SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：在传统焊接检测方法中，并未考虑铜表面钨涂 层对电磁超声信号传递效果的差异，导致焊接缺陷的检测 结果存在较大误差，为此，提出铜表面钨涂层焊接中的接 焊缝裂纹检测技术研究。分别沿0°方向和 90°方向对待 检测焊接部位进行超声扫描，并结合焊接母材的声阻抗系 数，对电磁超声信号激发频率与波数进行适应性设置，在 对采集到的信号数据进行处理时，根据超声波在非均匀介 质中的衍射效应，首先利用回波衍射法计算得到缺陷的深 度，再结合扫描点位与信号峰值之间的关系，计算得到缺 陷的位置信息。测试结果表明，设计的接焊缝裂纹检测技 术可以实现对铜表面钨涂层焊接缺陷的准确检测，相对误 差稳定在 0.06mm 以内，可为激光焊接质量检测工作的开 展提供有效帮助。
关键词 ：铜表面钨涂层焊接,接焊缝裂纹检测技术.超声扫描.激发频率.衍射效应.信号峰值
随着近年来接焊缝裂纹检测技术的不断发展，其凭借 超声波在试件中的传播特性，实现了利用超声波检测仪的 声源对试件内部具体情况进行探测的目的。在具体的实施 过程中，只需要按特定方式将超声波发射至目标检测位 置，借助声波在介质传播过程表现出的变化，即可实现通 过表征信息判断试件内部状态的效果。但是值得注意的 是，在不连续声阻抗介质交界面上，声波会出现不同程度 的反射，此时的信号即为超声回波信号，只有完整获取超 声回波信号，才能够切实保障后续超声换能器的处理结构 能够真实反映构件的实际情况。无论是信号的衰减系数、 传播速度、声强，还是信号的频率，都在一定程度上反馈 着构件的内部状态信息。由于在铜表面钨涂层焊接过程 中，裂纹、未熔合等质量缺陷，采用抽检的方式无法得到 检验目的，因此，接焊缝裂纹检测技术也开始在该领域得 到进一步应用。
为了确保检测结果的可靠性，本文针对铜表面钨涂层 焊接进行了接焊缝裂纹检测技术研究，并实现了对焊接件 中缺陷的位置、大小、形状和发展程度的准确检测。通过 本文的设计研究，希望可以为激光焊接质量检测工作的开 展提供有价值的帮助。
1 试验材料与方法
1.1 铜钨复合材料制备
化学气相沉积方法所使用的气体有三种，分别是难 熔金属氟化物WF6 的反应源气体，还原气体H2.用于排空 反应系统中的惰性气体Ar，三者的纯度均为 99.99%。而 采用该方法进行制备涂层时，沉积温度为 500℃~ 700℃, WF6 与 H2 的 气 体 配 比 为 1 ：1 ～ 1 ：4. 沉 积 时 间 30min ～ 60min。制备完成后，则需要采用热等静压工艺对 铜钨复合材料进行热等静压处理，以提高基体与涂层之间 的结合强度。其中热等静压工艺采用 120MPa 的静压，热 度为 930℃, 进行2h处理， 然后随炉冷却。
1.2 激光焊接设置
试验采用 HL4006D 型Nd ：YAG激 光器， 最大输 出 功率为 4.0kW，激光波长 λ=1.06μm，焦点位置光斑直径 D=0.6mm。在板材焊接过程中，激光束采用垂直入射方式， 激光束作用点距离板材边缘 6.0mm ～ 7.0mm。激光熔- 钎焊接试验工艺参数为激光功率P=1.2、1.4kW，焊接速度 V=0.3m/min， 离焦量 Δf= 23mm， 送粉量 s=1.71g/min， 送 粉头与焊缝成 θ = 60°, 保护气体纯度99.9%氩气，氩气流 量40l/min。焊后用线切割沿焊缝横截面切开，并用镶嵌机 进行镶嵌， 经研磨、抛光制成金相试样。
1.3 铜钨复合材料性能表征
对所制备的铜钨复合材料的性能表征进行分析，以确 保所制备材料的可靠性，为后续的检测提供可靠的试验材 料，保障所得测试结果的准确性。所需进行的性能表征分 析及所采用的设备和方法的描述如下。
对涂层所需进行的性能表征分析，主要有钨涂层成分 定性分析、钨涂层微观组织分析及涂层厚度测量、钨涂层 界面结合强度分析、钨涂层抗热震性能分析。其中，对钨 涂层成分进行定性分析，主要采用NovaTMnanoSEM50 扫 描电镜附带能谱仪进行 ;对钨涂层进行微观组织分析及涂 层厚度测量，主要采用 OLYMPUS-CK40M(GX51) 金相显 微镜进行。而对钨涂层界面结合强度进行分析，需要采用 钎焊法连接铜钨复合材料样品的钨涂层外表面，进行拉伸 试验测试，从而完成钨涂层界面结合强度分析，其测试条件为室温，制备的试样尺寸直径为 25mm×50mm。钨涂层 的抗热震性能分析，需要采用氢气炉对铜钨复合材料进行 热循环，而完成钨涂层的抗热震性能分析，其中热循环工 艺需采用氢气环境，试样尺寸直径为 25mm×5mm，升、降 温速率分别为 16℃ /min 和 4℃ /min， 其热度为 970℃, 工 艺处理时长为 5min。
2 铜表面钨涂层材料制备结果分析
2.1 钨涂层成分分析
采用能谱仪对钨涂层进行面扫描，能谱分析结果显示 涂层成分为钨， 杂质含量非常低。
2.2 钨涂层微观形貌及厚度
将铜钨复合材料剖面取样后进行镶嵌、磨削和抛光。 采用金相显微镜观察钨涂层的金相组织，测量钨涂层厚 度。由化学气相沉积得到的钨涂层为柱状晶组织，生长方 式为先细晶生长，然后是柱状晶生长 ;涂层与基体界面平 整且均匀。随机选取 5 个位置测量涂层厚度，5 个位置厚度 值 分 别 为 194.370μm、197.145μm、185.775μm、196.188μm、 184.786μm， 平均值为 191.653μm， 最大值与最小值差值仅 为 12.359μm， 说明钨涂层厚度均匀且平整。
2.3 钨涂层界面结合强度分析
测试过程中，钎焊连接试样均在钎焊连接位置发生断 裂，钨涂层未发生断裂或脱落现象，表明钨涂层与铜基体 的界面结合强度大于钎焊界面结合强度。
2.4 钨涂层抗热震性能分许
氢气环境热循环 1 次和 5 次后，试样钨涂层未剥落，表 面未见明显裂纹或损伤。将热循环5次后的试样剖面取样后 进行镶嵌、磨削和抛光， 采用金相显微镜观察钨涂层的金相 组织。钨涂层中未见明显的贯穿裂纹， 钨涂层与基体界面平 整，结合处未见间隙， 表面钨涂层的抗热震性能良好。
综合上述分析，所制备的铜表面钨涂层板材具有可靠 性，可用于后续的接焊缝裂纹检测，为所得结果的准确性 提供保障。
3 接焊缝裂纹检测技术设计
3.1 相控阵超声检测技术
超声检测技术主要特点是通过计算机来控制各个晶 片的激励(振幅与延时)，形成相应的聚焦法则实现声束的 偏转及聚焦，从而在不移动或者少移动探头的情况下，实 现工件内部缺陷的检出与定量。完成这一过程的主要部件 就是超声相控阵探头，相控阵探头是由按照一定形状排列 的不同压电晶片所组成，其发射和接收原理是，在探头的发射过程中， 依据 Huygen-Fresnel 原理， 依靠计算机来控 制不同阵元发射信号的波形、幅度和相位延时，从而在空 间上形成聚焦和声束偏转等效果，并使阵元发射声波在空 间上产生干涉现象，某些相位的声波相互叠加得到加强， 另一些相位的声波相互叠加得到消除。在探头的接收过程 中，各阵元按照相应的聚焦法则将缺陷反射回波信号，进 行延时补偿以及相互叠加形成一个合成的脉冲回波信号 传送至探测器，并通过计算机处理以图像的形式显示出缺 陷的位置以、大小、形状和发展程度。在实际检测过程中， 通常采用相控阵 S 扫描来对裂纹进行定位定量，其中 S 扫 描所成的二维图像就是依靠在不同角度线下的声束入射 到工件内部与裂纹相互作用，缺陷反射回波所产生的 A 扫 信号经过延时计算以及角度调整所形成的图像。其中横坐 标表示的是相对于参考点的水平移动距离，纵坐标表示裂 纹的真实深度，可以根据图像直接读出缺陷的位置、形状 和发展程度。针对裂纹类缺陷高度定量，主要就是依据发 射探头发射的超声波与裂纹缺陷相互作用产生的反射波 或衍射回波信号，根据信号传播到探头的声时可以计算出 裂纹在工件中的大小。
3.2 超声信号采集
在对铜表面钨涂层焊接情况进行分析阶段，首先需要 获取其对应的超声信号。在具体的实施过程中，为了确保 数据的完整性和可靠性，本文首先沿 0°方向扫描待检测 焊接部位。需要注意的是，由于具体的焊接面积和深度部 分，需要对超声扫描一起的单次步进距离进行合理控制， 一般情况下，以 2.0mm 为宜。对应扫描装置的信号激发频 率不宜低于 100kHz。之后再沿 90°方向进行扫描，单次步 进距离与沿 0°方向扫描时保持一致。考虑到电磁超声信 号激发频率与波数的设置直接关系到采集数据的精度，因 此需要充分结合实际焊接材料的属性。本文设计的电磁超 声信号激发频率与波数的设置标准描述如下。焊接母材密 度低于 5×104kg/m3.声阻抗低于 2×107kg·m-2/s，超声信号 的频率和波数分别为 120 和 6 ;密度低于 8×104kg/m3.声阻 抗低于 4×107kg·m-2/s，超声信号的频率和波数分别为 130 和 7 ;密度低于 5×105kg/m3.声阻抗低于 6×107kg·m-2/s，超声 信号的频率和波数分别为 140 和 8 ;密度低于 8×105kg/m3. 声阻抗低于 8×107kg·m-2/s，超声信号的频率和波数分别为 150 和 9.
按照上述信息，结合焊接材料的实际情况，选择合适 的超声波激励参数。除此之外，考虑到激发换能器与接收 换能器之间距离对于超声信号接收效果的影响，本文设置 二者之间的间距为 100.0mm。按照这样的方式，测量得到待检测焊接部位 X 轴方向的信号数据信息。此时采集到的 超声信号数据具有立体属性，对于后续缺陷具体状态的计 算以及位置的判定都会其到一定的积极作用。
按照此方式，利用激发与接收换能器信号的差异对铜 表面钨涂层焊接情况进行进一步分析。
3.3 基于信号处理的焊接状态分析
在上述基础上，本文根据超声波在非均匀介质中的衍 射效应，实现对具体焊接缺陷情况的分析。在衍射作用下 获取的超声回波数据反馈了焊接位置内部的实际情况，在 具体的过程中，本文首先利用回波衍射法，通过衍射回波 的采样时间差，获得缺陷的深度。按照上述所示的方式即 可根据采集到的超声信号数据实现对铜表面钨涂层焊机 部位的检测。随着焊接内部缺陷的发展，接收换能器接收 到的信号也会表现出一定的波动，此时波动的幅值就体现 了缺陷的程度。通过 3.2 部分设计的数据采集方式，本文获 取到的超声信号数据是以检测材料为中心的立体数据。因 此，对于具体缺陷位置的定位就可以根据衍射波峰值的分 布情况与对应扫描点之间的关系得到。一般情况下，利用 超声波对铜表面钨涂层焊接情况进行检测时，波形的采样 时间也是影响最终对缺陷计算精度的关键因素之一。因此 需要结合实际检测需求合理设置缺陷回波出现时间的采 集精度。
通过这样的方式，即可根据超声波信号实现对铜表面 钨涂层焊接情况的有效检测，为具体焊接质量的控制提供 执行依据。
4 应用测试
4.1 测试材料准备
在测试阶段，本文充分结合了焊点接焊缝裂纹检测原 理，设置了探头、板材和焊核连通的测试材料。其中， 板材和 焊核部分为圆柱体结构，在具体的设置上，本文将上文所制 备的铜表面钨涂层母材的上下层板厚度进行了差异化设置， 对于熔核厚度的设置，主要是通过在母材两板间有设置间隙 实现的， 具体的宽度为0.1mm。在此基础上， 为了减少回波接 收阶段的时间开销，本文在不影响检测结果的前提下，设置 芯片接收器位于楔块底部2.0mm的位置。在具体的测试材料 构成上， 楔块的材料为 PMMA， 密度为 1190.0kg/m3.对应的 声阻抗参数为 2772700kg·m-2/s，超声比在其中的传输速度为 2330m/s。板材和熔核的材料为Q235. 密度为7870.0kg/m3.对 应的声阻抗参数为47220000kg·m-2/s，超声波在其中的传输速 度为 6000m/s。随人在焊接过程产生的热、电和力的作用会对焊件材料的相关参数形成一定的影响，但是考虑到这种变 化对于母材声阻抗和声速的影响较小，因此本文并未考虑该 部分影响。
本文设置的焊接缺陷主要包括气孔和裂缝两种，各 5 个。因此， 采用接焊缝裂纹检测技术对其具体的情况进行检 测，并与实际情况数据进行比较， 分析检测结果的可靠性。
4.2 检测效果
在上述基础上，采用本文设计的接焊缝裂纹检测技术 来获取焊接缺陷数据信息，并将其所获结果与实际信息进 行比较， 验证本文设计技术的有效性。
本文设计的接焊缝裂纹检测技术测得的 10 个焊接 缺陷深度描述如下，气孔 1 缺陷，实际深度 22.41mm，气 孔 2 缺 陷， 实 际 深 度 27.91mm， 气 孔 3 缺 陷， 实 际 深 度 40.10mm， 气孔 4 缺陷， 实际深度 29.59mm， 气孔 5 缺陷， 实际深度 33.15mm ;裂缝 1 缺陷， 实际深度 40.32mm， 裂 缝 2 缺 陷， 实 际 深 度 35.23mm， 裂 缝 3 缺 陷， 实 际 深 度 30.34mm， 裂缝 4 缺陷， 实际深度 36.44mm， 裂缝 5 缺陷， 实 际深度 29.13mm。
通过对上述所得的结果数据进行分析可以看出，本 文设计检测方法可以实现对铜表面钨涂层焊接部位缺陷 的有效检测，与实际焊接缺陷信息相比，其结果相差较 小，甚至测得结果与实际值一致。其中，对于气孔缺陷检 测结果的相对误差的稳定在 0.06mm 以内，最大误差值为 0.05mm。对于裂缝缺陷检测结果的相对误差稳定在 0.05 以 内，最大误差为 0.04mm。测试结果表明，本文设计的以铜 表面钨涂层焊接为核心的接焊缝裂纹检测技术，可精准的 检测出激光焊接缺陷，且测得缺陷结果具有较高的精度， 与实际结果间的误差较小，具有一定的实际应用价值，在 焊接缺陷识别中具有良好的应用价值。
5 结语
为了确保铜表面钨涂层的焊接质量能够满足实际使用 要求， 实施有效的检测措施是十分必要的。由于焊接裂纹、 气孔等质量缺陷多存在于焊接结构内部，采用直观观察的 方式难以实现对其的有效检出。本文提出铜表面钨涂层焊 接中的接焊缝裂纹检测技术研究，结合超声检测技术的原 理，实现了对铜表面钨涂层焊接中存在缺陷的有效检测。 希望通过本文的研究内容，能够为接焊缝裂纹检测技术实 际的铜表面钨涂层焊接项目当中应用提供借鉴价值。
(作者单位 ：北京真空电子技术研究所)
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