【摘要】：隨著國內(nèi)大中城市軌道交通的飛速發(fā)展,對軌道交通車輛品質(zhì)的要求越來越高。不銹鋼車體以其耐腐蝕性、高安全性以及輕量化等特點,廣泛應(yīng)用于各種類型軌道車輛的制造。目前,對于不銹鋼車體的焊接主要采用的是電阻點焊和激光深熔焊(以下簡稱激光焊)。激光焊主要應(yīng)用于對不銹鋼車體側(cè)墻的焊接,激光束從骨架一側(cè)施焊,蒙皮覆蓋于骨架的外側(cè),為部分熔透的焊接方式,因此,與傳統(tǒng)電阻點焊相比,激光焊提高了不銹鋼車體的外觀質(zhì)量。在軌道交通領(lǐng)域,對不銹鋼車體激光焊接技術(shù)的研究已經(jīng)受到越來越多的重視。然而,焊接參數(shù)的波動以及能量從激光束到工件傳遞不穩(wěn)定會對焊接接頭的形成造成影響;如果兩層鋼板沒有嚴格卡緊,會使母材熔化不均勻,從而導(dǎo)致未熔合或者熔深不足等缺陷的產(chǎn)生。因此,建立有效評估激光焊接頭質(zhì)量的方法是非常重要的。常用的激光焊接頭質(zhì)量評估方法主要有基于工藝參數(shù)的在線評估和焊后破壞性檢驗。前者只能提供有限的焊接質(zhì)量信息,不能精確地反映出接頭質(zhì)量;而后者雖然能夠精確獲得熔寬和熔深等幾何參數(shù),但浪費材料、影響生產(chǎn)效率。因此,利用無損檢測方法分析焊接接頭質(zhì)量是一個重要的研究方向。而超聲波檢測技術(shù)以其穿透能力強、靈敏度高等優(yōu)勢,適用于對薄板搭接激光焊接頭的檢測。為實現(xiàn)對搭接激光焊接頭的定量檢測,本文對激光焊接頭超聲檢測過程進行了深入的研究,最終對焊接接頭質(zhì)量進行有效評估,為實際生產(chǎn)應(yīng)用提供可靠保證。本文利用COMSOL Multiphysics軟件對激光焊接頭超聲檢測進行了有限元數(shù)值模擬,分析了超聲探頭位于母材區(qū)域、熔合邊緣區(qū)域以及熔合中心時聲場的瞬態(tài)分布和A掃描信號。當(dāng)探頭位于不同區(qū)域時,一次回波和二次回波強度都有不同的變化特征,而且利用一次回波幅值是最有效、最直接判斷熔合邊緣的方法。對超聲橫向掃描檢測進行了仿真,分析了一次回波幅值的變化規(guī)律。隨著探頭從母材區(qū)域向熔合中心移動,一次回波幅值逐漸降低,而后出現(xiàn)了極大值。對實際激光焊試件以及物理模擬試件進行了超聲C掃描檢測,證實了數(shù)值模擬中出現(xiàn)的回波幅值極大值點為搭接面的熔合中心。熔合中心的確定為評估小尺寸熔寬提供了依據(jù)。對實際激光焊接頭超聲檢測的時域和頻域信號進行了分析,歸納出超聲探頭位于不同位置時,A掃描波形及其相應(yīng)頻譜特性曲線的變化規(guī)律。在時域上,利用半衰減法可對熔寬進行評估,也就是說,隨著探頭從母材向熔合區(qū)域移動,當(dāng)一次回波幅值為母材區(qū)域的一半時,可認為探頭位于熔寬的一個邊緣位置;在頻域上,探頭在母材區(qū)域的第一主頻與熔合區(qū)域的不同,提取橫向掃描過程中探頭位于母材與熔合區(qū)域的第一主頻幅值,當(dāng)兩者的第一主頻幅值相等時,探頭所處的位置為熔寬的一個邊緣位置。對利用半衰減法和頻域分析方法的熔寬評估結(jié)果進行了試驗驗證。利用半衰減法對熔寬的評估具有較大誤差;而當(dāng)熔寬尺寸較小時,利用頻域分析方法也具有較大誤差。對小尺寸熔寬進行了界定,提出小于探頭焦柱直徑的熔寬為小尺寸熔寬,推導(dǎo)出實際聚焦探頭的理論焦柱直徑,并基于時域信號建立了小尺寸熔寬計算的數(shù)學(xué)模型。利用小尺寸熔寬計算的數(shù)學(xué)模型對頻域分析方法獲得的熔寬評估值進行了修正,結(jié)果表明,該模型能夠提高頻域分析方法對小尺寸熔寬的評估精度,而且當(dāng)探頭位于熔合中心時,模型的評估精度最高。本文對激光焊縫進行了超聲C掃描檢測,分別利用時域上的一次回波幅值、頻域上的母材區(qū)域第一主頻幅值以及熔合區(qū)域第一主頻幅值作為特征值進行了C掃描成像。成像結(jié)果表明,雖然C掃描成像能夠大致地反映出搭接面熔合邊緣的波動規(guī)律及形貌,但不能定量顯示出熔合中心及邊緣特征。因此,提出了激光焊縫特征的提取方法。焊縫特征的提取主要是對各橫向掃描線上熔合中心及邊緣的特征點進行提取,然后對這些特征點在焊縫長度方向上進行累加。對每一條橫向掃描線上一次回波幅值、母材區(qū)域第一主頻幅值以及熔合區(qū)域第一主頻幅值的掃描點進行了曲線擬合,確定了掃描線上的唯一熔合中心點及兩個邊緣特征點,最終實現(xiàn)了對搭接面焊縫特征的提取。提出了等效熔寬的概念。等效熔寬能夠反映出搭接面的有效連接面積,從而對焊縫的拉剪性能進行有效評價。進一步研發(fā)了激光焊縫自動識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ罱用娴娜酆现行募斑吘夁M行定量檢測,對保證激光焊縫質(zhì)量具有重要意義。激光焊的工藝參數(shù)對熔深的形成具有一定的影響,而且熔深與熔寬之間又有一定的數(shù)量關(guān)系。利用多元線性回歸模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對激光焊熔深進行了預(yù)測,選用熔透鋼板的板厚、激光功率、焊接速度、離焦量以及超聲檢測獲得的熔寬評估值作為輸入?yún)?shù)。預(yù)測結(jié)果表明,當(dāng)熔深較小時,多元線性回歸模型的預(yù)測值具有較大的誤差;從整體上來看,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精度較高,而且具有較強的抗外界干擾能力,具有更高的工程應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG456.7
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文中，熔寬和熔深是評價接頭質(zhì)量的重要幾何參數(shù)。多數(shù)研究表明，在一定的焊接參數(shù)條件下，熔寬和熔深具有某種必然的聯(lián)系，并且可以用于評價焊接接頭的力學(xué)性能。因此，建立有效評估激光焊接頭質(zhì)量的方法顯得尤為重要[18-22]。骨架(a)骨架(b)

圖 1.4 激光焊縫超聲 C 掃描顯示（a）掃描示意圖和（b）C 掃描顯示圖Fig. 1.4 Ultrasonic C-scan for the laser weld: (a) Schematic diagram of the scan and(b) C-scan imaging張馳等人[57]利用常規(guī)超聲 C 掃描檢測出了鈦合金擴散焊界面缺陷，并研究了掃描長和檢測頻率對檢測能力的影響。研究結(jié)果表明，掃描步長越小，C 掃描圖像越清，但掃描時間較長；探頭焦點尺寸越小，檢測靈敏度越高，有利于對小尺寸缺陷的別。由于常規(guī)超聲 C 掃描主要采用的是機械掃描方式，在檢測過程中具有定位精度高測過程穩(wěn)定以及顯示直觀等優(yōu)點。但在實際的工業(yè)應(yīng)用中，這種機械式掃描常常受工業(yè)噪聲和環(huán)境的影響，檢測精度會受到影響；另外，掃描步長決定了檢測效率以精度，因此，超聲 C 掃描暫時無法滿足在線快速檢測的要求。

圖 1.6 二維陣列探頭檢測示意圖hematic diagram of the detection by a two-dimensional array ultr 等人[69]對鋁合金薄板激光焊氣孔型缺陷進行了相控陣超聲檢缺陷，利用常規(guī) B 掃描方法無法直接觀察，必須使用高頻陣置為同時發(fā)射和接收聲波信號，并且將聚焦深度設(shè)置為遠大

【參考文獻】

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1 褚慧慧;王宗義;;基于主動視覺的焊縫成形尺寸測量和缺陷識別研究[J];熱加工工藝;2017年21期

2 陳子琴;高向東;王琳;;大功率盤形激光焊焊縫背面寬度預(yù)測[J];光學(xué)精密工程;2017年09期

3 王洪瀟;王春生;何廣忠;劉立國;;不銹鋼軌道車輛側(cè)墻激光焊快速裝夾裝置開發(fā)[J];金屬加工(熱加工);2017年04期

4 張馳;欒亦琳;羅志偉;張學(xué)習(xí);剛鐵;;擴散焊接頭缺陷超聲C掃描檢測能力分析[J];焊接學(xué)報;2016年09期

5 彭國平;陳振華;葉偉文;盧超;;基于合成孔徑聚焦的不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測技術(shù)[J];無損檢測;2016年09期

6 王鐵民;;激光焊接不銹鋼車體的研究[J];科技展望;2016年18期

7 莫玲;高向東;蕭振林;陳曉輝;;緊密對接激光焊焊縫位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[J];電焊機;2016年03期

8 姚明哲;楊志勇;馬秋紅;趙春風(fēng);;不銹鋼軌道車輛的特點[J];裝備機械;2015年03期

9 張雙楠;龐笑;楊宏宇;朱子?xùn)|;羅旭;;油氣管道維修中搭接焊縫超聲B掃描檢測方法與設(shè)備[J];石油工程建設(shè);2015年03期

10 任俊波;唐月明;王學(xué)權(quán);柴玉琨;許貴平;;鋯合金淺焊縫熔深超聲顯微檢測技術(shù)研究[J];材料導(dǎo)報;2015年S1期

本文編號：2805224