一种超声波焊点检测有限元仿真分析方法

摘要

本发明涉及一种超声波焊点检测有限元仿真分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，对焊点质量问题的形式进行归纳定义；步骤2，对质量焊点进行有限元建模，其中，采用平面单元来模拟相关焊点，平面单元长度为0.04mm，每个焊点的有限元模型包括上层板，下层板以及焊核，加载的激励信号为单位幅值的单周期正弦波；步骤3，建立合格焊点的有限元模型，获得合格焊点的超声波回波信号曲线；步骤4，利用质量焊点的有限元模型进行计算，完成相关质量焊点超声波回波信号的提取；通过这种分析方法，对不同质量缺陷的焊点提取和分析信号特征参数，并将这些参数与焊点质量缺陷进行对应，为超声波焊点质量检测快速识别各种质量缺陷提供理论依据。

说明书

发明领域

本发明涉及一种焊点质量检测方法，尤其涉及一种超声波焊点质量检测有限元仿真分析方法。 

背景技术

点焊是连接金属薄板的一种常用方法，这种焊接方法简便易行、经济有效，而且适用于高速自动化生产，因此被广泛应用于现代制造业及其它一些高科技产业与领域，如航空航天、汽车制造、能源、电子及轻工等领域，每年约占世界总焊接量的三分之一。焊接过程中的点焊参数波动将导致焊核直径不足、虚焊，焊核中存在飞溅、气孔、缩松、裂纹等问题，点焊的质量直接影响着焊点的强度，特别是一些关键焊点，焊点质量问题会影响整个结构的性能，因此焊点质量检测显得非常重要。 

焊点质量检测主要有破坏性检测和无损检测两大类，破坏性检测具有成本较高，效率低，破坏性强等缺陷，使得无损检测得到了极大的发展，从20世纪60年代起，国内外学者开始对无损检测做了大量的研究，形成了一系列的无损检测方法，包括电导性检测、热导性检测、红外线检测、X射线检测和涡流检测等方法，在这些方法中，超声波检测具有成本低、使用方便快捷、对人体无伤害、便于现场使用等特点，不仅能有效地检测虚焊接头的质量，而且能进行各类焊点缺陷的识别，同时大大降低了质量控制的成本，因此超声波检测在无损检测中应用最为广泛。 

超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。但遇到异质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。即有一部分超声波在界面上被反射回第一介质，另一部分透过介质交界面进入第二介质。当声波垂直入射界面时，反射波声压p_r与入射波声压p₀之比，称为声压反射率，透射波声压p_t与入射波声压p₀之比称为声压透射率，其表达式为： 

$r=\frac{p_r}{p_0}=\frac{z_2-z_1}{z_2+z_1}---\left(1\right)$$t=\frac{p_t}{p_0}=\frac{{2z}_2}{z_2+z_1}---\left(2\right)$

式中r为声压反射率，t为声压透射率，z₁为第一介质声阻抗，z₂为第二介质声阻抗。 

由于钢的声阻抗远远大于空气的声阻抗，所以超声波从钢中射入空气时几乎没有透射而只有反射。在超声波焊点检测过程中由于焊核直径过小或者焊核中有气孔等都 会出现非底面回波，而焊核与母材的声阻抗相差不到千分之一，所以在母材与焊核中间不会有反射波。 

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱的现象，叫衰减。衰减的原因主要是超声波传播过程中被散射和吸收。超声波焊点检测过程中由于中间焊核的晶粒粗大，会引起严重衰减，焊核过大过小引起的衰减程度不一。 

目前，工程上主要采用超声波脉冲回波法进行焊点检测，并且都是先通过实测得到回波信号曲线，然后根据超声波传播原理来将回波信号特征与焊点质量缺陷进行对应，从而来判断焊点的质量水平，这样得不到超声波检测时具体的传播过程，也使得超声波点焊焊点质量检测回波信号特征的提取和分析不够完善，而且与焊点质量缺陷对应也不够准确，随着超声波检测技术的发展及焊点检测自动化与多焊点同时检测的需求，人们需要对超声波的焊点检测进行越来越深入的研究，多个焊点同时检测信号之间是否有相互干扰也值得研究。工程上还没有对各种点焊的质量缺陷进行归纳定义，进行各种质量缺陷的焊点进行仿真分析，同时也没有针对多个焊点的超声波质量检测的相互干扰性分析，所以在超声波焊点质量检测领域内还没有切实的数值分析理论依据和指导。 

发明内容

本发明的目的是通过对不同质量缺陷的焊点进行归纳定义，建立准确的焊点质量检测有限元模型，提出一种超声波焊点质量检测有限元仿真分析方法，并且通过这种方法为超声波焊点质量检测中快速识别各种质量缺陷提供理论依据，并且可以验证一定距离以上的多焊点同时检测相互之间没有影响。 

本发明的技术方案是提供一种超声波焊点检测有限元仿真分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

步骤1，对焊点质量问题的形式进行归纳定义； 

步骤2，对质量焊点进行有限元建模，其中，采用平面单元来模拟相关焊点，平面单元长度为0.04mm，每个焊点的有限元模型包括上层板，下层板以及焊核，加载的激励信号为单位幅值的单周期正弦波； 

步骤3，建立合格焊点的有限元模型，获得合格焊点的超声波回波信号曲线； 

步骤4，利用质量焊点的有限元模型进行计算，完成相关质量焊点超声波回波信号的提取，与步骤3中的合格焊点的超声波回波信号曲线进行比对分析，判断质量焊 点的存在的具体质量问题； 

进一步地，步骤1中，焊点质量问题包括:压痕过深、压痕过浅、脱焊、薄熔核、小直径熔核、过烧、虚焊。 

进一步地，步骤4中： 

与合格焊点相比，当压痕过浅时，底面回波波峰间隔S大于合格焊点的底面回波波峰间隔； 

与合格焊点相比，压痕过深时，底面回波波峰间隔S小于合格焊点的底面回波波峰间隔； 

与合格焊点相比，当存在脱焊焊点时，无底面回波； 

与合格焊点相比，当存在薄熔核焊点时，回波信号出现衰减降低，底面回波个增多。 

与合格焊点相比，当存在小直径焊点时，回波信号出现中间回波，中间回波峰值处在底面回波峰值中间位置； 

与合格焊点相比，当存在过烧焊点时，回波信号出现衰减增大，底面回波个数减少； 

与合格焊点相比，当存虚焊焊点时，回波信号出现有中间回波，底面回波个数减少。 

本发明的有益效果是： 

本发明通对各种焊点质量缺陷进行归纳定义，并且建立相应的准确的有限元模型，对超声波焊点检测进行有限元仿真分析，为焊点的超声波无损检测提供了一种分析的方法和手段。通过这种分析方法，对不同质量缺陷的焊点提取和分析信号特征参数，并将这些参数与焊点质量缺陷进行对应，为超声波焊点质量检测快速识别各种质量缺陷提供理论依据。 

附图说明

图1是超声波焊点检测有限元仿真流程图； 

图2是合格焊点示意图； 

图3是单个合格焊点有限元模型； 

图4(a)是合格焊点试验检测信号曲线； 

图4(b)是合格焊点仿真检测信号曲线； 

图5(a)压痕过浅焊点示意图; 

图5(b)压痕过深焊点示意图； 

图5(c)压痕不合格焊点及超声波回波信号曲线； 

图6(a)是脱焊焊点示意图； 

图6(b)是脱焊焊点检测信号曲线； 

图7(a)是薄熔核焊点示意图； 

图7(b)是薄熔核焊点焊点检信号曲线； 

图8(a)是小熔核焊点示意图； 

图8(b)是小熔核焊点焊点检信号曲线； 

图9(a)是过烧焊点：熔核尺寸大示意图； 

图9(b)是过烧焊点焊点检信号曲线； 

图10(a)是虚焊焊点示意图； 

图10(b)是虚焊焊点焊点检信号曲线； 

具体实施方式

本发明通过对各种焊点质量缺陷的归纳定义以及焊点检测过程，建立准确的有限元模型，利用有限元数值仿真分析，可以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，通过提取和分析信号特征参数，并将这些参数与焊点质量缺陷进行对应，为超声波焊点质量检测快速识别各种质量缺陷提供理论依据，同时随着超声波检测技术的发展及焊点检测自动化与多焊点同时检测的需求，通过对两个焊点同时进行超声波检测的仿真分析，验证了间隔在一定距离以上的焊点在进行多探头同时检测时信号之间几乎不会发生干扰，即可以进行多探头同时检测，为焊点检测的效率提升提供了依据。 

以下将结合着附图1-10对本发明的具体实施方式进行详细说明。图1为超声波焊点检测有限元仿真流程图，具体如下： 

步骤1，对焊点质量问题的形式进行归纳定义。 

常见的质量焊点问题的形式包括:压痕过深、压痕过浅、脱焊、薄熔核、小直径熔核、过烧、虚焊。 

点焊的形成过程比较复杂，通常由三个过程构成:预压、焊接、保持。首先，在电极压力作用下形成零件与电极、零件与零件的接触，即预压阶段；然后通电，在通 电初期电流仅从接触部位通过，并构成回路产生焦耳热，零件和电极材料的物理性质随温度变化，接触面积逐渐增大，使零件与零件的接触面熔化形成焊核，即焊接阶段；随后断电，保持电极压力；最后，释放电极，点焊结束，从而完成零件与零件之间的一个焊点连接。在这个过程中，伴随着压力的存在母材零件会产生一定的压痕，当中断焊接电流后,焊点熔池中的液态金属从边缘开始逐渐冷却并凝固成一个椭球状焊核，因此焊核是铸造组织,其中的柱状晶粒或树枝状晶粒组织比母材中的晶粒组织粗大得多。以母材为1.4*1.4mm的薄板为例，图2为一个合格焊点示意图，该焊点熔核厚度H为1.2mm，熔核直径D为4.4mm，压痕深度h为0.28mm。 

点焊工艺的特点是大电流、短时间，其温度场分布比较陡。电流通过焊接区的电阻加热所产生的热量，既要保证板材间贴合面熔化，又不允许电极接触面的温度过高。加热不足，会造成未熔合或粘焊；加热过强，又会引起飞溅、粘电极、压痕过深、过热及过烧等缺陷。电极压力和电极接触面积影响着焊接规范，同时，又要受到电网电压、气压等外界因素变化的影响，正是由于焊接过程中随机因素的影响出现缺陷，常见的有：压痕过深、压痕过浅、脱焊、薄熔核、小直径熔核、过烧、虚焊等，附图4-10中皆有对应的示意图，由于焊点质量的类型较多，在实际的检测中，很难对焊点的质量进行确定性的检测。本发明对这些不同质量缺陷的焊点进行相应的质量缺陷有限元建模及超声波检测有限元仿真分析，为焊点的确定性检测提供有效的检测依据。 

步骤2，对质量焊点进行有限元建模，其中，采用平面单元来模拟相关焊点，平面单元长度为0.04mm，每个焊点的有限元模型包括上层板，下层板以及焊核，加载的激励信号为单位幅值的单周期正弦波； 

由于超声纵波主要在沿焊核厚度方向的平面内传播，可以用平面单元来模拟整个焊点，这样不仅可以得到想要的结果，而且节省了大量的运算时间，当沿波传播方向的单元长度等于波长的1/8时，可满足保证计算精度，节省计算时间的要求。 

检测点焊接头时，由于穿过的材料厚度很薄，为了有足够的分辨力，要求超声传感器具有高频、高阻尼、窄脉冲、高分辨力等特点。研究表明，中心频率为15～20MHz为宜。20MHz时的探头可检测薄至0.38mm钢板的点焊接头。本发明所选的激励中心频率为16MHz，经过计算得出单元长度选为0.04mm左右。经过计算验证，当单元在传播方向的长度更小时与单元沿传播方向的长度为0.04mm时的计算结果几乎无 差异。 

通过对板材截面进行网格剖分，在Hypermesh中生成的合格焊点有限元模型如图3所示，该有限元模型同样包含上层板，下层板以及焊核，并且上下层板均有一层0.28mm的压痕，其中焊核与上层板和下层板连接在一起，所以在有限元模型中采用节点重合的方式，焊核直径为4.4mm，焊核厚度为1.2mm，母材与母材间有一层0.04mm的距离。由于母材与焊核的声阻抗相差无几，材料都选为低碳钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.8e3Kg/m3，焊核晶粒粗大，结构阻尼系数大的多，将母材的结构阻尼系数定为0.04，焊核的结构阻尼系数则为0.2。 

本发明选取的激励信号为单位幅值的单周期正弦波，图3中三角形符号即所加正弦激励。 

由于探头的有效检测半径为4.4mm，所以在仿真中的加载方式为用rbe3单元将各个有效半径范围内的节点连接起来，加载处为rbe3的从节点，有效半径内的所有主节点通过从节点进行均等的加载，这样能够很好的反映传感器的属性。该模型可以采用Nastran，Abaqus等商业化软件或者代码进行求解，求解时间步长理论上是越短计算越精确，通过试算时间步长设为激励周期的1/100时间步设为5000步时，求解时间不至太长，并且结果精度也能达到要求。 

步骤3，建立合格焊点的有限元模型，获得合格焊点的超声波回波信号曲线； 

为了验证有限元模型的正确性，本发明针对1.4*1.4mm薄板母材的合格焊点进行了试验验证。 

图(4a)为合格焊点超声波探头实测回波信号曲线，底面回波个数适中，回波衰减适中，无中间回波； 

图(4b)为基于本发明的有限元模型仿真计算得到的合格焊点回波信号曲线，由于实测回波信号已转化为电压信号，并且纵坐标为相对值，而仿真仅使用单位激励，所以在信号幅值上有差异，但曲线趋势和回波特征一致。 

将试验和仿真进行量化的下底面回波间隔对比，表1为实测下底面回波间隔和仿真下底面回波间隔对比及与理论下底面回波相对误差，焊点压痕为0.28mm，两板的实际厚度为2.24mm，取超声波传播速度为5920m/s，则理论下底面回波间隔为0.76μs，仿真和实测下底面回波间隔值相差很小，并且仿真和实测值与理论下底面回波间隔误差都不到8%。 

因此，从回波信号曲线趋势和回波特征以及下底面回波间隔分析，都可以说明该有限元模型的精度，为后续的各种质量缺陷焊点仿真分析的可靠性奠定了基础。 

表1 实测及仿真下底面回波间隔对比 

步骤4，利用质量焊点的有限元模型进行计算，完成相关质量焊点超声波回波信号的提取，与步骤3中的合格焊点的超声波回波信号曲线进行比对分析，判断质量焊点的存在的具体质量问题。 

与合格焊点相比，当压痕过浅时，底面回波波峰间隔S大于合格焊点的底面回波波峰间隔；压痕过深时，底面回波波峰间隔S小于合格焊点的底面回波波峰间隔； 

由于各种质量焊点特征定义量化难度较高，且不具备可操作性，通常根据焊点质量的定性描述，进行超声波回波信号特征定义，以下是描述回波信号特征的几个主要参数： 

1）下层板底面回波波峰间隔S（us或mm）：反应焊接区厚度，及压痕深度. 

2）底面回波幅值的衰减率: 

$\alpha =\frac{1}{3}\underset{i=0}{\overset{3}{\Sigma }}(-20\lg \frac{A_{i+1}}{A_i})---\left(3\right)$

其中，A_i为第i个下底面回波回波幅值. 

3）底面回波个数N₁：某时间段内，下层板底面回波幅值高于预设阀值（X₁），即为一个底面回波. 

4）中间回波个数N₂：某时间段内，中间面回波幅值高于预设阀值（X₂），即为一个中间面回波，合格焊点一般N₂=0. 

图(5a)和(5b)分别为压痕过浅和过深焊点示意图，图(5c)所示为仿真计算得到的压痕过浅、过深焊点回波信号曲线。 

图示可知，与合格焊点相比，当压痕过浅时，底面回波波峰间隔S大于合格焊点的底面回波波峰间隔；压痕过深时，底面回波波峰间隔S小于合格焊点的底面回波波峰间隔；这是因为压痕过浅，信号传播距离长，故底面回波波峰间隔S大，压痕过深，信号传播距离短故底面回波波峰间隔S小。 

图(6a)为脱焊焊点示意图，熔核厚度极小，甚至没有，图(6b)所示为仿真计算得 到的脱焊焊点回波信号曲线，图示可知，与合格焊点相比，当存在脱焊焊点时，无底面回波，此时在合格焊点的底面回波位置，出现波形，但是却属于偶数次中间面回波，奇数次中间回波恰好处于相邻偶数次中间回波峰值中点处，中间面回波衰减小，中间回波个数多，这是因为信号没有经过大晶粒的衰减。 

图(7a)为薄熔核焊点示意图，熔核厚度小，图(7b)所示为仿真计算得到的薄焊核焊点回波信号曲线，图示可知，与合格焊点相比，当存在薄熔核焊点时，回波信号出现衰减降低，底面回波个数多，这是因为熔核厚度小，粗晶粒区域变小。 

图(8a)为小直径焊点示意图，熔核直径小，图(8b)所示为仿真计算得到的小直径焊核焊点回波信号曲线，与合格焊点相比，当存在小直径焊点时，回波信号出现中间回波，中间回波峰值刚好处在底面回波峰值中间位置，这是因为焊核直径小，超声波信号直径较焊核直径大，在下层板底面焊核两端产生了回波，随着直径的减少，第一次中间回波峰值逐渐增大，下底面回波个数理论是减少的，但由于偶数次中间回波与奇数次底面回波的叠加，图示底面回波个数适中。 

图(9a)为过烧焊点示意图，熔核尺寸过大，图(9b)所示为仿真计算得到的过烧焊核焊点回波信号曲线，与合格焊点相比，当存在过烧焊点时，回波信号出现衰减增大，底面回波个数少，这是因为熔核尺寸大，粗晶粒区域增大。 

图(10a)为虚焊焊点示意图，熔核中间有空洞，图(10b)所示为仿真计算得到的虚焊焊点回波信号曲线，与合格焊点相比，当存虚焊焊点时，回波信号出现有中间回波，底面回波个数少，这是因为中间有气孔，信号在气孔处形成回波，并且中间气孔处回波峰值位置反映了气孔所处的纵深位置。 

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。