何智成 汲彥軍 成艾國(guó) 何道聰

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,4100822.上汽通用五菱汽車股份有限公司,柳州,545027

0 引言

點(diǎn)焊是連接金屬薄板的一種常用方法，這種焊接方法簡(jiǎn)便易行、經(jīng)濟(jì)有效，而且適用于高速自動(dòng)化生產(chǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)[1]。焊接過(guò)程中的點(diǎn)焊參數(shù)波動(dòng)將導(dǎo)致焊核直徑不足、虛焊,或焊核中存在飛濺、氣孔、縮松、裂紋等問(wèn)題[2]。點(diǎn)焊的質(zhì)量直接影響著焊點(diǎn)的強(qiáng)度，特別是一些關(guān)鍵焊點(diǎn)，焊點(diǎn)質(zhì)量會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能[3]。

焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)主要有破壞性檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩大類。破壞性檢測(cè)存在成本較高、效率低、破壞性強(qiáng)等缺陷。無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲波檢測(cè)能進(jìn)行各類焊點(diǎn)缺陷的識(shí)別，同時(shí)能大大降低質(zhì)量控制的成本[4]。然而進(jìn)口超聲設(shè)備的焊點(diǎn)質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)不透明，超聲波檢測(cè)無(wú)法直接應(yīng)用到所有類型的焊點(diǎn)檢測(cè)質(zhì)量中。

近年來(lái)，通過(guò)定量化與數(shù)字化建立超聲傳播有限元模型[5]來(lái)解釋和預(yù)測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，已經(jīng)成為焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)的一種重要手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在超聲傳播信號(hào)處理方法及時(shí)頻特征分析[6-7]等方面已有研究，但對(duì)焊點(diǎn)有限元建模的準(zhǔn)確性未作深入探討。

本文通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)得到了焊點(diǎn)有限元模型的形狀及尺寸參數(shù)，通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)的超聲信號(hào)分析得到了焊點(diǎn)有限元模型的材料阻尼系數(shù),并建立了多種不同類型的焊點(diǎn)超聲檢測(cè)有限元模型，利用仿真模型探討了車身曲面工況焊點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果的一致性。通過(guò)仿真驗(yàn)證分析得出：在曲面焊點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，超聲焊點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果受到的影響很小，甚至可忽略。本次研究發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)仿真模型可以用于建立焊點(diǎn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的提前預(yù)判，并為下一步實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量自動(dòng)化檢測(cè)提供支撐。

1 超聲波檢測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量機(jī)理

1.1 超聲信號(hào)高斯回波模型

材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷可以通過(guò)超聲波檢測(cè)來(lái)識(shí)別，超聲檢測(cè)中的回波信號(hào)通常是一種被探頭中心頻率調(diào)制的寬帶信號(hào)，這種信號(hào)是一種時(shí)頻有限的非平穩(wěn)信號(hào)，其參數(shù)化高斯數(shù)學(xué)模型如下[8]：

s(θ,t)=βe-α(t-τ)cos(2πf0(t-τ)+φ)

(1)

θ=(α,τ,f0,φ,β)

式中，α為帶寬；τ為到達(dá)時(shí)間；f0為中心頻率；φ為相位；β為幅值系數(shù)。

式(1)可推廣到多重回波，M重回波信號(hào)的高斯模型可以表示為

(2)

θm=(αm,τm,f0m,φm,βm)

式中，θm為第m個(gè)參數(shù)矢量；n(t)為加性噪聲。

1.2 超聲信號(hào)特征參數(shù)

由于鋼的聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的聲阻抗，所以超聲波從鋼中射入空氣時(shí)幾乎沒(méi)有透射而只有反射。在超聲波焊點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程中，由于焊核直徑過(guò)小或者焊核中有氣孔等都會(huì)出現(xiàn)非底面回波，而焊核與母材的聲阻抗相差不到千分之一[9]，在母材與焊核中間不會(huì)有反射波，因此可以采用超聲波對(duì)焊點(diǎn)的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

超聲波在焊點(diǎn)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸衰減，衰減的原因主要是超聲波在傳播過(guò)程中被散射和吸收。焊點(diǎn)在檢測(cè)過(guò)程中由于中間焊核的晶粒粗大，所以會(huì)引起嚴(yán)重衰減，焊核大小不同引起的衰減程度不一。

利用多回波信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法[10]處理計(jì)算，可得到焊點(diǎn)超聲信號(hào)的時(shí)域參數(shù)信息：帶寬α、到達(dá)時(shí)間τ、中心頻率f0、相位φ以及幅值系數(shù)β。根據(jù)這些參數(shù)信息可計(jì)算提取超聲信號(hào)的時(shí)域特征值，本文提取了4個(gè)時(shí)域特征值。

(1)下層板底面回波波峰間隔S(μs或m)：反映焊接區(qū)厚度及壓痕深度。

(2)底面回波幅值的衰減率：

(3)

式中，Ai為第i個(gè)下底面回波幅值。

(3)底面回波個(gè)數(shù)N1：某時(shí)間段內(nèi)，下層板底面回波幅值高于預(yù)設(shè)閾值(X1)，即為一個(gè)底面回波。

(4)中間回波個(gè)數(shù)N2：某時(shí)間段內(nèi)，中間面回波幅值高于預(yù)設(shè)閾值(X2)，即為一個(gè)中間面回波，合格焊點(diǎn)一般N2=0。

2 有限元模型建立

2.1 基于超聲波焊點(diǎn)檢測(cè)的有限元分析

在時(shí)域分析中，有很多種方法求解超聲波的傳播問(wèn)題，如中心差分法、Houbolt法、Newmark法、Wilson-θ法等，本文采用顯式中心差分法進(jìn)行求解，該方法用兩步長(zhǎng)的差分公式來(lái)表示位移向量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即

(4)

(5)

將式(4)、式(5)代入t時(shí)刻有限元方程[11]，得

(6)

式中,M、C、K、Ft分別為焊點(diǎn)樣件的質(zhì)量、剛度、阻尼系數(shù)及載荷矩陣。

從式(4)中可以看出由已知向量Xt及Xt-Δt可解出Xt+Δt，在計(jì)算的第一步，即t=0時(shí)刻，需要知道X-Δt的值?？梢詮氖?4)中解出X-Δt，代入式(5)，整理后得

(7)

(8)

中心差分法計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單，特別是當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量和阻尼矩陣為對(duì)角陣時(shí)，式(6)是一組相互獨(dú)立的方程，求解過(guò)程可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。式(8)中參數(shù)M、C、K、Ft=0分別對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)樣件的質(zhì)量、剛度、阻尼系數(shù)及載荷，所以有必要建立焊點(diǎn)有限元模型，探究超聲傳播衰減情況。

2.2 焊點(diǎn)模型建立

本文對(duì)某廠家?guī)卓钇嚢总嚿戆宀牡牟牧项愋?、厚度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可知，BLD是白車身選用最多的材料類型，常用的材料厚度依次為0.8，1.2，1.0，0.7，1.8，1.5，1.4，2.5，2.0，0.6，0.5 mm。

表1 車身板材厚度、材料類型及百分比

本文又對(duì)車身關(guān)鍵區(qū)域兩層板焊點(diǎn)組合進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示兩層板樣件厚度組合主要為1.4 mm×1.4 mm、0.8 mm×1.2 mm、0.8 mm×1.0 mm及1.0 mm×1.2 mm，四種厚度組合板占比達(dá)到了所有鈑金件組合的60%以上。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，針對(duì)厚度組合為1.4 mm×1.4 mm的樣件類型進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)分析。

影響焊核形成的因素較多，如焊接電流、電極壓力及焊接時(shí)間等，焊點(diǎn)模型的準(zhǔn)確性對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，本次研究對(duì)焊點(diǎn)模型的建立步驟如圖1所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果制作焊點(diǎn)樣件，每組焊點(diǎn)樣件焊接過(guò)程中，利用控制變量的思想按照一定的順序調(diào)整焊接電壓、電流及電極壓力，最終得到不同質(zhì)量類型的焊點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 有限元模型建立流程圖Fig.1 The flow chat of finite element model building

(a)1.4 mm×1.4mm (b)1.4 mm×1.4mm 厚度部分樣件 各參數(shù)樣件圖2 制作樣件示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch for making samples

焊點(diǎn)的外部參數(shù)包括焊核的形狀、厚度、長(zhǎng)度等外觀尺寸。本文利用金相實(shí)驗(yàn)，求取平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的方式計(jì)算得到準(zhǔn)確的焊點(diǎn)外部參數(shù)。通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出1.4 mm×1.4 mm厚度組合焊核的長(zhǎng)度、厚度等信息，結(jié)合各種缺陷焊核的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)焊核有限元模型的尺寸信息如表2所示。

表2 各類型焊點(diǎn)外部參數(shù)Tab.2 The external parameters of the various types of welding spot mm

如果不考慮超聲波在介質(zhì)中衰減，則縱波在聲速軸線上的聲壓分布表達(dá)式為

(9)

式中,ρ、c分別為介質(zhì)的密度和聲速；u0為源表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；R為超聲波探頭直徑；λ為聲波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)；a為聲束軸線上一點(diǎn)與聲源的距離。

但由于超聲波在板材中傳播存在衰減[12](散射衰減和吸收衰減)，因此聲壓衰減規(guī)律可用下式表示：

(10)

α=αa+αs

(11)

式中，p0為入射到材料界面上的聲壓；p為超聲波在材料中傳播一段距離x后的聲壓；α為衰減系數(shù);αa為只與超聲波頻率有關(guān)的吸收衰減系數(shù);αs為與晶粒直徑(d)和波長(zhǎng)(λ)有關(guān)的散射衰減系數(shù)。

αs、d、λ之間有以下三種關(guān)系：

(12)

式中,c2、c3、c4為常數(shù)；F為各向異性因子;f為超聲信號(hào)頻率。

由此可見(jiàn)，由于焊接參數(shù)以及人為因素的影響，焊點(diǎn)內(nèi)部晶粒及各向異性會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，從而影響到超聲波的散射衰減系數(shù)αs。

由式(10)、式(11)可以得到：

(13)

式中，pn、pm為第n、第m次底面回波幅值；T為超聲波在樣件中傳播一個(gè)焊點(diǎn)厚度所需要的時(shí)間。

在建立焊點(diǎn)CAE模型時(shí)，需要對(duì)模型的材料屬性進(jìn)行賦值，材料阻尼是影響超聲瞬態(tài)響應(yīng)的最主要因素。由于測(cè)試得到的焊點(diǎn)超聲波回波信號(hào)只能反映信號(hào)衰減，無(wú)法直接得到焊核及板材的阻尼信息，因此需要利用超聲設(shè)備測(cè)試多組焊點(diǎn)參數(shù)的回波信號(hào)，求出超聲衰減系數(shù)。同時(shí)在仿真模型中給板材及焊核賦予一定大小的阻尼系數(shù)，通過(guò)仿真分析求得相應(yīng)的衰減系數(shù)。最后進(jìn)行擬合計(jì)算，得到焊點(diǎn)有限元模型準(zhǔn)確的阻尼系數(shù)。具體方法如下：

(1)利用GE超聲波設(shè)備對(duì)50組未經(jīng)焊接的1.4mm厚度樣件進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)所得結(jié)果求得超聲波在樣件中的衰減系數(shù)α1；

(2)建立1.4 mm單層板樣件有限元模型，給樣件的結(jié)構(gòu)阻尼k賦初值范圍為0～0.1，每個(gè)k值間隔為0.01,對(duì)各個(gè)模型求解,計(jì)算出各個(gè)仿真模型對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)α2～α12。

(3)從α2～α12中取最接近衰減系數(shù)α1的對(duì)應(yīng)阻尼值kt，定為焊點(diǎn)母材的結(jié)構(gòu)阻尼。計(jì)算分析求得kt為0.02。

(4)建立1.4mm×1.4mm焊點(diǎn)組合的CAE模型，對(duì)母材阻尼kt賦值，基于焊核結(jié)構(gòu)阻尼經(jīng)驗(yàn)值(0.1)前后取若干數(shù)值分別給焊核阻尼賦值，并分別求出對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減系數(shù)，具體數(shù)值如表3所示。根據(jù)表3，擬合出焊核結(jié)構(gòu)阻尼與超聲信號(hào)衰減系數(shù)的關(guān)系,如圖3所示，結(jié)合檢測(cè)計(jì)算得到的合格焊點(diǎn)衰減系數(shù)，計(jì)算得到合格焊核的結(jié)構(gòu)阻尼為0.12。

表3 焊核阻尼及對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減系數(shù)Tab.3 Welding core damping and corresponding signal attenuation coefficient

圖3 阻尼-衰減系數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve between the damping coefficient and the attenuation coefficient

(5)在Hypermesh中劃分網(wǎng)格，合格焊點(diǎn)有限元模型如圖4所示，該模型包含上層板、下層板以及焊核，并且上下層板均有一層0.20 mm的壓痕，其中焊點(diǎn)將上層板與下層板連接在一起，所以在有限元模型中采用節(jié)點(diǎn)重合的方式。

圖4 1.4 mm×1.4 mm焊點(diǎn)組合CAE模型Fig.4 The CAE model of 1.4 mm×1.4 mm welding spot

2.3 理想情況下焊點(diǎn)仿真質(zhì)量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證焊點(diǎn)有限元模型的準(zhǔn)確性，對(duì)建立的有限元模型用Nastran計(jì)算分析，最后導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行曲線的合并優(yōu)化，得到各類型焊點(diǎn)的超聲回波曲線的圖像。

合格焊點(diǎn)模型仿真曲線和超聲設(shè)備檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，根據(jù)回波信號(hào)衰減曲線可以分別求出仿真信號(hào)曲線及檢測(cè)信號(hào)曲線的衰減系數(shù)α、α′，結(jié)果顯示α′≈α，并且從仿真曲線與設(shè)備檢測(cè)信號(hào)可以看出,合格焊點(diǎn)仿真曲線與檢測(cè)信號(hào)回波衰減特征趨勢(shì)基本一致：均具有三個(gè)底面回波，仿真與檢測(cè)的超聲信號(hào)回波間距分別為0.79μs和0.82μs，且均未出現(xiàn)中間回波的共同特征，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

(a)合格焊點(diǎn)仿真曲線 (b)合格焊點(diǎn)實(shí)際檢測(cè)波形圖5 合格焊點(diǎn)CAE仿真與實(shí)際檢測(cè)波形圖Fig.5 The CAE simulation and practical detection waveform diagram of qualified welding spot

(a)過(guò)燒焊點(diǎn)仿真曲線 (b)過(guò)燒焊點(diǎn)實(shí)際檢測(cè)波形圖6 過(guò)燒焊點(diǎn)CAE仿真與實(shí)際檢測(cè)波形圖Fig.6 The CAE simulation and practical detection waveform diagram of burn-through welding spot

過(guò)燒焊核模型仿真曲線和超聲設(shè)備檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。焊接時(shí)由于焊接電流過(guò)大或通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致金屬熔化形成焊核的過(guò)程中，形成的焊核區(qū)域比正常焊點(diǎn)范圍更大，焊點(diǎn)厚度也相應(yīng)增大，在短時(shí)間冷卻時(shí)形成的金屬晶粒較大，焊點(diǎn)內(nèi)部的阻尼增大。通過(guò)圖6可以看出，仿真信號(hào)能夠很好地反映出超聲信號(hào)在過(guò)燒焊核中傳播時(shí)散射衰減大，衰減速度快的特征。對(duì)比圖6和圖5可知，過(guò)燒焊核相對(duì)于合格焊核的底面回波個(gè)數(shù)減少，回波衰減率偏小。

薄焊核模型仿真曲線和超聲設(shè)備檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。焊接時(shí)由于電極加載時(shí)間短或者焊接電流偏小，導(dǎo)致熔核厚度小，粗晶粒區(qū)域變小。對(duì)比圖7所示的仿真和測(cè)試曲線可知，焊核阻尼明顯大于母材阻尼，超聲信號(hào)衰減趨勢(shì)減慢，仿真信號(hào)與測(cè)試信號(hào)均出現(xiàn)多個(gè)底面回波的共同特征，較合格焊點(diǎn)圖5中信號(hào)仿真曲線，薄焊核超聲信號(hào)衰減率較高，底面回波個(gè)數(shù)明顯增多。

(a)薄焊核仿真曲線 (b)薄焊核實(shí)際檢測(cè)波形圖7 薄焊核CAE仿真與實(shí)際檢測(cè)波形圖Fig.7 The CAE simulation and practical detection waveform diagram of the thin welding spot

圖8為小焊核模型(熔核直徑小)仿真曲線與超聲設(shè)備檢測(cè)波形圖，對(duì)比圖8a、圖8b可以看出，回波信號(hào)均出現(xiàn)中間回波，且中間回波峰值剛好處在底面回波峰值之間的中間位置。這是因?yàn)楹负酥睆叫?，在下層板底面焊核兩端產(chǎn)生了回波，

(a)小焊核仿真曲線 (b)小焊核實(shí)際檢測(cè)波形圖8 小焊核CAE仿真與實(shí)際檢測(cè)波形圖Fig.8 The CAE simulation and practical detection waveform diagram of the little welding spot

隨著直徑的減小，第一次中間回波峰值逐漸增大，下底面回波個(gè)數(shù)理論上是減少的，但由于偶數(shù)次中間回波與奇數(shù)次底面回波的疊加，圖示底面回波個(gè)數(shù)適中。

從焊點(diǎn)的回波曲線圖中可以看出底面回波個(gè)數(shù)及中間回波個(gè)數(shù)。為了更加直觀地對(duì)比各類型焊點(diǎn)的回波參數(shù)，表4中列出了各個(gè)仿真模型中超聲特征參數(shù)的量化結(jié)果。

表4 各類型焊點(diǎn)超聲參數(shù)Tab.4 The ultrasonic parameters of the various types of welding spot

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證及復(fù)雜曲面檢測(cè)分析

3.1 焊點(diǎn)質(zhì)量識(shí)別結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析以及仿真分析的正確性，本研究利用進(jìn)口的Olympus設(shè)備建立了1.4 mm×1.4 mm厚度焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)，下面選取了部分樣件檢測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 Olympus檢測(cè)設(shè)備1.4 mm×1.4 mm樣件檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 The 1.4 mm×1.4 mm sample detection data of the Olympus detection equipment

從表4、表5中各類型焊點(diǎn)波形分析可以看出：過(guò)燒焊點(diǎn)的回波衰減率最小，衰減最快；小焊核焊點(diǎn)在兩層板中間處出現(xiàn)中間回波；薄焊核焊點(diǎn)回波衰減率最大，衰減最慢。檢測(cè)結(jié)果與仿真分析結(jié)果中各回波特征值一致，從數(shù)據(jù)角度說(shuō)明了焊點(diǎn)模型的準(zhǔn)確性?？衫么朔抡娣椒ń?zhǔn)確的焊點(diǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)質(zhì)量的預(yù)判，提高對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的監(jiān)督。

3.2 復(fù)雜曲面焊點(diǎn)角度定位分析

目前可以通過(guò)多種手段確定焊點(diǎn)在車身的位置，但由于焊點(diǎn)表面是類似于圓弧的非平面，平面視覺(jué)定位機(jī)械手在角度方向上的偏差、人工檢測(cè)時(shí)操作人員視覺(jué)誤差以及主觀判斷因素帶來(lái)的影響，均無(wú)法保證超聲探頭能夠與焊點(diǎn)中心平面垂直。本文利用仿真模型探究主客觀情況下超聲探頭在角度方向上相對(duì)焊點(diǎn)法線方向偏離一定角度(設(shè)定最小偏離角度是1°,最大偏離角度是10°)，超聲信號(hào)傳播衰減發(fā)生的變化及對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。

具體方法如下：對(duì)建立的焊點(diǎn)模型分別在X、Y方向進(jìn)行加載，總載荷大小為1，載荷分配按照三角形法則進(jìn)行，焊點(diǎn)檢測(cè)角度設(shè)置在預(yù)定的區(qū)間范圍(1°～10°)內(nèi)。通過(guò)對(duì)模型計(jì)算分析可知，仿真結(jié)果曲線之間基本無(wú)差異，焊點(diǎn)質(zhì)量超聲波檢測(cè)結(jié)果偏差極小。此結(jié)果說(shuō)明：探頭在空間角度方向上偏離法線方向在10°范圍內(nèi)，焊點(diǎn)質(zhì)量探測(cè)結(jié)果基本無(wú)變化。因此當(dāng)機(jī)械手通過(guò)視覺(jué)定位焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，角度方向的定位偏差及車身鈑金件帶來(lái)的視覺(jué)誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響不大，這為研究焊點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備提供了依據(jù)。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，本次研究通過(guò)自制的白車身焊點(diǎn)自動(dòng)化探測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,如圖9所示。首先用機(jī)械手夾持探頭，然后對(duì)目標(biāo)焊點(diǎn)進(jìn)行拍照，根據(jù)視覺(jué)圖像處理的方法，得到焊點(diǎn)中心點(diǎn)精確的位置坐標(biāo)，并將超聲探頭通過(guò)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)調(diào)整到相應(yīng)位置，記錄焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果；接下來(lái)依次調(diào)整機(jī)器人末端執(zhí)行器在角度方向的位置，得到的檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

圖9 機(jī)械手焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)定位Fig.9 The welding spot quality detection positioning of mechanical arm

由表6可見(jiàn)，超聲波探頭在角度方向的探測(cè)可在一定范圍內(nèi)具有結(jié)果的一致性，焊點(diǎn)檢測(cè)的結(jié)果能夠在保證精確探測(cè)位置的前提下，抵抗人為主觀誤差以及機(jī)械手在角度方向上定位偏差能力較強(qiáng)，也說(shuō)明了超聲探頭在角度方向的容錯(cuò)能力較強(qiáng)。

表6 探頭偏轉(zhuǎn)角度及相應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過(guò)焊點(diǎn)的金相實(shí)驗(yàn)得到車身焊點(diǎn)的基本尺寸信息，通過(guò)超聲波傳播衰減特性得到了焊核板材的內(nèi)部阻尼，建立了焊點(diǎn)仿真模型。

(2)對(duì)不同類型焊點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真，仿真信號(hào)特征參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，說(shuō)明了仿真模型建立方法的準(zhǔn)確性和有效性。仿真模型在焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)中可以根據(jù)超聲波時(shí)域信息對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判。

(3)通過(guò)在實(shí)際工況下控制機(jī)械手夾持探頭偏轉(zhuǎn)一定角度，證明了曲面焊點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果在一定角度范圍內(nèi)對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很小，為實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的自動(dòng)化檢測(cè)提供了支撐。

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