田勐 張勇 王麗萍 孫明輝 呂健瑋

摘要：結合不銹鋼車體激光疊焊的結構特點，開發(fā)了激光疊焊電磁超聲自動在線檢測技術，采用該技術對不銹鋼車體激光疊焊質(zhì)量進行在線檢測。研究表明，電磁超聲檢測技術適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測，對不銹鋼激光疊焊焊縫檢測有較高的靈敏度，反射波的高低與不銹鋼激光疊焊熔深有良好的對應關系，可根據(jù)焊縫的回波能力檢測不銹鋼薄板激光疊焊熔深。應用研究中，比較了熔深與熔寬的關系，并采用機器人進行全自動檢測判斷激光疊焊焊縫質(zhì)量，機器人的掃查速度快，提高了檢測效率，對不銹鋼激光疊焊質(zhì)量檢測優(yōu)勢明顯。

關鍵詞：不銹鋼車體;激光疊焊;電磁超聲檢測;機器人

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0096-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.15

0 前言

美國波士頓地鐵項目是我國軌道交通裝備行業(yè)首次對世界高端市場實現(xiàn)技術輸出的項目，其不銹鋼車體結構側墻工序首次采用部分熔透激光疊焊技術。激光疊焊技術是激光束照射在不銹鋼車體外墻板內(nèi)側搭接的補強骨架上，通過控制工藝參數(shù)使激光束貫穿補強板，而在熔入外墻板某一深度時中止。激光疊焊橫截面形貌如圖1所示，激光疊焊未熔合橫截面形貌如圖2所示。激光焊完成的車體外觀平整度和美觀程度都是傳統(tǒng)焊接工藝無法比擬的[1]，但使用常規(guī)探傷方式無法滿足焊接質(zhì)量檢測要求，因此許多新技術不斷涌現(xiàn)[2]。電磁超聲檢測方法對于不銹鋼激光疊焊熔池的檢測有很高的靈敏度，可明顯識別激光疊焊不同熔深的焊縫。該檢測技術具備無需耦合劑、檢測精度高[3]、探頭不易磨損等特點[4]，可透過保護膜檢測激光疊焊，優(yōu)勢明顯。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試件準備

美國波士頓地鐵不銹鋼車體采用SUS301L奧氏體不銹鋼板材，側墻和補強骨架的厚度分別為2 mm和1 mm[5]。SUS301L奧氏體不銹鋼力學性能優(yōu)異[6]，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。激光焊工藝具有焊接熱量集中、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點[7]，可實現(xiàn)更好的焊接效率和焊接質(zhì)量[8]，用Trudisk 4002激光器進行激光疊焊，接頭形式如圖3所示。

2.2 電磁超聲檢測系統(tǒng)

電磁超聲傳感器（EMAT）采用在線式Innerspect電磁超聲儀器，功率4 kW，頻率0.5～2 MHz。采用5.08 mm波長聚焦回折線圈，如圖4所示，系統(tǒng)靈敏度為：熔深在0.2 mm以下時，分辨率為0.05 mm;熔深在0.2 mm以上時，分辨率為0.1 mm。系統(tǒng)穩(wěn)定性為±2 dB，可通過門限區(qū)分。電磁超聲自動檢測系統(tǒng)機械工裝系統(tǒng)聯(lián)動軸數(shù)為6個自由度，如圖5所示。電磁超聲檢測系統(tǒng)在不銹鋼車體側墻的平行線上掃描焊縫，傳感器不斷掃描并策劃編碼的位置，提供位置與振幅圖表，當焊縫回波低于設定閾值水平時系統(tǒng)會自動報警，檢測結束后系統(tǒng)可自動生成表格，每條焊縫的檢測數(shù)據(jù)信息都自動保存在一個矩陣列表中，記錄具有可追溯性，便于后續(xù)分析、跟蹤和過程監(jiān)控。系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

2.3 試驗方法

EMAT工作原理如圖7所示。EMAT通過電磁耦合的方式在被測試件中激發(fā)超聲波[9]，焊縫有時會產(chǎn)生虛焊[10]。電磁超聲傳感器可在金屬內(nèi)部利用洛倫茲力和磁滯伸縮直接產(chǎn)生超聲波，無需耦合劑，不受表面涂層和表面保護薄膜脫粘的影響，可實現(xiàn)非接觸檢測。EMAT利用不同的磁鐵和線圈組合設計，能夠有效地激發(fā)出各種超聲波模式，易獲得傳統(tǒng)壓電超聲探頭較難實現(xiàn)的各種超聲波形，解決許多傳統(tǒng)超聲無法實現(xiàn)的檢測技術問題，激光疊焊檢測SH導波是首選。該EMAT系統(tǒng)電磁超聲傳感器激發(fā)SH超聲導波，SH波質(zhì)點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳輸方向，在傳輸過程中相對于蘭姆波（Lamb waves）很少發(fā)生波束方向的改變、頻散、衰減以及模式轉(zhuǎn)換，焊縫余高、工件表面的金屬毛刺和液體殘留等很少產(chǎn)生反射信號?；谝陨咸匦?，SH超聲導波可避免焊縫余高等因素產(chǎn)生的影響，實現(xiàn)對不銹鋼車體激光疊焊焊縫的檢測。

3 試驗結果和分析

針對不銹鋼薄板激光疊焊電磁超聲檢測技術進行了三項試驗：電磁超聲檢測方法的可行性試驗、電磁超聲檢測系統(tǒng)靈敏度標定試驗、電磁超聲檢測系統(tǒng)可靠性評估試驗。

3.1 激光疊焊電磁超聲檢測方法的可行性試驗

3.1.1 激光疊焊電磁超聲檢測

SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試件如圖8所示，試件上標記了序號1～6激光疊焊焊縫，分別采用1 900 W、1 800 W、1 750 W、1 700 W、1 600 W、1 500 W焊接，試件上板厚2 mm，下板厚0.64 mm，每條焊縫長度約50 mm、寬度約0.5 mm、焊縫間距約50 mm。用頻率0.95 MHz、0.2 英寸波長電磁超聲線圈激發(fā)SH波進行EMAT檢測。SH波質(zhì)點的振動方向平行于板面，激光疊焊熔深越大，接收反射受阻的超聲波能量越大，反射波幅越高;熔深越小，反射波幅越小。從厚板側以R-L逐點采集方式檢測這6條焊縫熔池深度，探頭中心距焊縫約25 mm，探頭聚焦點尺寸5 mm，從焊縫起始點開始平均間隔5 mm取測試點，可全部覆蓋焊縫長度50 mm，用編碼器等分距離。

3.1.2 激光疊焊電磁超聲檢測結果

（1）1號焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個測試點進行電磁超聲檢測，結果如表3所示，其中9號點回波示意如圖9所示。

（2）2號焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個測試點進行電磁超聲檢測，檢測結果如表4所示。

（3）3號焊縫。

焊縫從頭到尾平均取11個測試點進行電磁超聲檢測，結果如表5所示。

（4）4號焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個測試點進行電磁超聲檢測，結果如表6所示。

（5）5號焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個測試點進行電磁超聲檢測，結果如表7所示。

（6）6號焊縫。

焊縫長45 mm，從頭到尾平均取10個測試點進行電磁超聲檢測，結果如表8所示。

3.1.3 試驗結論

某激光疊焊焊縫EMAT位置-振幅樣例圖如圖10所示，對不銹鋼車體激光疊焊EMAT檢測的主要目的是判斷焊縫是否熔合。本次試驗結果如表9所示，激光疊焊焊縫熔合與未熔合反射波幅有明顯差異，證明了電磁超聲檢測技術適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測，且不受保護膜粘接質(zhì)量的影響。

3.2 激光疊焊電磁超聲檢測系統(tǒng)靈敏度標定

采用電磁超聲檢測技術分別檢測3塊不銹鋼車體SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試板，上板厚2 mm，下板厚0.64 mm，試件編號分別為1809、1810、1811，用頻率0.95 MHz、0.2英寸波長電磁超聲聚焦線圈激發(fā)SH導波，以L-R連續(xù)掃查方式從厚板側進行檢測。

3.2.1 編號1809試件檢測結果

編號1809試件如圖11所示。位置1和3與板上側的激光疊焊焊縫相對應，位置4和6與板下側的激光疊焊焊縫相對應，上下側焊縫間距約60 mm，每個焊接點都提供了良好的反射（接近70%）。位置2和5是無焊縫區(qū)，不屬于測試范圍。對位置1、3、4、6激光疊焊焊縫進行了熔深金相檢驗，金相結果與EMAT檢測結果如表10所示。

3.2.2 編號1810試件檢測結果

編號1810試件如圖12所示。位置1和3與板上側的激光疊焊焊縫相對應，位置4和6與板下側的激光疊焊焊縫相對應，每個焊接點提供了微弱至無的反射（接近10%），說明焊縫質(zhì)量低劣，熔合不良。位置2和5是無焊縫區(qū)，不屬于測試范圍。在該特定試件中，一些激光疊焊焊縫的邊緣具有相當高的回波，通常只有一個邊緣具有更高的響應。試驗表明：當焊接開始，由于功率高在該處焊接良好，但僅在一個非常小的區(qū)域，該激光疊焊焊縫的其他部分仍然不好，是功率降低造成的。對位置1、3、4、6激光疊焊焊縫進行了熔深金相檢驗，金相結果與EMAT檢測結果一致，如表11所示。

3.2.3 編號1811試件檢測結果

編號1811試件如圖13所示。位置1、3和5與板下側的激光疊焊焊縫相對應，位置6、8和10與板上側的激光疊焊焊縫相對應，每個焊接點都提供了良好的反射（接近75%）。位置2、4、7和9是無焊縫區(qū)，不在測試范圍。對位置1、3、5、6、8、10激光疊焊焊縫進行了熔深金相檢驗，金相結果與EMAT檢測結果如表12所示。

3.2.4 試驗結論

由分析可知，1809試件平均熔深為0.24 mm，1811試件平均熔深為0.36 mm，1810試件平均熔深為0.13 mm。激光疊焊EMAT檢測反射波幅隨著熔深的增加而增加，本次試驗中將1811試件平均熔深0.36 mm對應EMAT反射波幅（75%±1%）設為閾值上限，1809試件平均熔深0.24 mm對應EMAT反射波幅（70%±1%）設為閾值下限。1810試件平均熔深相對小，其EMAT反射波幅（10%±1%）低于設定閾值下限，檢測結果不合格。

3.3 電磁超聲檢測系統(tǒng)的可靠性驗證評估

圖14中電磁超聲檢測綠色區(qū)域為焊縫位置。電磁超聲技術主要對焊縫區(qū)內(nèi)的回波信號進行分析，回波能力AMP是指閘門內(nèi)波峰最高點的Flaw值。在同一批次SUS301L奧氏體不銹鋼激光疊焊試件中取13個進行電磁超聲檢測，用頻率0.95 MHz、波長0.2英寸的電磁超聲聚焦線圈激發(fā)SH導波，以L-R連續(xù)掃查方式從厚板側進行檢測，檢測結果均與熔深金相結果一致。以編號1840-2試件為例，如圖15所示，其EMAT檢測結果如圖16所示，分別對位置1/4、2/4、1/5、2/5、1/6、2/6激光疊焊焊縫熔深進行金相檢驗，金相結果與EMAT檢測結果對比如表13所示。

分析13個激光疊焊試件EMAT回波能力，并結合熔深金相檢驗結果，可得出以下結論：（1）EMAT回波小于20%，熔深在0.15 mm以下。（2）EMAT回波在20%～30%時，熔深在0.15～0.3 mm。（3）EMAT回波在30%～40%時，熔深在0.3 mm以上。（4）EMAT回波超過40%的屬于焊縫過燒。（5）EMAT回波信號的x軸長度代表激光疊焊的熔池寬度?；夭晻r較長（見圖17），說明熔池較寬，回波聲時較短（見圖18），表示熔池較窄。

運用便攜式熔寬檢測設備檢測激光疊焊焊縫并與EMAT結果進行對比，發(fā)現(xiàn)當熔寬大于等于0.4 mm時，激光疊焊熔深大于等于0.1 mm。該項目要求：部分熔透激光疊焊熔深小于0.1 mm、熔寬小于0.4 mm時為不合格。激光疊焊熔深為0.1 mm時電磁超聲檢測平均反射波幅為14.8%，因此EMAT檢測中將合格閘門設置為14.8%，反射波幅低于該值的焊縫為不合格。實際檢測中對于某一條焊縫，采樣點數(shù)量應不少于1個/mm，若某一采樣點波高低于標定波高，則該點處為缺陷。若累計缺陷采樣點數(shù)量大于等于該條焊縫總采樣數(shù)量的20%或連續(xù)缺陷大于等于10%，則判定為不合格焊縫。EMAT檢測系統(tǒng)會自動評定焊縫是否合格，并在結果中用不同顏色予以區(qū)分。激光疊焊過燒缺陷可通過肉眼或內(nèi)窺鏡等外觀檢查判定。

4 結論

（1）前期不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測多以焊后破壞性試驗為主，因不銹鋼車體側墻尺寸大且焊縫多，每個側墻需要檢測的焊縫達700多條，并要求在30 min內(nèi)完成檢測，因此開發(fā)不銹鋼薄板激光疊焊電磁超聲自動檢測技術相當重要。電磁超聲無需耦合劑，可透過保護膜對車體側墻激光疊焊焊縫進行檢測，對不銹鋼激光疊焊質(zhì)量檢測優(yōu)勢明顯。

（2）電磁超聲檢測技術適用于不銹鋼薄板激光疊焊質(zhì)量檢測，對于不銹鋼激光疊焊熔池檢測有較高的靈敏度，可根據(jù)焊縫的回波能力檢測不銹鋼薄板激光疊焊熔深，判斷焊縫質(zhì)量，并采用機器人進行全自動檢測，掃查速度最高可達1 000 mm/s，提高了檢測效率。

參考文獻：

[1] 王鐵民. 激光焊接不銹鋼車體的研究[J]. 科技展望，2016（18）：60.

[2] 陳曉，李倩. 激光拼焊技術在汽車生產(chǎn)中的應用[J]. 模具技術，2015（4）：55-59.

[3] 呂依依，姚歡. 電磁超聲探傷技術及其在無縫鋼管檢測中的應用[J]. 內(nèi)蒙古石油化工，2015（16）：111-113.

[4] 丁秀莉，武新軍，郭鍇，等. 電磁超聲傳感器工作原理與結構[J]. 無損檢測，2015，37（1）：96-100.

[5] 王洪瀟，王春生，何廣忠，等. 激光疊焊工藝在軌道車輛不銹鋼車體中的應用研究[A]. 第二屆軌道交通先進金屬加工及檢測技術交流會論文集[C]. 長春：金屬加工出版社，2016：836-837.

[6] 張巖，谷曉燕，朱麗娟，等. SUS301L薄板不銹鋼脈沖激光焊接頭的組織特點與硬度分布[J]. 材料熱處理學報，2016，37（增刊）：55-60.

[7] 王素環(huán)，肖雪峰，韓曉輝，等. 不銹鋼激光焊與電弧焊焊接性對比研究[J]. 焊接技術，2014，43（2）：18-20.

[8] 陳樹林. 不銹鋼激光焊接能量控制與工藝試驗研究[J].新技術新工藝，2016（7）：59-61.

[9] 巨建民，張書娜. 不銹鋼地鐵車輛側墻焊縫缺陷率分析[J]. 大連交通大學學報，2015，36（1）：72-75.

[10] 徐文峰，趙建平. 電磁超聲橫波檢測鋼板減薄缺陷的有限元分析[J].壓力容器，2016，33（5）：62-68.