導(dǎo)語(yǔ)：超聲波壓接質(zhì)量檢測(cè)方法研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:壓接作為金屬類(lèi)工件的一種連接方式，其壓接質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響該類(lèi)型工件的使用。該文總結(jié)現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足，以鋼制棒材與鋁制套管的被壓接工件作為研究對(duì)象，分析被壓接工件的結(jié)構(gòu)及典型的壓接缺陷，提出基于超聲波的壓接質(zhì)量檢測(cè)方法。仿真分析超聲波的聲場(chǎng)分布，得到適用于壓接質(zhì)量檢測(cè)的探頭頻率。搭建壓接質(zhì)量超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)試塊和被壓接工件進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：超聲檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被壓接工件壓接質(zhì)量的檢測(cè)，徑向和軸向檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)0.1mm，可滿足檢測(cè)要求，驗(yàn)證該文提出方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞:被壓接工件;壓接質(zhì)量;超聲檢測(cè);仿真分析

壓接是用手動(dòng)或自動(dòng)的專(zhuān)用壓接工具對(duì)兩種金屬進(jìn)行機(jī)械壓緊而產(chǎn)生的連接，是讓金屬在規(guī)定的限度內(nèi)發(fā)生變形并將金屬連接到一起的一種技術(shù)。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于架空輸電線路的金具連接中，比如輸電線路中的錨固類(lèi)金具及線束冷壓端子等都是通過(guò)壓接的方式進(jìn)行金屬連接的[1]。被壓接的工件在壓接過(guò)程中質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致被壓接的兩個(gè)部分不能密實(shí)地連接到一起，容易發(fā)生脫落，從而影響工件的使用[2-3]。對(duì)于被壓接工件壓接質(zhì)量檢測(cè)方法主要有外表尺寸測(cè)量法和力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)法。外表尺寸測(cè)量法是對(duì)壓接后的被壓接工件進(jìn)行尺寸測(cè)量來(lái)分析工件壓接的好壞，這種方法不能直接觀察到其內(nèi)部的壓接狀況。力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)法是一種破壞性的檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)壓接后的工件進(jìn)行解剖，直接檢查其內(nèi)部的壓接狀況。此方法只是一種抽樣檢查，無(wú)法代表所有該類(lèi)型被壓接工件的壓接質(zhì)量。針對(duì)被壓接工件的壓接質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者與單位展開(kāi)了一系列研究。楊帆等[4]使用X射線對(duì)輸電線路中的錨固金具進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)X光片對(duì)壓接后的金具內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；趙洲峰等[5]使用數(shù)字射線對(duì)已知壓接缺陷的錨固金具進(jìn)行檢測(cè)，得到了壓接缺陷的典型圖像；張鵬等[6]研制了適于現(xiàn)場(chǎng)地面的射線檢測(cè)裝置。當(dāng)前大部分的研究都是使用射線檢測(cè)，由于該方法能直接對(duì)工件內(nèi)部的壓接狀況進(jìn)行檢測(cè)，并且對(duì)工件沒(méi)有損壞，因此被用于進(jìn)行被壓接工件的壓接質(zhì)量檢測(cè)[7-8]。但是射線檢測(cè)設(shè)備屬于特種設(shè)備，設(shè)備笨重、價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜，還會(huì)對(duì)檢測(cè)人員的身體健康造成危害[9]。射線檢測(cè)存在的問(wèn)題導(dǎo)致需要尋找另外一種成熟的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)被壓接工件內(nèi)部的壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。目前，成熟的無(wú)損檢測(cè)方法主要包括射線檢測(cè)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）、液體滲透檢測(cè)（PT）和渦流檢測(cè)（ET）5種，除去已經(jīng)被淘汰的射線檢測(cè)（RT），還剩下4種檢測(cè)方法。其中，磁粉檢測(cè)（MT）和液體滲透檢測(cè)（PT）都只適用于物體表面的檢測(cè)，無(wú)法對(duì)被壓接工件內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，而渦流檢測(cè)（ET）是利用電磁感應(yīng)原理在物體內(nèi)部形成渦流來(lái)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，該方法無(wú)法判斷被檢測(cè)物體內(nèi)部的具體形狀。由于超聲波穿透能力強(qiáng)、靈敏度高，成像方式靈活，制造成本低[10]，廣泛運(yùn)用于金屬材料的探傷檢測(cè)。本文提出使用超聲波對(duì)被壓接工件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

1檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)

檢測(cè)對(duì)象為帶凹槽的棒材與管材的被壓接工件，該結(jié)構(gòu)為典型的被壓接工件結(jié)構(gòu)。棒材使用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，上面有若干個(gè)環(huán)形凹槽，其數(shù)量和尺寸是已知的，管材是用鋁合金制成的中空套管。壓接時(shí)將鋁制套管套在鋼制棒材上，以壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形，從而使鋁制套管與鋼制棒材結(jié)合為一個(gè)整體。其壓接區(qū)域的結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓接的目的是使鋁制套管密實(shí)地嵌入到鋼制棒材的凹槽中。壓接前先標(biāo)定凹槽所在位置，劃印壓接標(biāo)記。使用壓接工具對(duì)鋁制套管與鋼制棒材的凹槽處進(jìn)行壓接，從而得到檢測(cè)使用的被壓接工件。

2壓接缺陷及檢測(cè)方法

2.1壓接缺陷。鋼制棒材與鋁制套管的壓接一般存在有兩種壓接缺陷：1）鋁制套管和鋼制棒材壓接位置不正確，由于鋁的流動(dòng)性導(dǎo)致壓接點(diǎn)發(fā)生變化等原因，壓接位置可能出現(xiàn)差錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致有的凹槽沒(méi)有被鋁材嵌入；2）由于液壓系統(tǒng)輸出動(dòng)力不足的原因，壓接時(shí)壓力不夠，鋁套管與鋼制棒材壓接不密實(shí)，即凹槽中沒(méi)有被鋁套管的嵌入部分充滿，使得凹槽中還留有空隙。壓接的實(shí)質(zhì)就是兩部分的金屬在壓力的作用下產(chǎn)生塑性形變相互緊密接觸，實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合。無(wú)論是壓接位置不到位還是壓接不密實(shí)，都是有部分金屬未緊密結(jié)合，不能達(dá)到預(yù)期結(jié)合強(qiáng)度，使被壓接的部分無(wú)法承受原本可以承受的拉力，導(dǎo)致壓接部分被拉開(kāi)。2.2檢測(cè)原理及方法。對(duì)于鋼制棒材與鋁制套管的壓接，鋼制棒材上凹槽的數(shù)量與尺寸都是已知的。當(dāng)完成壓接工序后，鋁制套管將密實(shí)地壓接在棒材凹槽中，鋁材會(huì)充滿棒材凹槽，其嵌入棒材凹槽部分的數(shù)量與尺寸應(yīng)與壓接前棒材凹槽的數(shù)量與尺寸是一致的。使用超聲波對(duì)壓接后凹槽處的鋁套管進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行成像，能夠獲得壓接后鋁套管的內(nèi)部凸起的數(shù)量和尺寸。與棒材凹槽的數(shù)量與尺寸相比對(duì)，若檢測(cè)到的凸起數(shù)量與凹槽的數(shù)量一樣，且結(jié)構(gòu)尺寸也一致，則證明壓接位置正確且已壓接密實(shí)。

3超聲波聚焦探頭聲場(chǎng)仿真

使用物理仿真軟件COMSOLMultiphysics5.4對(duì)聲場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。探究聲場(chǎng)的傳播規(guī)律，通過(guò)仿真來(lái)確定用于檢測(cè)的超聲波探頭的頻率及與工件的檢測(cè)距離。聚焦探頭的仿真模型如圖2所示，整個(gè)區(qū)域均為水域，圖中橫縱坐標(biāo)代表水域尺寸。上部凸起部分表示被聚焦探頭的晶片包裹的水域。超聲波從上部的圓弧法線方向處進(jìn)入水域。設(shè)置探頭的曲率為7mm，探頭直徑為10mm，頻率范圍為1~9MHz；水域?yàn)樯疃?00mm，直徑60mm的圓柱形，探頭發(fā)射超聲波之后，其在水域中聲壓級(jí)分布如圖3所示。通過(guò)仿真結(jié)果，在使用此參數(shù)的聚焦探頭在水域檢測(cè)時(shí)，探頭的聲壓級(jí)分布有如下規(guī)律：1）當(dāng)探頭頻率在1~7MHz時(shí)，存在聲壓級(jí)聚焦區(qū)域，其聲壓級(jí)聚焦區(qū)域在探頭下方5mm左右，與頻率沒(méi)有關(guān)系，跟探頭曲率有關(guān)。2）當(dāng)聚焦探頭頻率在7MHz及以上時(shí)，聲束聚焦效果變差，高聲壓級(jí)區(qū)被拉長(zhǎng)，9MHz時(shí)聲壓級(jí)分布混亂。根據(jù)聲壓級(jí)分布規(guī)律，3~7MHz的聚焦探頭比較適合此次被壓接工件壓接質(zhì)量的檢測(cè)，結(jié)合探頭制作的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，選用5MHz的聚焦探頭。根據(jù)5MHz聚焦探頭的仿真結(jié)果，以及壓接所使用的鋁制套管的厚度，可以控制被壓接工件在探頭下面5mm，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，以減小檢測(cè)誤差，讓檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4被壓接工件壓接質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)系統(tǒng)介紹。試驗(yàn)系統(tǒng)用的是水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備如圖4所示。該成像系統(tǒng)由水槽、XYZ三向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、超聲檢測(cè)裝置和PC端構(gòu)成。超聲檢測(cè)裝置XYZ三向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)水槽PC端圖4水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程為：XYZ三向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)搭載超聲波探頭對(duì)被壓接工件進(jìn)行往復(fù)掃查，探頭以固定頻率向工件發(fā)射超聲波，超聲波穿過(guò)工件后，所反射的回波被探頭接收，并被探頭以電信號(hào)的形式送入超聲檢測(cè)裝置，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，得到工件沿超聲波發(fā)射方向的深度數(shù)據(jù)；同時(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上的編碼器記錄此刻的位置數(shù)據(jù)，并通過(guò)外置接口發(fā)送至超聲檢測(cè)裝置，這樣就同時(shí)得到了檢測(cè)位置的深度信息與位置信息。超聲檢測(cè)裝置的核心控制模塊將兩個(gè)信息同時(shí)讀取，生成二維圖像，并通過(guò)PC端顯示出來(lái)。4.2試塊試驗(yàn)。試塊試驗(yàn)的目的是確定鋁制套管的超聲聲速以及驗(yàn)證超聲檢測(cè)的精度能否達(dá)到0.1mm。使用制作鋁套管的鋁合金材料制作長(zhǎng)×寬×高分別為220mm×12mm×12mm的長(zhǎng)方體鋁塊，并在上面開(kāi)了3個(gè)寬度×深度為2.0mm×2.4mm的槽。試塊與槽的尺寸如圖5所示。超聲波在不同材料中傳播的聲速是不同的，需要測(cè)量其在制作鋁套管的鋁合金中的聲速，以用于后續(xù)檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置。通過(guò)使用常規(guī)的超聲波測(cè)厚儀對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得超聲波沿試塊傳播的聲程與沿該聲程超聲波傳播的時(shí)間，計(jì)算測(cè)得超聲波在該鋁合金材質(zhì)下的聲速為6288m/s。使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)之后可以得到整個(gè)長(zhǎng)方體鋁塊的C掃圖像，如圖6所示，試塊B掃圖像見(jiàn)圖7。試驗(yàn)結(jié)果分析：1）通過(guò)C掃和B掃圖像可以觀察到3個(gè)槽，槽的檢測(cè)寬高與使用游標(biāo)卡尺測(cè)量的實(shí)際寬高對(duì)比如表1所示。2）槽兩側(cè)部位圖像平滑。根據(jù)試塊試驗(yàn)，測(cè)出了超聲波在鋁合金下的聲速，且使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)方形鋁塊上面槽的數(shù)目和寬高，在精度方面也滿足要求。4.3被壓接工件檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析。使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓接好的被壓接工件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)得到的B掃和C掃圖像如圖8所示。對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行分析：）根據(jù)B掃圖片顯示，鋁制套管已嵌入到鋼制棒材的4個(gè)槽中。2）根據(jù)B掃圖片可以得到鋁制套管與凹槽嵌入位置的尺寸。嵌入位置1：寬×高為7.8mm×2.1mm；嵌入位置2：寬×高為7.8mm×2.0mm；嵌入位置3：寬×高為7.6mm×2.0mm；嵌入位置4：寬×高為7.8mm×2.2mm。3）根據(jù)B掃圖片與C掃圖片顯示，右邊未經(jīng)過(guò)壓接的區(qū)域，鋁套管內(nèi)表面平滑。根據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)圖像顯示壓接后的被壓接工件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀況，由此可以判斷壓接后的壓接質(zhì)量，且檢測(cè)準(zhǔn)確度可達(dá)0.1mm，滿足壓接質(zhì)量的檢測(cè)要求。試驗(yàn)證明了使用超聲波檢測(cè)的方法可以對(duì)被壓接工件的壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

5結(jié)束語(yǔ)

該文提出使用超聲波無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)被壓接工件壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并從理論與試驗(yàn)方面進(jìn)行驗(yàn)證，取得了以下成果：1）分析了目前常用的被壓接工件壓接質(zhì)量檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于超聲波的被壓接工件壓接質(zhì)量的檢測(cè)方法。2）通過(guò)使用COMSOLMultiphysics5.4軟件對(duì)超聲聚焦探頭聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，確定了實(shí)際檢測(cè)時(shí)所需要使用的超聲聚焦探頭的頻率及檢測(cè)距離。3）利用水浸聚焦超聲波CT成像檢測(cè)系統(tǒng)完成了試塊與被壓接工件的檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，使用超聲檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)被壓接工件的壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，徑向和軸向準(zhǔn)確度可達(dá)0.1mm，驗(yàn)證了本文提出方法的可行性和有效性。

作者:薛光輝 劉昊 何毛寧 單位:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院