超声波压接质量检测方法研究

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摘要:压接作为金属类工件的一种连接方式，其压接质量的好坏会直接影响该类型工件的使用。该文总结现有检测方法的不足，以钢制棒材与铝制套管的被压接工件作为研究对象，分析被压接工件的结构及典型的压接缺陷，提出基于超声波的压接质量检测方法。仿真分析超声波的声场分布，得到适用于压接质量检测的探头频率。搭建压接质量超声检测试验系统，并对试块和被压接工件进行检测。结果表明：超声检测技术能够实现对被压接工件压接质量的检测，径向和轴向检测准确度达0.1mm，可满足检测要求，验证该文提出方法的可行性和有效性。

关键词:被压接工件;压接质量;超声检测;仿真分析

压接是用手动或自动的专用压接工具对两种金属进行机械压紧而产生的连接，是让金属在规定的限度内发生变形并将金属连接到一起的一种技术。这种技术广泛应用于架空输电线路的金具连接中，比如输电线路中的锚固类金具及线束冷压端子等都是通过压接的方式进行金属连接的[1]。被压接的工件在压接过程中质量不达标，会导致被压接的两个部分不能密实地连接到一起，容易发生脱落，从而影响工件的使用[2-3]。对于被压接工件压接质量检测方法主要有外表尺寸测量法和力学试验检测法。外表尺寸测量法是对压接后的被压接工件进行尺寸测量来分析工件压接的好坏，这种方法不能直接观察到其内部的压接状况。力学试验检测法是一种破坏性的检测方法，通过对压接后的工件进行解剖，直接检查其内部的压接状况。此方法只是一种抽样检查，无法代表所有该类型被压接工件的压接质量。针对被压接工件的压接质量检测问题，相关学者与单位展开了一系列研究。杨帆等[4]使用X射线对输电线路中的锚固金具进行检测，通过X光片对压接后的金具内部结构进行分析；赵洲峰等[5]使用数字射线对已知压接缺陷的锚固金具进行检测，得到了压接缺陷的典型图像；张鹏等[6]研制了适于现场地面的射线检测装置。当前大部分的研究都是使用射线检测，由于该方法能直接对工件内部的压接状况进行检测，并且对工件没有损坏，因此被用于进行被压接工件的压接质量检测[7-8]。但是射线检测设备属于特种设备，设备笨重、价格昂贵且操作复杂，还会对检测人员的身体健康造成危害[9]。射线检测存在的问题导致需要寻找另外一种成熟的无损检测方法对被压接工件内部的压接质量进行检测。目前，成熟的无损检测方法主要包括射线检测（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、液体渗透检测（PT）和涡流检测（ET）5种，除去已经被淘汰的射线检测（RT），还剩下4种检测方法。其中，磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）都只适用于物体表面的检测，无法对被压接工件内部进行检测，而涡流检测（ET）是利用电磁感应原理在物体内部形成涡流来对工件进行检测，该方法无法判断被检测物体内部的具体形状。由于超声波穿透能力强、灵敏度高，成像方式灵活，制造成本低[10]，广泛运用于金属材料的探伤检测。本文提出使用超声波对被压接工件进行无损检测，并进行检测试验。

1检测对象的结构

检测对象为带凹槽的棒材与管材的被压接工件，该结构为典型的被压接工件结构。棒材使用优质碳素钢制成，上面有若干个环形凹槽，其数量和尺寸是已知的，管材是用铝合金制成的中空套管。压接时将铝制套管套在钢制棒材上，以压力使金属产生塑性变形，从而使铝制套管与钢制棒材结合为一个整体。其压接区域的结构如图1所示。压接的目的是使铝制套管密实地嵌入到钢制棒材的凹槽中。压接前先标定凹槽所在位置，划印压接标记。使用压接工具对铝制套管与钢制棒材的凹槽处进行压接，从而得到检测使用的被压接工件。

2压接缺陷及检测方法

2.1压接缺陷。钢制棒材与铝制套管的压接一般存在有两种压接缺陷：1）铝制套管和钢制棒材压接位置不正确，由于铝的流动性导致压接点发生变化等原因，压接位置可能出现差错，会导致有的凹槽没有被铝材嵌入；2）由于液压系统输出动力不足的原因，压接时压力不够，铝套管与钢制棒材压接不密实，即凹槽中没有被铝套管的嵌入部分充满，使得凹槽中还留有空隙。压接的实质就是两部分的金属在压力的作用下产生塑性形变相互紧密接触，实现牢固的结合。无论是压接位置不到位还是压接不密实，都是有部分金属未紧密结合，不能达到预期结合强度，使被压接的部分无法承受原本可以承受的拉力，导致压接部分被拉开。2.2检测原理及方法。对于钢制棒材与铝制套管的压接，钢制棒材上凹槽的数量与尺寸都是已知的。当完成压接工序后，铝制套管将密实地压接在棒材凹槽中，铝材会充满棒材凹槽，其嵌入棒材凹槽部分的数量与尺寸应与压接前棒材凹槽的数量与尺寸是一致的。使用超声波对压接后凹槽处的铝套管进行检测，并对检测结果进行成像，能够获得压接后铝套管的内部凸起的数量和尺寸。与棒材凹槽的数量与尺寸相比对，若检测到的凸起数量与凹槽的数量一样，且结构尺寸也一致，则证明压接位置正确且已压接密实。

3超声波聚焦探头声场仿真

使用物理仿真软件COMSOLMultiphysics5.4对声场分布进行仿真。探究声场的传播规律，通过仿真来确定用于检测的超声波探头的频率及与工件的检测距离。聚焦探头的仿真模型如图2所示，整个区域均为水域，图中横纵坐标代表水域尺寸。上部凸起部分表示被聚焦探头的晶片包裹的水域。超声波从上部的圆弧法线方向处进入水域。设置探头的曲率为7mm，探头直径为10mm，频率范围为1~9MHz；水域为深度100mm，直径60mm的圆柱形，探头发射超声波之后，其在水域中声压级分布如图3所示。通过仿真结果，在使用此参数的聚焦探头在水域检测时，探头的声压级分布有如下规律：1）当探头频率在1~7MHz时，存在声压级聚焦区域，其声压级聚焦区域在探头下方5mm左右，与频率没有关系，跟探头曲率有关。2）当聚焦探头频率在7MHz及以上时，声束聚焦效果变差，高声压级区被拉长，9MHz时声压级分布混乱。根据声压级分布规律，3~7MHz的聚焦探头比较适合此次被压接工件压接质量的检测，结合探头制作的生产标准，选用5MHz的聚焦探头。根据5MHz聚焦探头的仿真结果，以及压接所使用的铝制套管的厚度，可以控制被压接工件在探头下面5mm，根据检测结果做适当的调试，以减小检测误差，让检测结果更加准确。

4被压接工件压接质量检测试验

4.1试验系统介绍。试验系统用的是水浸聚焦超声波CT成像检测系统，设备如图4所示。该成像系统由水槽、XYZ三向运动系统、超声检测装置和PC端构成。超声检测装置XYZ三向运动系统水槽PC端图4水浸聚焦超声波CT成像检测系统实物图整个试验系统的工作流程为：XYZ三向运动系统搭载超声波探头对被压接工件进行往复扫查，探头以固定频率向工件发射超声波，超声波穿过工件后，所反射的回波被探头接收，并被探头以电信号的形式送入超声检测装置，接收到的信号经过处理，得到工件沿超声波发射方向的深度数据；同时，运动系统上的编码器记录此刻的位置数据，并通过外置接口发送至超声检测装置，这样就同时得到了检测位置的深度信息与位置信息。超声检测装置的核心控制模块将两个信息同时读取，生成二维图像，并通过PC端显示出来。4.2试块试验。试块试验的目的是确定铝制套管的超声声速以及验证超声检测的精度能否达到0.1mm。使用制作铝套管的铝合金材料制作长×宽×高分别为220mm×12mm×12mm的长方体铝块，并在上面开了3个宽度×深度为2.0mm×2.4mm的槽。试块与槽的尺寸如图5所示。超声波在不同材料中传播的声速是不同的，需要测量其在制作铝套管的铝合金中的声速，以用于后续检测参数的设置。通过使用常规的超声波测厚仪对试块进行检测，测得超声波沿试块传播的声程与沿该声程超声波传播的时间，计算测得超声波在该铝合金材质下的声速为6288m/s。使用水浸聚焦超声波CT成像检测系统对试块进行检测，通过检测之后可以得到整个长方体铝块的C扫图像，如图6所示，试块B扫图像见图7。试验结果分析：1）通过C扫和B扫图像可以观察到3个槽，槽的检测宽高与使用游标卡尺测量的实际宽高对比如表1所示。2）槽两侧部位图像平滑。根据试块试验，测出了超声波在铝合金下的声速，且使用水浸聚焦超声波CT成像检测系统可检测方形铝块上面槽的数目和宽高，在精度方面也满足要求。4.3被压接工件检测试验及结果分析。使用水浸聚焦超声波CT成像检测系统对压接好的被压接工件进行检测，检测得到的B扫和C扫图像如图8所示。对检测图像进行分析：）根据B扫图片显示，铝制套管已嵌入到钢制棒材的4个槽中。2）根据B扫图片可以得到铝制套管与凹槽嵌入位置的尺寸。嵌入位置1：宽×高为7.8mm×2.1mm；嵌入位置2：宽×高为7.8mm×2.0mm；嵌入位置3：宽×高为7.6mm×2.0mm；嵌入位置4：宽×高为7.8mm×2.2mm。3）根据B扫图片与C扫图片显示，右边未经过压接的区域，铝套管内表面平滑。根据检测试验结果，使用水浸聚焦超声波CT成像检测系统可以通过图像显示压接后的被压接工件内部的结构状况，由此可以判断压接后的压接质量，且检测准确度可达0.1mm，满足压接质量的检测要求。试验证明了使用超声波检测的方法可以对被压接工件的压接质量进行检测。

5结束语

该文提出使用超声波无损检测的方法对被压接工件压接质量进行检测，并从理论与试验方面进行验证，取得了以下成果：1）分析了目前常用的被压接工件压接质量检测方法的优缺点，提出了基于超声波的被压接工件压接质量的检测方法。2）通过使用COMSOLMultiphysics5.4软件对超声聚焦探头声场进行仿真，确定了实际检测时所需要使用的超声聚焦探头的频率及检测距离。3）利用水浸聚焦超声波CT成像检测系统完成了试块与被压接工件的检测试验，试验结果表明，使用超声检测系统可以对被压接工件的压接质量进行检测，径向和轴向准确度可达0.1mm，验证了本文提出方法的可行性和有效性。

作者:薛光辉 刘昊 何毛宁 单位:中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院