撰稿|丁雷
近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、现代工程与应用科学学院的陈延峰教授、卢明辉教授、颜学俊副教授团队与南京大学近代声学教育部重点实验室徐晓东副教授合作，提出了一种基于激光超声无损检测技术来评估激光点焊中微焊点质量的方法。相关工作以“Quality inspection of micro solder joints in laser spot welding by laser ultrasonic method”为题发表于期刊Ultrasonics。南京大学现代工程与应用科学学院20级博士生丁雷为论文的第一作者，颜学俊副教授和徐晓东副教授为论文的共同通讯作者。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。其中，激光点焊通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其焊接速度快，能量密度高，热影响区域小等优点，非常适合应用于微、小型零件的精密焊接中。在航空航天，汽车自动化，核能，电子消费品行业有着广泛的应用。以智能手机为例，据不完全统计，在一个5.8寸的手机内部，需要焊接的地方多于100个。若出现虚焊漏焊等情况，将直接影响器件甚至整个设备的质量和使用寿命，因此，必须保证每个焊点质量合格。目前激光焊接质量检测方法分为破坏性测试和无损检测，破坏性测试有拉力试验和金相检测等，无损检测有高频超声检测、红外光谱检测和激光超声检测技术等。拉力实验和金相分析需要破坏样品，红外光谱检测技术则是通过对焊接过程中产生的等离子体、温度和波长的探测接受来判定激光焊接质量，在大尺寸的激光焊接中应用广泛，但是在激光精密焊接中，其误判率比较高。与传统的超声检测方法相比，激光超声检测技术无需耦合剂，具有完全非接触式检测能力，激光不会影响超声波场，分辨率高，能在高温高压有毒等恶劣环境中作业等特点。
本文提出了一种基于激光超声无损检测技术来评估激光点焊焊点质量的方法。利用Lamb波，从有限元仿真到实验进行论证，最后通过工业CT进一步证实该方法的有效性和可靠性。
首先，我们的检测的对象为武汉华工激光提供的304不锈钢样品，该样品由点焊将两片200微米厚的薄片焊接而成，焊点大小和质量分别为1.2 mm/0.4 mm的标准焊接，1.2 mm/0.4 mm的虚焊（图3b~3e）。基于热弹模型，施加的纳秒脉冲在时间和空间上的分布属性如图1a所示。有限元仿真的结果表明对于标准焊接结构件存在5种不同色散模态的Lamb波，分别为A0模态，S0模态，A1模态，S1模态以及S2模态（图1b）。
图1. 有限元仿真，(a) 纳秒脉冲激光的时间和空间分布云图；(b) 不同色散模态的Lamb波，插图曲线为起始位置和结束位置对应的Lamb波时域波形。
其次，我们搭建了具体的实验系统（图2），实验过程中我们分别将激励光和探测光置于同侧和异侧进行扫描。通过扫描振镜系统，可实现快速定位扫查。
图2. (a) 实验系统示意图；(b)~(e) 待测结构件，分别为1.2 mm的标准/虚焊接， 0.4 mm的标准/虚焊接；(f) 结构件横截面示意图；(g) 一维扫描示意图；(h) 二维扫描示意图。
通过色散曲线可以看出（图3），对于1.2 mm和0.4 mm的标准焊，同时存在A0模态和S0模态，而对于1.2 mm和0.4 mm的虚焊，S0模态丢失，且A0模态的强度也大大降低，这归咎于在虚焊时，在焊接熔池处存在连接不牢，气孔等缺陷，从而影响高阶模态的Lamb的传播。这在后面的工业CT结果中得到了证实。虚线为模拟结果，可以看出实验与模拟结果相吻合。
图3. (a), (b)为 1.2/0.4 mm标准焊；(c), (d)为 1.2/0.4 mm 虚焊, 插图曲线为起始位置和结束位置探测到的Lamb波时域波形，虚线为A0和S0模态的理论模拟色散曲线。
进一步的，我们绘制了不同焊接质量的速度-频率曲线（图4），同样可以看到，对于虚焊结构件，其存在截止频率，这也直接证明了虚焊和标准焊接之间存在的差异。
图4. 不同焊点质量速度-频率曲线
接着，我们基于声学互易性原理对超声波进行可视化成像（图5）。可以清晰的看到超声波在结构件中传播的情形。对于虚焊构件，其呈现出来的轮廓小于标准焊。此外，标准焊的透射能量要大于虚焊，这也和前面的实验结果完全吻合。
图5. 实验测得可视化声波云图，(a)~(d), 同侧实验结果；(a), (b) 1.2 mm标准焊，分别于5.84 μs, 6.67 μs时刻声场; (c), (d) 0.4 mm标准焊/虚焊，分别于 6.81 μs 时刻声场图；(e)~(h), 异侧实验结果；(e), (f) 1.2 mm标准焊/虚焊，分别于7.65 μs时刻波谱图；(g), (h) 1.2 mm标准焊/虚焊，分别于7.65 μs时刻能量谱图。
最后，我们用工业CT对其焊点区域内部进行检测（图6），在虚焊焊点的周围，存在很多气孔夹杂等缺陷，而对于标准焊接，焊点熔池区域与周围密实连接。这证实了我们提出的激光超声方法用于点焊质量检测的有效性和可靠性。
图6. 工业CT检测的结果，(a), (b) 1.2 mm标准焊结构件，(c), (d) 1.2 mm虚焊结构件。
本文提出了一种基于激光超声无损检测技术来评估激光点焊焊点质量的方法。理论计算结果表明对于标准焊接结构件，Lamb波同时存在A0和S0模态。实验结果也证实了A0和S0模态的存在，而对于虚焊结构件，S0模态消失的同时，A0模态的强度也减弱，这归咎于虚焊带来的连接不牢，气孔杂质等缺陷，从而使得部分声波能量传播到此处时以热量的形式被耗散掉。我们对超声可视化方法进一步阐明标准焊接和虚焊接之间存在的差异。工业CT的检测结果验证了该方法的效性和可靠性。本文提出的方法为工业激光焊接质量的在线监测提供一种潜在的可行性途径。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等相关项目的支持。现代工学院18级博士生鲁强兵对该工作亦有重要贡献。
https://doi.org/10.1016/j.ultras.2021.106567
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