征值后，该评价标准进行焊点质量评价的实施过程如下所述：

1)对焊点超声波回波信号中的第一个底面回波峰值进行判断，若它与表面回波峰值满足0.8y₀<y_d1<y₀的关系则进入2)；若不满足上述关系，认为信号无效，为“无效检测”则继续对超声回波信号进行采集判断循环1)直到满足上述关系进入2)，其中y₀、y_d1分别为回波信号中上表面回波幅值、第一个底面回波幅值；

2)若底面回波波峰间隔S≤S_l，则判断焊点缺陷类型为“压痕过深”，否则进入3)，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_l为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔下限值；

3)若底面回波波峰间隔S≥S_h，则判断焊点缺陷类型为“压痕过浅”，否则进入步骤4)，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_h为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔上限值；

4)若底面回波个数N≤N_l且衰减率α<α₁，则判断焊点缺陷类型为“过烧”，否则进入5)，其中N、α分别为回波信号的有效底面回波个数、衰减率，N_l、α₁分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下限值、合格与过烧两种焊点质量类型的衰减率范围分界值；

5)若底面回波个数满足N_l<N≤N_h，则进入6)，否则进入7)，其中N为回波信号的有效底面回波个数，N_l、N_h分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下、上限值；

6)若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₁≤α<α₂，则判断焊点类型为“合格”，否则进入8)，其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₁、α₂分别为通过上述步骤得到的合格与过烧、合格与小焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

7)若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₃≤α<α₄，则判断焊点类型为“薄焊核”，否则为“脱焊”，其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₃、α₄分别为通过上述步骤得到的小焊核与虚焊、脱焊与薄焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

8)若y_m1<y_d1，则进入9)否则判断焊点缺陷类型为“脱焊”，其中y_m1为第一个中间面回波幅值，y_d1为第一个底面回波幅值；

9)若衰减率满足α₂≤α<α₃，则判断焊点缺陷类型为“小焊核”，否则为“虚焊”，其中α为回波信号的衰减率，α₂、α₃分别为通过上述步骤得到的合格与小焊核、小焊核与虚焊焊点质量类型的衰减率范围分界值；

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (2)

1.一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法，其特征在于：

步骤1：制作焊点样件；

步骤2：对焊点样件进行超声波数据采集；

该步骤中，通过焊点样件的板材上表面、两块板材接触面及焊点样件的板材下表面对超声波的反射，形成包含上表面回波、中间回波及下表面回波的焊点超声波回波信号，反射的超声波信号经探头接收并输入数据采集设备中，在利用数据采集设备将焊点样件扫描回波信号以数值形式导出并储存；

步骤3：数据分析与特征值计算

该步骤中，读取采集的焊点超声波回波数据并重绘回波波形图，对不同质量类型的焊点的超声波数据和回波波形图进行分析，得到与焊点质量相关的特征参数；

1)底面回波个数，记为N₁；

2)中间回波个数，记为M；

3)底面回波波峰间隔S；

4)回波幅值的衰减率α；

计算并提取每个焊点超声回波信号中的底面回波个数、中间回波个数、底面回波波峰间隔和衰减率四个特征值；

步骤4：特征值统计与寻优求解；

利用软件编程建立特征值统计模型对所有焊点样件特征值进行多维统计，根据每种焊点类型的特征值分布规律，联合遗传算法求解每种缺陷对应的最优特征值范围；

步骤5：有限元仿真与修正；

根据超声纵波在焊点内部的传播特性，即超声波主要沿焊核厚度方向传播，用二维平面模型近似模拟各种质量类型的焊点；利用仿真模型的分析计算结果，与基于实验数据建立的焊点质量评价标准进行相互验证与修正；

步骤6：利用焊点质量评价标准进行焊点质量评价；

利用焊点质量评价标准进行焊点质量评价的实施过程如下所述：

步骤6.1、对焊点超声波回波信号中的第一个底面回波峰值进行判断，若它与表面回波峰值满足0.8y₀<y_d1<y₀的关系则进入步骤6.2；若不满足上述关系，认为信号无效，为“无效检测”则继续对超声回波信号进行采集判断循环步骤6.1直到满足上述关系进入步骤6.2，其中y₀、y_d1分别为回波信号中上表面回波幅值、第一个底面回波幅值；

步骤6.2若底面回波波峰间隔S≤S_l，则判断焊点缺陷类型为“压痕过深”，否则进入步骤6.3，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_l为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔下限值；

步骤6.3若底面回波波峰间隔S≥S_h，则判断焊点缺陷类型为“压痕过浅”，否则进入步骤步骤6.4，其中S为回波信号的底面回波波峰间隔，S_h为通过上步骤得到的底面回波波峰间隔上限值；

步骤6.4若底面回波个数N≤N_l且衰减率α<α₁，则判断焊点缺陷类型为“过烧”，否则进入步骤6.5，其中N、α分别为回波信号的有效底面回波个数、衰减率，N_l、α₁分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下限值、合格与过烧两种焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.5若底面回波个数满足N_l<N≤N_h，则进入步骤6.6，否则进入步骤6.7，其中N为回波信号的有效底面回波个数，N_l、N_h分别为通过上述步骤得到的底面回波个数下、上限值；

步骤6.6若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₁≤α<α₂，则判断焊点类型为“合格”，否则进入步骤6.8其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₁、α₂分别为通过上述步骤得到的合格与过烧、合格与小焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.7若中间面回波个数M＝0且衰减率满足α₃≤α<α₄，则判断焊点类型为“薄焊核”，否则为“脱焊”，其中M、α为回波信号的有效中间面回波个数、衰减率，α₃、α₄分别为通过上述步骤得到的小焊核与虚焊、脱焊与薄焊核焊点质量类型的衰减率范围分界值；

步骤6.8若y_m1<y_d1，则进入步骤6.9否则判断焊点缺陷类型为“脱焊”，其中y_m1为第一个中间面回波幅值，y_d1为第一个底面回波幅值；

步骤6.9若衰减率满足α₂≤α<α₃，则判断焊点缺陷类型为“小焊核”，否则为“虚焊”，其中α为回波信号的衰减率，α₂、α₃分别为通过上述步骤得到的合格与小焊核、小焊核与虚焊焊点质量类型的衰减率范围分界值。

2.根据权利要求1所述的其特征在于，步骤5中，

步骤5.1对板材截面进行网格剖分，在相关软件中生成合格、压痕过深、压痕过浅、过烧、小焊核、薄焊核、虚焊及脱焊八种焊点质量类型的有限元模型；

步骤5.2依据对各种焊点质量类型的归纳定义，利用有限元数值仿真分析，得到超声波在各种质量焊点中的传播过程以及回波特征信号曲线；

步骤5.3提取分析仿真信号特征参数，将这些参数与焊点质量类型进行对应，与基于实验数据建立的焊点质量评价标准进行相互比较验证并对相应特征值的范围进行修正。