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

摘要:壓接作為金屬類工件的一種連接方式，其壓接質(zhì)量的好壞會直接影響該類型工件的使用。該文總結(jié)現(xiàn)有檢測方法的不足，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)量檢測方法。仿真分析超聲波的聲場分布，得到適用于壓接質(zhì)量檢測的探頭頻率。搭建壓接質(zhì)量超聲檢測試驗系統(tǒng)，并對試塊和被壓接工件進行檢測。結(jié)果表明：超聲檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對被壓接工件壓接質(zhì)量的檢測，徑向和軸向檢測準(zhǔn)確度達0.1mm，可滿足檢測要求，驗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;仿真分析

壓接是用手動或自動的專用壓接工具對兩種金屬進行機械壓緊而產(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金具及線束冷壓端子等都是通過壓接的方式進行金屬連接的[1]。被壓接的工件在壓接過程中質(zhì)量不達標(biāo)，會導(dǎo)致被壓接的兩個部分不能密實地連接到一起，容易發(fā)生脫落，從而影響工件的使用[2-3]。對于被壓接工件壓接質(zhì)量檢測方法主要有外表尺寸測量法和力學(xué)試驗檢測法。外表尺寸測量法是對壓接后的被壓接工件進行尺寸測量來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)試驗檢測法是一種破壞性的檢測方法，通過對壓接后的工件進行解剖，直接檢查其內(nèi)部的壓接狀況。此方法只是一種抽樣檢查，無法代表所有該類型被壓接工件的壓接質(zhì)量。針對被壓接工件的壓接質(zhì)量檢測問題，相關(guān)學(xué)者與單位展開了一系列研究。楊帆等[4]使用X射線對輸電線路中的錨固金具進行檢測，通過X光片對壓接后的金具內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析；趙洲峰等[5]使用數(shù)字射線對已知壓接缺陷的錨固金具進行檢測，得到了壓接缺陷的典型圖像；張鵬等[6]研制了適于現(xiàn)場地面的射線檢測裝置。當(dāng)前大部分的研究都是使用射線檢測，由于該方法能直接對工件內(nèi)部的壓接狀況進行檢測，并且對工件沒有損壞，因此被用于進行被壓接工件的壓接質(zhì)量檢測[7-8]。但是射線檢測設(shè)備屬于特種設(shè)備，設(shè)備笨重、價格昂貴且操作復(fù)雜，還會對檢測人員的身體健康造成危害[9]。射線檢測存在的問題導(dǎo)致需要尋找另外一種成熟的無損檢測方法對被壓接工件內(nèi)部的壓接質(zhì)量進行檢測。目前，成熟的無損檢測方法主要包括射線檢測（RT）、超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、液體滲透檢測（PT）和渦流檢測（ET）5種，除去已經(jīng)被淘汰的射線檢測（RT），還剩下4種檢測方法。其中，磁粉檢測（MT）和液體滲透檢測（PT）都只適用于物體表面的檢測，無法對被壓接工件內(nèi)部進行檢測，而渦流檢測（ET）是利用電磁感應(yīng)原理在物體內(nèi)部形成渦流來對工件進行檢測，該方法無法判斷被檢測物體內(nèi)部的具體形狀。由于超聲波穿透能力強、靈敏度高，成像方式靈活，制造成本低[10]，廣泛運用于金屬材料的探傷檢測。本文提出使用超聲波對被壓接工件進行無損檢測，并進行檢測試驗。

1檢測對象的結(jié)構(gòu)

檢測對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。使用壓接工具對鋁制套管與鋼制棒材的凹槽處進行壓接，從而得到檢測使用的被壓接工件。

2壓接缺陷及檢測方法

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，由于鋁的流動性導(dǎo)致壓接點發(fā)生變化等原因，壓接位置可能出現(xiàn)差錯，會導(dǎo)致有的凹槽沒有被鋁材嵌入；2）由于液壓系統(tǒng)輸出動力不足的原因，壓接時壓力不夠，鋁套管與鋼制棒材壓接不密實，即凹槽中沒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，實現(xiàn)牢固的結(jié)合。無論是壓接位置不到位還是壓接不密實，都是有部分金屬未緊密結(jié)合，不能達到預(yù)期結(jié)合強度，使被壓接的部分無法承受原本可以承受的拉力，導(dǎo)致壓接部分被拉開。2.2檢測原理及方法。對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，鋁制套管將密實地壓接在棒材凹槽中，鋁材會充滿棒材凹槽，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。使用超聲波對壓接后凹槽處的鋁套管進行檢測，并對檢測結(jié)果進行成像，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，若檢測到的凸起數(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。

3超聲波聚焦探頭聲場仿真

使用物理仿真軟件COMSOLMultiphysics5.4對聲場分布進行仿真。探究聲場的傳播規(guī)律，通過仿真來確定用于檢測的超聲波探頭的頻率及與工件的檢測距離。聚焦探頭的仿真模型如圖2所示，整個區(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；水域為深度100mm，直徑60mm的圓柱形，探頭發(fā)射超聲波之后，其在水域中聲壓級分布如圖3所示。通過仿真結(jié)果，在使用此參數(shù)的聚焦探頭在水域檢測時，探頭的聲壓級分布有如下規(guī)律：1）當(dāng)探頭頻率在1~7MHz時，存在聲壓級聚焦區(qū)域，其聲壓級聚焦區(qū)域在探頭下方5mm左右，與頻率沒有關(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，聲束聚焦效果變差，高聲壓級區(qū)被拉長，9MHz時聲壓級分布混亂。根據(jù)聲壓級分布規(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，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)檢測結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，以減小檢測誤差，讓檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4被壓接工件壓接質(zhì)量檢測試驗

4.1試驗系統(tǒng)介紹。試驗系統(tǒng)用的是水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)，設(shè)備如圖4所示。該成像系統(tǒng)由水槽、XYZ三向運動系統(tǒng)、超聲檢測裝置和PC端構(gòu)成。超聲檢測裝置XYZ三向運動系統(tǒng)水槽PC端圖4水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)實物圖整個試驗系統(tǒng)的工作流程為：XYZ三向運動系統(tǒng)搭載超聲波探頭對被壓接工件進行往復(fù)掃查，探頭以固定頻率向工件發(fā)射超聲波，超聲波穿過工件后，所反射的回波被探頭接收，并被探頭以電信號的形式送入超聲檢測裝置，接收到的信號經(jīng)過處理，得到工件沿超聲波發(fā)射方向的深度數(shù)據(jù)；同時，運動系統(tǒng)上的編碼器記錄此刻的位置數(shù)據(jù)，并通過外置接口發(fā)送至超聲檢測裝置，這樣就同時得到了檢測位置的深度信息與位置信息。超聲檢測裝置的核心控制模塊將兩個信息同時讀取，生成二維圖像，并通過PC端顯示出來。4.2試塊試驗。試塊試驗的目的是確定鋁制套管的超聲聲速以及驗證超聲檢測的精度能否達到0.1mm。使用制作鋁套管的鋁合金材料制作長×寬×高分別為220mm×12mm×12mm的長方體鋁塊，并在上面開了3個寬度×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，需要測量其在制作鋁套管的鋁合金中的聲速，以用于后續(xù)檢測參數(shù)的設(shè)置。通過使用常規(guī)的超聲波測厚儀對試塊進行檢測，測得超聲波沿試塊傳播的聲程與沿該聲程超聲波傳播的時間，計算測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成像檢測系統(tǒng)對試塊進行檢測，通過檢測之后可以得到整個長方體鋁塊的C掃圖像，如圖6所示，試塊B掃圖像見圖7。試驗結(jié)果分析：1）通過C掃和B掃圖像可以觀察到3個槽，槽的檢測寬高與使用游標(biāo)卡尺測量的實際寬高對比如表1所示。2）槽兩側(cè)部位圖像平滑。根據(jù)試塊試驗，測出了超聲波在鋁合金下的聲速，且使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)可檢測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被壓接工件檢測試驗及結(jié)果分析。使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)對壓接好的被壓接工件進行檢測，檢測得到的B掃和C掃圖像如圖8所示。對檢測圖像進行分析：）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)過壓接的區(qū)域，鋁套管內(nèi)表面平滑。根據(jù)檢測試驗結(jié)果，使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)可以通過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，且檢測準(zhǔn)確度可達0.1mm，滿足壓接質(zhì)量的檢測要求。試驗證明了使用超聲波檢測的方法可以對被壓接工件的壓接質(zhì)量進行檢測。

5結(jié)束語

該文提出使用超聲波無損檢測的方法對被壓接工件壓接質(zhì)量進行檢測，并從理論與試驗方面進行驗證，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)量檢測方法的優(yōu)缺點，提出了基于超聲波的被壓接工件壓接質(zhì)量的檢測方法。2）通過使用COMSOLMultiphysics5.4軟件對超聲聚焦探頭聲場進行仿真，確定了實際檢測時所需要使用的超聲聚焦探頭的頻率及檢測距離。3）利用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統(tǒng)完成了試塊與被壓接工件的檢測試驗，試驗結(jié)果表明，使用超聲檢測系統(tǒng)可以對被壓接工件的壓接質(zhì)量進行檢測，徑向和軸向準(zhǔn)確度可達0.1mm，驗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:中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院