CN107478721A - 一种点焊质量实时超声无损检测装置及方法 - Google Patents

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王彬
汪小凯
宋雨珂
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Abstract

本发明涉及一种点焊质量实时超声无损检测装置及方法，其装置包括超声探头和与超声探头连接的超声检测仪和计算机，还包括点焊机和点焊电极，所述超声探头具备发射和接收超声波信号的功能，所述超声探头内嵌在所述点焊电极内部；其方法包括以下步骤：S1、启动点焊机、超声检测仪与计算机，冷却水通过冷却水孔流入点焊电极内；S2、在对板材进行电阻点焊过程中，内嵌在点焊电极内的超声探头发射一系列超声扫描脉冲，并收集相应反射信号，通过超声检测仪转换为超声反射波形图，并实时传输到计算机中。本发明在点焊过程中直观、精确、高效地完成了焊点质量综合分析，可以实现薄板点焊质量全过程的在线自动检测。

Description

一种点焊质量实时超声无损检测装置及方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，更具体地说，涉及一种点焊质量实时超声无损检测装置及方法。
背景技术
点焊是连接金属薄板的一种简便易行、经济有效的方法，适用于高速自动化生产。车身的制造质量直接影响汽车整车的使用寿命，电阻点焊是目前车身制造的主要焊接工艺，因此焊点质量的无损检测技术对保证车身装焊质量具有重要意义。随着汽车工业的迅猛发展，对电阻点焊质量的要求不断提高，同时对点焊质量无损检测的精度、效率、成本、自动化和在线化程度的要求也不断提高。点焊质量主要表征为焊点强度，而熔核尺寸是影响焊点强度的主要因素，因此熔核形核及其尺寸的检测是点焊质量无损检测的关键技术。
现有的点焊质量无损检测技术主要分为在线实时监测和焊后无损检测。利用监测点焊过程中直接影响焊点质量的参数，并将测得的参数反馈给控制系统来控制其焊接质量的方法称为在线实时监测。这是一种间接无损检测的方法，其不能直观的反映点焊的熔核尺寸和质量，易受干扰，成本高，操作复杂，存在诸多不确定性因素。焊后无损检测主要是在点焊结束后对焊点质量进行非破坏性无损检测，其主要以超声波检测为主，但其操作环境的独特性严重限制了这种方法在在线检测领域的应用。一方面，常规超声a扫描容易受定位精度的影响，从而影响检测精度；另一方面，超声c扫描和聚焦法又由于其操作复杂性和对耦合剂的要求大大降低点焊生产效率，并难以应用到点焊质量的在线检测中。因此，找到一种直观的无损检测方法，在点焊的过程中检测其焊点质量，并能实现高速自动化在线检测是目前汽车制造行业急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种点焊质量实时超声无损检测装置及方法，结合在线实时监测和焊后无损检测两种方法的优点，解决了超声探头的定位误差问题，并实现了电阻点焊及其质量检测在线同步完成的工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种点焊质量实时超声无损检测装置，包括超声探头和与超声探头连接的超声检测仪和计算机，还包括点焊机和点焊电极，所述超声探头具备发射和接收超声波信号的功能，所述超声探头内嵌在所述点焊电极内部，所述点焊电极内部设有容纳冷却水的腔体，所述超声探头置于所述腔体内，所述点焊电极上设有与所述腔体连通的冷却水孔。
上述方案中，所述超声探头通过可弯曲金属管内嵌在电极内部，与超声探头连接的导线穿过可弯曲金属管与超声检测仪连接。
上述方案中，所述超声探头的晶片平面与点焊电极底面平行。
本发明还提供了一种利用所述的点焊质量实时超声无损检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1、启动点焊机、超声检测仪与计算机，冷却水通过冷却水孔流入点焊电极内；
S2、在对板材进行电阻点焊过程中，内嵌在点焊电极内的超声探头发射一系列超声扫描脉冲，并收集相应反射信号，通过超声检测仪转换为超声反射波形图，并实时传输到计算机中。
上述方案中，在所述步骤S2中，冷却水作为超声耦合剂。
上述方案中，所述超声探头有效直径约为其中t为板材的板厚。
实施本发明的点焊质量实时超声无损检测装置，具有以下有益效果：
1、在电阻点焊的过程中完成点焊质量实时超声无损检测，高效、低成本、操作简便；
2、利用超声反射法直接、直观地分析焊点质量，不受焊接参数波动的影响；
3、超声探头在点焊电极内部，自动实现焊点检测定位，避免探头定位误差，提高检测精度，可靠性强；
4、冷却水良好的充当了超声检测耦合剂，避免了繁琐的耦合剂喷涂过程，简化设备，提高适应性；
5、实现了电阻点焊全过程检测。本发明能实现薄板点焊质量在线自动检测，并能有效提高精度、加快效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明中点焊质量实时超声无损检测装置的结构示意图；
图2是本发明中超声反射法点焊质量检测原理图；
图3是本发明中超声反射法点焊质量检测波形图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明点焊质量实时超声无损检测装置，包括超声探头4、超声检测仪7、计算机8、点焊机和点焊电极1。超声探头与超声检测仪7连接，超声检测仪7与计算机8连接。
超声探头4同时具备发射和接收超声波信号的功能。超声探头4内嵌在点焊电极1内部，点焊电极1内部设有容纳冷却水3的腔体。超声探头4置于腔体内，点焊电极1上设有与腔体连通的冷却水孔2。超声探头4通过可弯曲金属管内嵌在电极1内部，与超声探头4连接的导线9穿过可弯曲金属管6与超声检测仪7连接。超声探头4的晶片平面与点焊电极1底面平行。点焊电极1上设有与可弯曲金属管6配合螺纹连接孔5。无损检测装置用于焊点无损检测时，超声探头4位于待测焊点10上方。
本实施例还提供了利用上述点焊质量实时超声无损检测装置的检测方法。例如对2+2mm低碳钢板电阻点焊实时综合点焊质量分析，利用超声反射法对点焊全过程进行超声波无损检测。
其原理如图2所示：在点焊预压结束时，薄板尚未熔化，超声波只在水层、电极层和单层板的分界面发生三次反射；在点焊加热结束时，两层薄板之间的部分金属已完全熔化形成液态熔核，由于液态熔核与母材的超声波特性差别较大，因此超声波会在水层、电极层、薄板上下表面和液态熔核上下表面的分界面上发生五次反射；在点焊冷却结束时，液态熔核已完全凝固形成焊点，焊点除衰减系数外其他超声特性均考虑与母材相同，因此超声波会在水层、电极层、焊点上下表面的分界面上发生三次反射。点焊过程中，冷却水同时起到了超声耦合剂的作用，控制其流速，避免其流量发生显著变化而干扰超声波信号。
先对现有点焊电极进行修改，电极选用常规柱面电极，外壁直径16mm，内壁直径10mm，底面直径6mm。电极侧面钻单孔，通过可弯曲金属管将有效直径为6mm、频率为15MHz的超声高频探头内嵌在点焊电极内部，并保证探头晶片平面与电极底面平行。通过螺纹连接导线，并穿过可弯曲金属管与超声检测仪和计算机相连。对通用高频交流点焊机设置常规点焊参数，记录点焊预压时间、通电加热时间、冷却维持时间分别为20周波、14周波、30周波(1周波为0.02s)。超声探头有效直径约为其中t为板材的板厚。
启动超声检测仪和计算机，同时启动点焊冷却装置。点焊全过程分为：点焊预压时间段t1，通电加热时间段t2和冷却维持时间段t3。冷却水通过冷却水孔流入电极内，同时启动超声检测仪与计算机。冷却水通过冷却水孔流入点焊电极内，计算机上显示出超声反射波形图。设置好延迟时间为11μs，过滤掉由冷却水层和电极层的反射波形图，只保留在板间的反射波形图。启动电阻点焊开关，在预压20周波、加热14周波、冷却30周波结束的节点上，计算机自动保存一次超声反射波形图，并命名11、12、13，如图3所示。计算机自动处理图11、12、13：图11中相邻两波峰间距与超声声速的乘积等于单层板厚2mm，衰减平缓，证明此反射波形图为单层板的发射波形图；图12中添加了熔化层的反射回波，证明板间金属已熔化；图13中相邻两波峰间距与超声声速的乘积介于单层板厚2mm与双层板厚4mm之间，无小回波，衰减正常，证明焊点有压痕，熔核已形成，熔核直径大于探头晶片直径6mm。综合分析点焊质量合格。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种点焊质量实时超声无损检测装置，包括超声探头和与超声探头连接的超声检测仪和计算机，还包括点焊机和点焊电极，其特征在于，所述超声探头具备发射和接收超声波信号的功能，所述超声探头内嵌在所述点焊电极内部，所述点焊电极内部设有容纳冷却水的腔体，所述超声探头置于所述腔体内，所述点焊电极上设有与所述腔体连通的冷却水孔。
2.根据权利要求1所述的点焊质量实时超声无损检测装置，其特征在于，所述超声探头通过可弯曲金属管内嵌在电极内部，与超声探头连接的导线穿过可弯曲金属管与超声检测仪连接。
3.根据权利要求1所述的点焊质量实时超声无损检测装置，其特征在于，所述超声探头的晶片平面与点焊电极底面平行。
4.一种利用权利要求1-3任意一项所述的点焊质量实时超声无损检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动点焊机、超声检测仪与计算机，冷却水通过冷却水孔流入点焊电极内；
S2、在对板材进行电阻点焊过程中，内嵌在点焊电极内的超声探头发射一系列超声扫描脉冲，并收集相应反射信号，通过超声检测仪转换为超声反射波形图，并实时传输到计算机中。
5.根据权利要求4所述的点焊质量实时超声无损检测装置的检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，冷却水作为超声耦合剂。
6.根据权利要求4所述的点焊质量实时超声无损检测装置的检测方法，其特征在于，所述超声探头有效直径约为其中t为板材的板厚。
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