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摘要：基于Comsol Multiphysics有限元数值仿真软件建立双脉冲电阻点焊过程超声监测数值模型，研究点焊过程工件内部超声场瞬态分布情况;设计了新型内置超声波探头电极结构，进行双脉冲电阻点焊超声在线监测试验，分别分析A型、M型（超声时程-焊接过程）超声回波图特征;研究点焊典型焊接缺陷虚焊的超声M型回波图特征，提出基于M型回波图的虚焊焊点鉴别方法。研究结果表明基于超声信号的点焊M显示图可反映焊接进程，可通过M显示图特征对虚焊焊点进行快速识别。
关键词：双脉冲电阻点焊;超声波实时信号;数值模拟;虚焊
中图分类号：TG441 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）09-0068-07
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.13
0 前言
电阻点焊是汽车车身、不锈钢轨道客车车体制造中重要的焊接技术，具有工艺简单、生产效率高、环保等优点。电阻点焊过程持续时间极短，通常在1～2 s以内，且点焊熔核在封闭状态下形成，容易产生虚焊、喷溅、内部孔洞等焊接缺陷，因此有必要对焊点质量进行控制及评估。常用的点焊质量评估方法主要分两大类：一类为焊接过程质量监控，主要是针对焊接电流、焊接电压、电极压力、电极位移等参数的监测分析，对焊接质量进行预测[1-4];第二类为点焊质量无损检测评估方法，无损检测是在不破坏材料的情况下对焊接质量进行检测评价的技术，应用最多的是超声波无损检测技术。一般点焊超声检测是对线下焊件焊点的超声检测，通过进行不同维度的分析，建立超声信号特征与焊点质量之间的关系[5-11]。在众多点焊缺陷种类中，虚焊是一种危害较大的缺陷类型，主要表现为点焊接头贴合面未熔化、呈塑性连接，接头强度远小于规定值[12]。
为了对点焊进行焊接过程的在线质量评估，本研究将超声探头内置于电极帽中，从模拟及试验中研究了超声波在焊接过程各个阶段的回波规律，并提取出点焊M显示图，实现了对双脉冲点焊过程的实时超声检测，为焊点质量评估提供了理论及试验基础。
1 试验方法
1.1 试验材料及试件制备
试验材料为轨道客车车体常用的SUS301L奥氏体不锈钢板材，板材规格100 mm×30 mm。焊接试样采用双层板搭接结构，板厚组合2 mm+2 mm，搭接方式如图1所示，试验采取的板厚组合及焊接参数见表1。沿图中虚线切割试件，制备金相试样，获得熔核中心轴线位置显微照片。
1.2 试验原理
双脉冲电阻点焊的各焊接阶段及超声波在各界面处的反-透射情况如图2所示。
1.3 试验装置
超声在线监测系统主要由电阻点焊机、超声纵波直探头、超声卡以及工业计算机等组成。其核心在于内置于电极帽腔体内部的超声波纵波探头，其结构如图3所示。
利用垫片和弹簧将超声波纵波直探头固定于电极帽腔体内部，探头晶片与电极之间以高温耦合剂进行耦合。文中选用的超声探头晶片直径6 mm，中心频率为10 MHz。
2 试验结果及分析
2.1 几何模型及网格划分
基于Comsol Multiphysics有限元模拟仿真软件对点焊不同阶段工件内部超声回波情况进行数值模拟，根据实际超声监测情况建立如图4所示几何模型。其中，图4a模拟焊接预加压阶段，在该阶段由于钢板表面在微观状态下为粗糙表面，两层板实际情况中并非完全紧密接触，存在断续的空气间隙，因此，在两层板界面处设置5处尺寸不等的椭圆域以模拟两钢板之间的空气间隙，椭圆尺寸从左至右依次为长轴0.08 mm，0.1 mm，0.1 mm，0.08 mm，0.12 mm，短轴0.06 mm，0.06 mm，0.08 mm，0.06 mm，0.08 mm。一次电流阶段几何模型见图4b，该阶段由于热输入引起材料软化，在压力作用下两层板达到紧密接触状态。二次电流阶段的模型见图4c。
几何模型的边界1、4为材料外表面，由于超声波在钢/空气界面处的传播特性，边界1、4设置为全反射。由于焊接接头剖面的实际长度远大于15 mm，即边界2、3、5、6为人工截断边界，将其设置为具有一定吸收效果的阻尼边界。SUS301L不锈钢基材的相关参数设置为：常温下超声纵波传播速度为CL1=5 900 m/s，密度ρ1=7 930 kg/m3;液态不锈钢水内超声波传播速度为CL2=3 500 m/s，密度ρ2=7 000 kg/m3。
试验采用瞬态激励脉冲模拟超声波，采用加以高斯窗函数调制的2.5 cycle正弦信号为激励信号，波形图如图5所示，信号的中心频率设置为10 MHz。激励信号加载在模型边界1的中心位置，长度设置为1 mm。
2.2 有限元模拟声场瞬态分布及A型回波显示特征
预压阶段、一次电流及二次电流阶段的声场瞬态分布图如图6～图9所示，超声波在0.35 μs到达两板中间界面，一部分声波遇到空气间隙发生入射，于0.71 μs被探头接收，另一部分进入下层板并在下层板底面发生全反射，1.41 μs被探头接收，相应的A型回波显示图如图10a所示。
通电后开始产生热量，由于一次电流为预热电流，温度不足以达到材料熔点，但材料吸收热量达到软化状态，在电极压力作用下两板紧密接触。此时声波全部进入下层板，瞬态声场分布图如图7所示。声波在0.71 μs时到达下層板底面并发生全反射，反射波在1.41 μs时已被探头接收。该过程对应的A型回波显示图如图10b所示，与图10a相比，两板中间界面位置回波消失，只可监测到下层板底面的反射波。 随着通电过程的持续进行，二次电流产生的热量使得不锈钢材料温度达到熔点开始出现液态熔核。为探究熔核长大过程中超声波在熔核固-液界面的反射规律，文中设置熔核尺寸分别为H/D=2 mm/0.8 mm，3 mm/1.2 mm。
当熔核尺寸为2 mm×0.8 mm时，超声瞬态声场分布及A型回波显示分别如图8、图10c所示。超声波在0.27 μs时到达液态熔核上层固-液界面，反射波在0.55 μs时被探头接收;超声波在0.50 μs时到达下层液-固界面，反射波在1.02 μs时被探头接收;超声波在0.77 μs时到达下层板底面并发生全反射，反射波在1.54 μs时被探头接收。
当液态熔核尺寸为3 mm×1.2 mm时，瞬态声场分布及A型回波显示分别如图9、图10d所示。超声波在0.24 μs时到达上层固-液界面，在此处发生反射的声波在0.50 μs时被探头接收;而发生透射的声波在0.58 μs时到达下层液-固界面，反射波在1.18 μs时已被探头接收;在0.84 μs时声波到达下层板底面并发生全反射，下层板底面回波反射回波在1.68 μs时被探头接收。
上述模拟结果表明，当液态熔核出现时可监测到两个固-液界面的回波，且随着液态熔核的长大，两回波之间时间间隔也增大，表现为上层固-液界面回波前移，下层液-固界面回波后移。由于下层液-固界面回波经过完整液态熔核区，熔核区液体材料声速小于母材固体材料，超声穿过此区域需要更长时间，因此下层液-固界面的回波延迟值更大。
2.3 在线监测试验回波特征
采用表1第1组参数焊接，得到的各阶段某一时刻超声A显示回波如图11所示，可以看出，不同焊接阶段的超声回波呈现不同变化，但由于焊接过程中材料内部结构及状态发生较大变化，实际在线监测试验获得的A型回波变化剧烈、包含大量杂波且信噪比較小，很难基于A型回波特征判断焊接进程、监测焊接质量。
对A型回波进行矩阵化处理，获得如图12所示的M型回波显示图。由图12可知，预加压阶段可接收到两板中间界面及下层板底面回波，一次电流阶段两板中间界面回波消失，下层板底面回波出现回波延迟;二次电流及保压阶段，由于液态熔合的出现，可看到界面回波位置发生相应变化;卸压后只剩电极帽端面回波。M显示图特征变化与数值模拟结果基本一致，且与A型回波显示相比，M显示图更直观清晰地对焊接过程进行了监测。
采用表1第2组焊接参数获得虚焊点，其超声M显示图及对应的金相照片如图13、14所示。与正常焊点M显示图相比，虚焊点由于无液态熔核出现及长大的过程，无法在上层板上表面及下层板下表面之间观察到熔核固-液界面位置相应回波，同时由于热输入不足，下层板回波延迟也相应大幅减小。
上述研究结果表明，良好焊点的M型显示图可观察到液态熔核出现-长大-凝固的界面反射回波，而虚焊点由于热输入不足，无法在两板界面形成熔核。也就是说，通过M显示图特征能够对虚焊点进行快速识别。和传统虚焊焊点检测方法相比，基于M显示图的虚焊焊点鉴别方法可实现原位检测，大大提高了缺陷检出效率。
3 结论
基于Comsol Multiphysics有限元数值模拟及点焊超声在线监测试验对不锈钢双脉冲电阻点焊焊接过程不同阶段声波反射规律进行研究。研究结果表明，在焊接不同阶段工件内部超声信号特征变化明显，基于超声波实时信号获得的A型显示图虽在焊接不同阶段呈现不同变化，但回波信噪比较低，很难基于A型回波特征判断焊接进程、监测焊接质量;而矩阵化处理后的焊接过程M显示图能够很好地反映焊接进程。对于点焊常见且危害较大的虚焊缺陷，可利用M显示图作为判断依据对其进行原位、在线快速鉴别。
参考文献：
[1]Zhao D，Wang Y，Lin Z，et al. Quality monitoring research of small scale resistance spot welding based on voltage signal[J]. ISIJ International，2013，53（2）：240-244.
[2]张宏杰，张建业，隋修武. 基于贝叶斯图像模式识别技术的点焊质量评估[J]. 焊接学报，2014，35（1）：109-113.
[3]Farson D F，Chen J Z，Ely K，et al. Monitoring of expulsion in small scaleresistance spot welding[J]. Sci. Technol. Weld. Join.，2003（8）：431-436.
[4]Hana L，Thorntona M，Boomerb D，et al. A correlation study ofmechanical strength of resistance spot welding of AA5754 aluminium alloy[J]. J. Mater. Process. Technol.，2011（211）：513-521.
[5]Liu J，Xu G，Gu X，et al. Ultrasonic test of resistance spot welds based on wavelet package analysis[J]. Ultrasonics，2015（56）：557-565.
[6]Hua L，Wang B，Wang X，et al. In-situ ultrasonic detection of resistance spot welding quality using embedded probe[J]. Mater. Process. Technol，2019（267）：205-214. [7]Chertov A M，Karloff A C，Perez W，et al. In-process ultrasound NDE of resistance spot welds[J]. Insight Non-Destructive Test. Cond. Monit，2012，54（5）：257-262.
[8]Zhao X，Zhang Y S，Chen G L. Ultrasonic fast identification of automotive body spot weld defect based on echo characteristics qualitative analysis[J]. Sci. Technol. Weld. Joi.，2013（11）：731-736.
[9]Denisov A A，Shakarji C M，Lawford B B，et al. Spot Weld Analysis With 2D Ultrasonic Arrays[J]. J. Res. Natl. Inst. Stan.，2004（109）：233-244.
[10]Moghanizadeh A. Evaluation of the physical properties of spot welding using ultrasonic testing[J]. Int. J. Adv. Manuf. Tech.，2016，85（1-4）：535-545.
[11]Zhou K，Cai L L. Online nugget diameter control system for resistance spot welding[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol.，2013，68（9-12）：2571-2588.
[12]Lai X M，Zhao X，Zhang Y S，et al. Ultrasonic Fast-Identification Expert System of the Auto Stick-Weld Defect Based on Echo-Characteristics Analyzing[J]. Key Eng. Mater.，2009（353-358）：2297-2300.
关键词：双脉冲电阻点焊;超声波实时信号;数值模拟;虚焊
中图分类号：TG441 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）09-0068-07
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.13
0 前言
电阻点焊是汽车车身、不锈钢轨道客车车体制造中重要的焊接技术，具有工艺简单、生产效率高、环保等优点。电阻点焊过程持续时间极短，通常在1～2 s以内，且点焊熔核在封闭状态下形成，容易产生虚焊、喷溅、内部孔洞等焊接缺陷，因此有必要对焊点质量进行控制及评估。常用的点焊质量评估方法主要分两大类：一类为焊接过程质量监控，主要是针对焊接电流、焊接电压、电极压力、电极位移等参数的监测分析，对焊接质量进行预测[1-4];第二类为点焊质量无损检测评估方法，无损检测是在不破坏材料的情况下对焊接质量进行检测评价的技术，应用最多的是超声波无损检测技术。一般点焊超声检测是对线下焊件焊点的超声检测，通过进行不同维度的分析，建立超声信号特征与焊点质量之间的关系[5-11]。在众多点焊缺陷种类中，虚焊是一种危害较大的缺陷类型，主要表现为点焊接头贴合面未熔化、呈塑性连接，接头强度远小于规定值[12]。
为了对点焊进行焊接过程的在线质量评估，本研究将超声探头内置于电极帽中，从模拟及试验中研究了超声波在焊接过程各个阶段的回波规律，并提取出点焊M显示图，实现了对双脉冲点焊过程的实时超声检测，为焊点质量评估提供了理论及试验基础。
1 试验方法
1.1 试验材料及试件制备
试验材料为轨道客车车体常用的SUS301L奥氏体不锈钢板材，板材规格100 mm×30 mm。焊接试样采用双层板搭接结构，板厚组合2 mm+2 mm，搭接方式如图1所示，试验采取的板厚组合及焊接参数见表1。沿图中虚线切割试件，制备金相试样，获得熔核中心轴线位置显微照片。
1.2 试验原理
双脉冲电阻点焊的各焊接阶段及超声波在各界面处的反-透射情况如图2所示。
1.3 试验装置
超声在线监测系统主要由电阻点焊机、超声纵波直探头、超声卡以及工业计算机等组成。其核心在于内置于电极帽腔体内部的超声波纵波探头，其结构如图3所示。
利用垫片和弹簧将超声波纵波直探头固定于电极帽腔体内部，探头晶片与电极之间以高温耦合剂进行耦合。文中选用的超声探头晶片直径6 mm，中心频率为10 MHz。
2 试验结果及分析
2.1 几何模型及网格划分
基于Comsol Multiphysics有限元模拟仿真软件对点焊不同阶段工件内部超声回波情况进行数值模拟，根据实际超声监测情况建立如图4所示几何模型。其中，图4a模拟焊接预加压阶段，在该阶段由于钢板表面在微观状态下为粗糙表面，两层板实际情况中并非完全紧密接触，存在断续的空气间隙，因此，在两层板界面处设置5处尺寸不等的椭圆域以模拟两钢板之间的空气间隙，椭圆尺寸从左至右依次为长轴0.08 mm，0.1 mm，0.1 mm，0.08 mm，0.12 mm，短轴0.06 mm，0.06 mm，0.08 mm，0.06 mm，0.08 mm。一次电流阶段几何模型见图4b，该阶段由于热输入引起材料软化，在压力作用下两层板达到紧密接触状态。二次电流阶段的模型见图4c。
几何模型的边界1、4为材料外表面，由于超声波在钢/空气界面处的传播特性，边界1、4设置为全反射。由于焊接接头剖面的实际长度远大于15 mm，即边界2、3、5、6为人工截断边界，将其设置为具有一定吸收效果的阻尼边界。SUS301L不锈钢基材的相关参数设置为：常温下超声纵波传播速度为CL1=5 900 m/s，密度ρ1=7 930 kg/m3;液态不锈钢水内超声波传播速度为CL2=3 500 m/s，密度ρ2=7 000 kg/m3。
试验采用瞬态激励脉冲模拟超声波，采用加以高斯窗函数调制的2.5 cycle正弦信号为激励信号，波形图如图5所示，信号的中心频率设置为10 MHz。激励信号加载在模型边界1的中心位置，长度设置为1 mm。
2.2 有限元模拟声场瞬态分布及A型回波显示特征
预压阶段、一次电流及二次电流阶段的声场瞬态分布图如图6～图9所示，超声波在0.35 μs到达两板中间界面，一部分声波遇到空气间隙发生入射，于0.71 μs被探头接收，另一部分进入下层板并在下层板底面发生全反射，1.41 μs被探头接收，相应的A型回波显示图如图10a所示。
通电后开始产生热量，由于一次电流为预热电流，温度不足以达到材料熔点，但材料吸收热量达到软化状态，在电极压力作用下两板紧密接触。此时声波全部进入下层板，瞬态声场分布图如图7所示。声波在0.71 μs时到达下層板底面并发生全反射，反射波在1.41 μs时已被探头接收。该过程对应的A型回波显示图如图10b所示，与图10a相比，两板中间界面位置回波消失，只可监测到下层板底面的反射波。 随着通电过程的持续进行，二次电流产生的热量使得不锈钢材料温度达到熔点开始出现液态熔核。为探究熔核长大过程中超声波在熔核固-液界面的反射规律，文中设置熔核尺寸分别为H/D=2 mm/0.8 mm，3 mm/1.2 mm。
当熔核尺寸为2 mm×0.8 mm时，超声瞬态声场分布及A型回波显示分别如图8、图10c所示。超声波在0.27 μs时到达液态熔核上层固-液界面，反射波在0.55 μs时被探头接收;超声波在0.50 μs时到达下层液-固界面，反射波在1.02 μs时被探头接收;超声波在0.77 μs时到达下层板底面并发生全反射，反射波在1.54 μs时被探头接收。
当液态熔核尺寸为3 mm×1.2 mm时，瞬态声场分布及A型回波显示分别如图9、图10d所示。超声波在0.24 μs时到达上层固-液界面，在此处发生反射的声波在0.50 μs时被探头接收;而发生透射的声波在0.58 μs时到达下层液-固界面，反射波在1.18 μs时已被探头接收;在0.84 μs时声波到达下层板底面并发生全反射，下层板底面回波反射回波在1.68 μs时被探头接收。
上述模拟结果表明，当液态熔核出现时可监测到两个固-液界面的回波，且随着液态熔核的长大，两回波之间时间间隔也增大，表现为上层固-液界面回波前移，下层液-固界面回波后移。由于下层液-固界面回波经过完整液态熔核区，熔核区液体材料声速小于母材固体材料，超声穿过此区域需要更长时间，因此下层液-固界面的回波延迟值更大。
2.3 在线监测试验回波特征
采用表1第1组参数焊接，得到的各阶段某一时刻超声A显示回波如图11所示，可以看出，不同焊接阶段的超声回波呈现不同变化，但由于焊接过程中材料内部结构及状态发生较大变化，实际在线监测试验获得的A型回波变化剧烈、包含大量杂波且信噪比較小，很难基于A型回波特征判断焊接进程、监测焊接质量。
对A型回波进行矩阵化处理，获得如图12所示的M型回波显示图。由图12可知，预加压阶段可接收到两板中间界面及下层板底面回波，一次电流阶段两板中间界面回波消失，下层板底面回波出现回波延迟;二次电流及保压阶段，由于液态熔合的出现，可看到界面回波位置发生相应变化;卸压后只剩电极帽端面回波。M显示图特征变化与数值模拟结果基本一致，且与A型回波显示相比，M显示图更直观清晰地对焊接过程进行了监测。
采用表1第2组焊接参数获得虚焊点，其超声M显示图及对应的金相照片如图13、14所示。与正常焊点M显示图相比，虚焊点由于无液态熔核出现及长大的过程，无法在上层板上表面及下层板下表面之间观察到熔核固-液界面位置相应回波，同时由于热输入不足，下层板回波延迟也相应大幅减小。
上述研究结果表明，良好焊点的M型显示图可观察到液态熔核出现-长大-凝固的界面反射回波，而虚焊点由于热输入不足，无法在两板界面形成熔核。也就是说，通过M显示图特征能够对虚焊点进行快速识别。和传统虚焊焊点检测方法相比，基于M显示图的虚焊焊点鉴别方法可实现原位检测，大大提高了缺陷检出效率。
3 结论
基于Comsol Multiphysics有限元数值模拟及点焊超声在线监测试验对不锈钢双脉冲电阻点焊焊接过程不同阶段声波反射规律进行研究。研究结果表明，在焊接不同阶段工件内部超声信号特征变化明显，基于超声波实时信号获得的A型显示图虽在焊接不同阶段呈现不同变化，但回波信噪比较低，很难基于A型回波特征判断焊接进程、监测焊接质量;而矩阵化处理后的焊接过程M显示图能够很好地反映焊接进程。对于点焊常见且危害较大的虚焊缺陷，可利用M显示图作为判断依据对其进行原位、在线快速鉴别。
参考文献：
[1]Zhao D，Wang Y，Lin Z，et al. Quality monitoring research of small scale resistance spot welding based on voltage signal[J]. ISIJ International，2013，53（2）：240-244.
[2]张宏杰，张建业，隋修武. 基于贝叶斯图像模式识别技术的点焊质量评估[J]. 焊接学报，2014，35（1）：109-113.
[3]Farson D F，Chen J Z，Ely K，et al. Monitoring of expulsion in small scaleresistance spot welding[J]. Sci. Technol. Weld. Join.，2003（8）：431-436.
[4]Hana L，Thorntona M，Boomerb D，et al. A correlation study ofmechanical strength of resistance spot welding of AA5754 aluminium alloy[J]. J. Mater. Process. Technol.，2011（211）：513-521.
[5]Liu J，Xu G，Gu X，et al. Ultrasonic test of resistance spot welds based on wavelet package analysis[J]. Ultrasonics，2015（56）：557-565.
[6]Hua L，Wang B，Wang X，et al. In-situ ultrasonic detection of resistance spot welding quality using embedded probe[J]. Mater. Process. Technol，2019（267）：205-214. [7]Chertov A M，Karloff A C，Perez W，et al. In-process ultrasound NDE of resistance spot welds[J]. Insight Non-Destructive Test. Cond. Monit，2012，54（5）：257-262.
[8]Zhao X，Zhang Y S，Chen G L. Ultrasonic fast identification of automotive body spot weld defect based on echo characteristics qualitative analysis[J]. Sci. Technol. Weld. Joi.，2013（11）：731-736.
[9]Denisov A A，Shakarji C M，Lawford B B，et al. Spot Weld Analysis With 2D Ultrasonic Arrays[J]. J. Res. Natl. Inst. Stan.，2004（109）：233-244.
[10]Moghanizadeh A. Evaluation of the physical properties of spot welding using ultrasonic testing[J]. Int. J. Adv. Manuf. Tech.，2016，85（1-4）：535-545.
[11]Zhou K，Cai L L. Online nugget diameter control system for resistance spot welding[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol.，2013，68（9-12）：2571-2588.
[12]Lai X M，Zhao X，Zhang Y S，et al. Ultrasonic Fast-Identification Expert System of the Auto Stick-Weld Defect Based on Echo-Characteristics Analyzing[J]. Key Eng. Mater.，2009（353-358）：2297-2300.