孙鑫宇, 1989年出生, 硕士, 主要从事材料连接质量检测分析、结构可靠性设计的研究工作。E-mail:
采用超声波扫描显微镜获取了点焊接头C扫描图像,分析点焊接头C扫描图像灰度值的分布特征,提出了一种对焊核边缘、焊核直径进行快速检测分析的方法;对不同焊接工艺参数下的不锈钢点焊接头进行表面检测,对比分析基于C扫描图像的焊点检测结果与实际测量值。结果表明,通过这种测量方法不但可以快速得到焊核边缘及焊核尺寸,而且避免了人为因素的影响;与实际测量结果相对比,两者之间相差较小,证实了该检测方法的可行性。
The quality of spot welded joints was evaluated by the scanning acoustic microscope (SAM). The change characteristics of gray level of C-scan image were analyzed. The feasibility of evaluating the quality of spot welded joints and measuring the nugget diameter by using the change of the gray level was provided. And we analyzed the spot welded joints of 1.0 mm stainless steel under different welding parameters. The calculated values of nugget diameter are compared with the measured values by macrophotograph of samples. The results show that this method is available for measuring nugget diameter of the spot welded joints, and can avoid the influence of artificial factors and reduce production costs. The accuracy of testing result was verified by contrasting the metallographs of actual spot welded joints cross section.
电阻点焊是一种重要的结构连接技术,在工业生产领域得到广泛的应用[
近几年,随着检测技术的不断发展,超声波无损检测技术可以高效地检测接头质量,且具有成本低的特点,因而,采用超声波无损检测技术测量电阻点焊接头的焊核直径成为近几年无损检测技术领域的研究热点。赵新玉等[
本文通过分析超声波C扫描图像灰度值的分布特征,提出了一种对焊核边缘、焊核尺寸进行快速检测分析的方法,并通过实例分析验证该检测方法的可行性。
选用SUS304不锈钢,板厚为1.0 mm。研究采用的超声波扫描显微镜的探头频率为15 MHz,分辨率为95 μm,检测系统结构如
超声波检测系统框架图
Framework diagram of ultrasonic inspection system
点焊接头超声波C扫描图像
Ultrasonic C-scan image of spot welding
为确定在灰度图中焊核边缘点的位置,过C扫描图像的中心,基于MATLAB对点焊接头的超声波C扫描图像的灰度值进行测量,典型灰度图如
点焊接头C扫描图像灰度值图
Gray level of C-scan image of spot welding
点焊接头形貌
Magnification appearance of spot welded joint
超声波C扫描图像是基于待检试件内部特定深度的信号而形成的垂直于焊点表面的灰度图,其图像灰度值反映选通闸门内的信号幅值,体现了结合层的熔合程度。由于超声波C扫描图像可以直观、准确的显示点焊接头的内部形貌,利用超声波扫描显微镜对点焊接头进行无损检测在工业应用领域中越来越受到人们的重视。
由
第一步,获取超声波C扫描图像。首先通过超声波扫描显微镜对点焊接头进行超声波C扫描,获得点焊接头的C扫描图像。
第二步,焊核边缘点分析。通过分析C扫描图像灰度值的变化特征,最终确定焊核区域的边缘点。
第三步,图像的阈值分割。在生成超声波C扫描图像的过程中,由于检测系统、待检试件及其他因素的影响,使得回波信号中存在噪声的影响,导致C扫描图像出现失真现象。为了更加清楚的区分接头的内部形貌,进一步进行图像特征识别及各特征区域边缘的界定,对得到的超声波C扫描图像进行了图像增强、阈值分割等处理,如
超声波C扫描图像的边缘分割
Edge segmentation of C-scan image
第四步,焊核中心点的确立。阈值分割后的图像并非规则的圆,为下一步准确的获得C扫描图像直径线上的灰度值增加了难度。试验中,通过MATLAB编写程序寻找阈值分割后图像焊核区域的形心,即焊核区域的中心,如
焊核中心
Center of nugget
第五步,焊核直径的测量。通过上述步骤确定的熔核区域的边缘位置和焊核中心点,对焊核直径进行多次测量求平均值确定焊核直径。
第六步,测量误差分析。对上述测量方法的结果进行测量误差分析,验证该方法的可行性。
焊核直径的测量步骤
Measurement procedure of the nugget diameter
采用板厚为1.0 mm的SUS304不锈钢点焊接头进行实例分析。试验中,通过选择不同的焊接工艺参数对试件进行焊接,具体参数如
焊接条件
Welding conditions
分类 | 焊接电流/kA | 焊接时间/ms | 电极压力/MPa |
系列1 | 4 | 80 | 0.15~0.45 |
系列2 | 4~9 | 80 | 0.4 |
电阻点焊接头是在不同的电极压力、焊接电流、焊接时间等工作参数的作用下,接头处金属随着热输入量的增大逐渐熔化并向外扩张而形成的,所以形成的焊核的各区域都是围绕焊核中心而形成的环形状。采用上述焊核边界确定方法对焊核直径进行检测分析,各组特征点之间的距离与实际焊核直径测量值相对比,结果如
各组特征值测量结果与实际测量值对比
Nugget diameter obtained by experiment and actual measurement
为了进一步对超声波C扫描图像进行检测分析,清楚的区分点焊接头的区域特征,对获得的不锈钢点焊接头的超声波C扫描图像进行图像处理,得到经过阈值分割后的图像,如
为了保证测得的焊核直径的准确性,测量C扫描图像灰度值的线必须通过焊核中心点,所以点焊接头焊核中心的确立对于焊核直径的测量尤为重要。本文通过MATLAB编写的程序得到了阈值分割后图像的焊核中心,如
系列1和系列2中焊核直径测量结果
Testing results of nugget diameter of series number 1 and 2
金相测量值 |
超声测量值 |
绝对误差 |
相对误差/% |
|||||||
系列1 | 系列2 | 系列1 | 系列2 | 系列1 | 系列2 | 系列1 | 系列2 | |||
4.31 | 4.52 | 4.16 | 4.41 | -0.15 | -0.11 | 3.48 | 2.43 | |||
4.27 | 4.6 | 4.34 | 4.53 | 0.07 | -0.07 | 1.64 | 1.52 | |||
4.28 | 4.69 | 4.19 | 4.87 | -0.09 | 0.18 | 2.10 | 3.84 | |||
4.44 | 4.95 | 4.35 | 5.15 | -0.09 | 0.2 | 2.03 | 4.04 | |||
4.52 | 5.04 | 4.68 | 4.87 | 0.16 | -0.17 | 3.54 | 3.37 | |||
4.64 | 5.08 | 4.73 | 5.21 | 0.09 | 0.13 | 1.94 | 2.56 |
对点焊接头进行超声波C扫描检测,分析了C扫描图像灰度值的变化特征,提出了借助灰度值变化特征测量焊核直径的方法,并以不锈钢点焊接头实例对该方法进行了验证。沿焊核直径基于超声波C扫描图像灰度值分布特征确立焊核边界点、测量焊核直径具有可行性,而且,该方法避免了人为因素的影响;将该方法的测量值和实际值相对比,其结果具有高度的吻合度。
赵大伟, 王新阳, 王元勋, 等.钛合金微电阻点焊电极间电压质量检测技术[J].焊接学报, 2014, 35(1):33-36.
腾辉, 张勇, 胡喆.电阻点焊质量监测[J].电焊机, 2014, 44(7):75-78.
孙海涛, 张延松, 来新民, 等.变电极力作用下的电阻点焊质量分析[J].焊接学报, 2008, 29(6):45-48.
赵新玉, 钢铁, 袁媛.薄钢板点焊接头超声信号分析[J].焊接学报, 2005, 26(11):101-105.
刘凯, 钢铁.铝合金点焊焊点超声回波信号特征与熔核直径测量方法[J].焊接学报, 2011, 32(8):105-108.
吴程程.电阻点焊超声成像及其定量检测关键技术的研究[D].杭州:浙江大学, 2013.
郝永魁.电阻点焊接头超声检测数据评估专家系统研究[D].长春:吉林大学, 2015.
THORNTON M, HAN L, SHERGOLD M. Progress in NDT of resistance spot welding of aluminium using ultrasonic C-scan[J]. NDT & E International, 2012, 48:30-38.