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摘 要：电阻点焊质量评估一直是被重点关注的领域，超声波检测因其具有传统检测方法没有的独特优势，越来越受到重视。本文以冷轧冲压钢板为例，分别将撕裂法、金相分析法与超声波检测焊核直径进行对比，实验证明，超声波检测具有较高的准确性和稳定性。
关键词：电阻点焊 超声波检测 撕裂法 金相分析
Research on Ultrasonic Testing Precision of Resistance Spot Welding
Wang Fei Ye Shaojian Tian Yongqiang Li Song Lu Zhenfang Zhao Enguang
Abstract：The quality assessment of solder joints has always been a focus of attention. Ultrasonic testing has attracted more and more attention because of its unique advantages that traditional testing methods do not have. Taking cold-rolled stamping steel as an example，this paper compares the tearing method，the metallographic analysis method and the ultrasonic inspection of the weld nugget diameter. The experiment proves that the ultrasonic inspection has high accuracy and stability.
Key words：resistance spot welding，ultrasonic testing，tearing method，metallographic analysis
电阻点焊因其生产效率高、稳定性好、使用成本低、易于实现自动化等诸多优势，被广泛运用于汽车、轨道车辆、航天航空等工业生产制造中;如今，电阻点焊已经成为汽车生产最主要的连接方式。但是，由于一辆白车身焊点数量较多（大约4000个）和点焊技术的大规模运用，往往会产生飞溅、虚焊、焊核直径不足等不良缺陷。同时，焊核的再结晶和晶粒长大过程一直处于封闭状态，无法对其直接观测，给焊点质量控制带了较大挑战。因此，焊点品质和质量评估技术的研究一直是重点关注的领域。
传统的焊点检查方法有目视检查、非破坏性凿检、撕裂破坏检测、金相显微检测等。目视检查效率高，但是只能观测焊点外观缺陷（毛刺、缩孔、裂纹、扭曲等），对人的经验依赖程度高。非破坏性凿检可在不完全破坏焊点状态下，对焊点进行强度确认，也可能对高硬度、高强度材料焊点形成断裂性损伤，对超高强度材料厚板焊点无法检测。撕裂破坏和金相显微检测能更直观、更全面反映白车身焊点质量，但检测效率低、成本高，无法及时发现焊接缺陷;且抽样频率较低，不利于问题的及时发现，无法实时监控焊点的质量。
超声波检测是在不破坏母材的前提下，对焊点进行质量分析。由于金属薄板点焊接头熔核是铸态组织，其晶体结构与母材不同，超声波在其中的衰减幅度也不同，超声波检测就是利用微观组织上的差別，即超声波在板材界面反射或穿透焊点熔核时的声波衰减程度来判断焊点质量。相比于传统的检测方式，超声波检测具有操作简单、灵敏度高、效率高、不受焊点空间位置等影响优势。本文以车身低碳钢为例，将撕裂法、金相分析法与超声波检测结果进行对比，研究超声波检测焊点的准确度，为白车身点焊质量超声波检测提供可靠理论来源。
1 实验材料
实验所采用的材料为宝钢生产的冷轧冲压钢板，试样长110mm、宽35mm，厚分别为1.0mm和1.2mm，点焊设备为工频小原UXH型悬挂式焊机，焊接时间5/15CYC、焊接电流5.0/8.5KA、电极压力2300N，将两块不用厚度的试片进行两次焊接，并记录焊件试样编号（图1），共焊接12组。
2 实验方法
2.1 超声波检测
实验采用的NextSpot 600超声波检测仪，其检测原理是利用垂直入射脉冲-反射法（图2）对焊点进行A扫描与C扫描成像观测。超声波C扫描成像可以直接看到焊接接头的二维图像（图3），清晰显示焊点的焊核直径、压痕深度、及内部组织缺陷。首先对传感器的检测面涂抹适当的耦合剂，校准首层板厚，在临检模式下依次对焊点1和焊点2进行焊核直径测量，共12组试样，系统自动保存检测数据。
2.2 金相显微检测
将12组试样的焊点2分别进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光，抛光面铮亮如镜面即可（图4），抛光结束后立即用清水清洗，防止氧化。然后将抛光后的试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀，利用奥林巴斯GX53型金相显微镜测量焊核的实际直径并记录，图5为焊核的金相组织。
3 实验结果分析
3.1 超声波检测与撕裂直径对比
图6为超声波检测A扫描与C扫描成像，图片右侧的A扫描显示焊点波形呈现表面波相位单波峰向上，双波峰向下，闸门内波形平坦无起伏，闸门后焊点多次底面反射波，直至衰减消失。C扫描成像焊点部分为绿色，非焊点区域为红色成像，焊核较完整。结合界面显示的焊核直径和压痕深度，判断12个试样焊点全部合格。利用风铲将12组试样的焊点1进行撕裂，用游标卡尺测量相应的长短径a和b（图7），焊核直径Ds计算如公式（1）。
Ds=（a+b）/2 （1）
利用超声波法和撕裂法分别对焊点1进行焊核直径测量，将2组数据进行对比，如图8所示。由图可知，超声波检测结果与撕裂法游标卡尺检测结果，虽然有一定偏差，但是同一焊点的变化趋势基本一致。造成这种偏差的主要原因是撕裂法获得的焊核留有残留毛边，导致检测结果偏大，通过以上，说明超声波检测具有较高的可靠性与准确性。
3.2 超声波检测与金相直径对比
利用超声波检测和金相检测法分别对焊点2进行焊核测量，将超声波检测直径De和金相检测直径Dm进行对比，如图9所示，从图中可知两者测量值吻合度较好。图10为12组De和Dm的差值统计和正态分布曲线，正态分布曲线的均值为-0.5，标准差为0.126，误差均值和标准差都较小，说明超声波检测焊核直径准确性较高，偏差较小，对判断点焊焊核强度具有较高的精度和稳定性。
4 结论
（1）超声波检测与撕裂法检测焊核直径具有一定的偏差，造成这种偏差的主要原因是撕裂法获得的焊核有残留毛边，导致撕裂结果偏大，且两者的变化趋势是一致的，说明超声波检测具有较高的可靠性与准确性。
（2）超声波检测与金相法检测结果高度吻合，且两者偏差值较小，正态分布曲线的均值和标准值也较小，说明超声波检测对判断点焊焊核强度具有较高的精度和稳定性。
参考文献：
[1]刘静.不锈钢电阻点焊质量超声波定量及智能化检测研究[D].吉林大学，2015.
[2]孙鑫宇，曾凯，何晓聪，张龙，胡伟.电阻点焊接头超声波C扫描检测分析[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2016，41（05）：22-26.
[3]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.
关键词：电阻点焊 超声波检测 撕裂法 金相分析
Research on Ultrasonic Testing Precision of Resistance Spot Welding
Wang Fei Ye Shaojian Tian Yongqiang Li Song Lu Zhenfang Zhao Enguang
Abstract：The quality assessment of solder joints has always been a focus of attention. Ultrasonic testing has attracted more and more attention because of its unique advantages that traditional testing methods do not have. Taking cold-rolled stamping steel as an example，this paper compares the tearing method，the metallographic analysis method and the ultrasonic inspection of the weld nugget diameter. The experiment proves that the ultrasonic inspection has high accuracy and stability.
Key words：resistance spot welding，ultrasonic testing，tearing method，metallographic analysis
电阻点焊因其生产效率高、稳定性好、使用成本低、易于实现自动化等诸多优势，被广泛运用于汽车、轨道车辆、航天航空等工业生产制造中;如今，电阻点焊已经成为汽车生产最主要的连接方式。但是，由于一辆白车身焊点数量较多（大约4000个）和点焊技术的大规模运用，往往会产生飞溅、虚焊、焊核直径不足等不良缺陷。同时，焊核的再结晶和晶粒长大过程一直处于封闭状态，无法对其直接观测，给焊点质量控制带了较大挑战。因此，焊点品质和质量评估技术的研究一直是重点关注的领域。
传统的焊点检查方法有目视检查、非破坏性凿检、撕裂破坏检测、金相显微检测等。目视检查效率高，但是只能观测焊点外观缺陷（毛刺、缩孔、裂纹、扭曲等），对人的经验依赖程度高。非破坏性凿检可在不完全破坏焊点状态下，对焊点进行强度确认，也可能对高硬度、高强度材料焊点形成断裂性损伤，对超高强度材料厚板焊点无法检测。撕裂破坏和金相显微检测能更直观、更全面反映白车身焊点质量，但检测效率低、成本高，无法及时发现焊接缺陷;且抽样频率较低，不利于问题的及时发现，无法实时监控焊点的质量。
超声波检测是在不破坏母材的前提下，对焊点进行质量分析。由于金属薄板点焊接头熔核是铸态组织，其晶体结构与母材不同，超声波在其中的衰减幅度也不同，超声波检测就是利用微观组织上的差別，即超声波在板材界面反射或穿透焊点熔核时的声波衰减程度来判断焊点质量。相比于传统的检测方式，超声波检测具有操作简单、灵敏度高、效率高、不受焊点空间位置等影响优势。本文以车身低碳钢为例，将撕裂法、金相分析法与超声波检测结果进行对比，研究超声波检测焊点的准确度，为白车身点焊质量超声波检测提供可靠理论来源。
1 实验材料
实验所采用的材料为宝钢生产的冷轧冲压钢板，试样长110mm、宽35mm，厚分别为1.0mm和1.2mm，点焊设备为工频小原UXH型悬挂式焊机，焊接时间5/15CYC、焊接电流5.0/8.5KA、电极压力2300N，将两块不用厚度的试片进行两次焊接，并记录焊件试样编号（图1），共焊接12组。
2 实验方法
2.1 超声波检测
实验采用的NextSpot 600超声波检测仪，其检测原理是利用垂直入射脉冲-反射法（图2）对焊点进行A扫描与C扫描成像观测。超声波C扫描成像可以直接看到焊接接头的二维图像（图3），清晰显示焊点的焊核直径、压痕深度、及内部组织缺陷。首先对传感器的检测面涂抹适当的耦合剂，校准首层板厚，在临检模式下依次对焊点1和焊点2进行焊核直径测量，共12组试样，系统自动保存检测数据。
2.2 金相显微检测
将12组试样的焊点2分别进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光，抛光面铮亮如镜面即可（图4），抛光结束后立即用清水清洗，防止氧化。然后将抛光后的试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀，利用奥林巴斯GX53型金相显微镜测量焊核的实际直径并记录，图5为焊核的金相组织。
3 实验结果分析
3.1 超声波检测与撕裂直径对比
图6为超声波检测A扫描与C扫描成像，图片右侧的A扫描显示焊点波形呈现表面波相位单波峰向上，双波峰向下，闸门内波形平坦无起伏，闸门后焊点多次底面反射波，直至衰减消失。C扫描成像焊点部分为绿色，非焊点区域为红色成像，焊核较完整。结合界面显示的焊核直径和压痕深度，判断12个试样焊点全部合格。利用风铲将12组试样的焊点1进行撕裂，用游标卡尺测量相应的长短径a和b（图7），焊核直径Ds计算如公式（1）。
Ds=（a+b）/2 （1）
利用超声波法和撕裂法分别对焊点1进行焊核直径测量，将2组数据进行对比，如图8所示。由图可知，超声波检测结果与撕裂法游标卡尺检测结果，虽然有一定偏差，但是同一焊点的变化趋势基本一致。造成这种偏差的主要原因是撕裂法获得的焊核留有残留毛边，导致检测结果偏大，通过以上，说明超声波检测具有较高的可靠性与准确性。
3.2 超声波检测与金相直径对比
利用超声波检测和金相检测法分别对焊点2进行焊核测量，将超声波检测直径De和金相检测直径Dm进行对比，如图9所示，从图中可知两者测量值吻合度较好。图10为12组De和Dm的差值统计和正态分布曲线，正态分布曲线的均值为-0.5，标准差为0.126，误差均值和标准差都较小，说明超声波检测焊核直径准确性较高，偏差较小，对判断点焊焊核强度具有较高的精度和稳定性。
4 结论
（1）超声波检测与撕裂法检测焊核直径具有一定的偏差，造成这种偏差的主要原因是撕裂法获得的焊核有残留毛边，导致撕裂结果偏大，且两者的变化趋势是一致的，说明超声波检测具有较高的可靠性与准确性。
（2）超声波检测与金相法检测结果高度吻合，且两者偏差值较小，正态分布曲线的均值和标准值也较小，说明超声波检测对判断点焊焊核强度具有较高的精度和稳定性。
参考文献：
[1]刘静.不锈钢电阻点焊质量超声波定量及智能化检测研究[D].吉林大学，2015.
[2]孙鑫宇，曾凯，何晓聪，张龙，胡伟.电阻点焊接头超声波C扫描检测分析[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2016，41（05）：22-26.
[3]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.