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摘要:壓接作為金屬類工件的一種連接方式，其壓接質量的好壞會直接影響該類型工件的使用。該文總結現有檢測方法的不足，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構及典型的壓接缺陷，提出基于超聲波的壓接質量檢測方法。仿真分析超聲波的聲場分布，得到適用于壓接質量檢測的探頭頻率。搭建壓接質量超聲檢測試驗系統，并對試塊和被壓接工件進行檢測。結果表明：超聲檢測技術能夠實現對被壓接工件壓接質量的檢測，徑向和軸向檢測準確度達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。

關鍵詞:被壓接工件;壓接質量;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生的連接，是讓金屬在規定的限度內發生變形并將金屬連接到一起的一種技術。這種技術廣泛應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量不達標，會導致被壓接的兩個部分不能密實地連接到一起，容易發生脫落，從而影響工件的使用[2-3]。對于被壓接工件壓接質量檢測方法主要有外表尺寸測量法和力學試驗檢測法。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部的壓接狀況。力學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量。針對被壓接工件的壓接質量檢測問題，相關學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部結構進行分析；趙洲峰等[5]使用數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]研制了適于現場地面的射線檢測裝置。當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量檢測[7-8]。但是射線檢測設備屬于特種設備，設備笨重、價格昂貴且操作復雜，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部的壓接質量進行檢測。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部進行檢測，而渦流檢測（ET）是利用電磁感應原理在物體內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檢測對象的結構

檢測對象為帶凹槽的棒材與管材的被壓接工件，該結構為典型的被壓接工件結構。棒材使用優質碳素鋼制成，上面有若干個環形凹槽，其數量和尺寸是已知的，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，以壓力使金屬產生塑性變形，從而使鋁制套管與鋼制棒材結合為一個整體。其壓接區域的結構如圖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。壓接前先標定凹槽所在位置，劃印壓接標記。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，由于鋁的流動性導致壓接點發生變化等原因，壓接位置可能出現差錯，會導致有的凹槽沒有被鋁材嵌入；2）由于液壓系統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。壓接的實質就是兩部分的金屬在壓力的作用下產生塑性形變相互緊密接觸，實現牢固的結合。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合，不能達到預期結合強度，使被壓接的部分無法承受原本可以承受的拉力，導致壓接部分被拉開。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量與尺寸都是已知的。當完成壓接工序后，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量與尺寸應與壓接前棒材凹槽的數量與尺寸是一致的。使用超聲波對壓接后凹槽處的鋁套管進行檢測，并對檢測結果進行成像，能夠獲得壓接后鋁套管的內部凸起的數量和尺寸。與棒材凹槽的數量與尺寸相比對，若檢測到的凸起數量與凹槽的數量一樣，且結構尺寸也一致，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，整個區域均為水域，圖中橫縱坐標代表水域尺寸。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。通過仿真結果，在使用此參數的聚焦探頭在水域檢測時，探頭的聲壓級分布有如下規律：1）當探頭頻率在1~7MHz時，存在聲壓級聚焦區域，其聲壓級聚焦區域在探頭下方5mm左右，與頻率沒有關系，跟探頭曲率有關。2）當聚焦探頭頻率在7MHz及以上時，聲束聚焦效果變差，高聲壓級區被拉長，9MHz時聲壓級分布混亂。根據聲壓級分布規律，3~7MHz的聚焦探頭比較適合此次被壓接工件壓接質量的檢測，結合探頭制作的生產標準，選用5MHz的聚焦探頭。根據5MHz聚焦探頭的仿真結果，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，根據檢測結果做適當的調試，以減小檢測誤差，讓檢測結果更加準確。

4被壓接工件壓接質量檢測試驗

4.1試驗系統介紹。試驗系統用的是水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統，設備如圖4所示。該成像系統由水槽、XYZ三向運動系統、超聲檢測裝置和PC端構成。超聲檢測裝置XYZ三向運動系統水槽PC端圖4水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統實物圖整個試驗系統的工作流程為：XYZ三向運動系統搭載超聲波探頭對被壓接工件進行往復掃查，探頭以固定頻率向工件發射超聲波，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，接收到的信號經過處理，得到工件沿超聲波發射方向的深度數據；同時，運動系統上的編碼器記錄此刻的位置數據，并通過外置接口發送至超聲檢測裝置，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，以用于后續檢測參數的設置。通過使用常規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下的聲速為6288m/s。使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統對試塊進行檢測，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卡尺測量的實際寬高對比如表1所示。2）槽兩側部位圖像平滑。根據試塊試驗，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成像檢測系統可檢測方形鋁塊上面槽的數目和寬高，在精度方面也滿足要求。4.3被壓接工件檢測試驗及結果分析。使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統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B掃圖片與C掃圖片顯示，右邊未經過壓接的區域，鋁套管內表面平滑。根據檢測試驗結果，使用水浸聚焦超聲波CT成像檢測系統可以通過圖像顯示壓接后的被壓接工件內部的結構狀況，由此可以判斷壓接后的壓接質量，且檢測準確度可達0.1mm，滿足壓接質量的檢測要求。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量進行檢測。

5結束語

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量檢測方法的優缺點，提出了基于超聲波的被壓接工件壓接質量的檢測方法。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成像檢測系統完成了試塊與被壓接工件的檢測試驗，試驗結果表明，使用超聲檢測系統可以對被壓接工件的壓接質量進行檢測，徑向和軸向準確度可達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:中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院