陈乐生：超声无损检测技术，提升低压电器焊接可靠性
中国电工技术学会定于2016年9月26~27日在安徽省合肥市举办“2016第五届新能源发电系统技术创新大会”（原“分布式发电与微电网技术大会”），主题为“能源互联网关键技术、储能电站与微电网建设”。
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演讲人系上海和伍精密仪器股份有限公司董事长
（本文根据“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”演讲PPT编辑而成）
上海和伍精密仪器股份有限公司专注于超声无损检测仪器设计、研发、系统集成及技术服务。公司作为超声无损检测技术在全球低压电器焊接质量领域应用的主要推行者之一，为客户提供先进装备定制开发及相关技术服务。
现已形成实验室抽检机型、在线检测机型、大构件全检机型以及基于机器人的全检和筛选设备，已覆盖低压电器行业不同应用领域的需求。
公司为多家行业领军企业提供定制化超声检测方案，目前已为五十多家低压电器行业客户提供一百多种工件的定制化检测方案，检测工件总数已达数千件。目前，公司市场营销网络已覆盖全国大部分地区，并借助和伍智造营（美国）、和伍智造营（德国）的布局，逐步向北美及欧洲等市场拓展。
公司产品已获得全球低压电器行业标杆企业施耐德电气、正泰电器、美泰乐、温州宏丰以及代表性军工企业的认可，并顺利进入施耐德全球供应商采购体系。
技术简要介绍
焊接质量是低压电器可靠性的关键要素，而超声检测的优势可实现：无损检测，节约成本、可实现全检；图像化、数据化，提供相对完整的焊接质量信息。
电触点焊接质量超声无损检测的基本原理：超声波探头产生超声波脉冲，通过耦合介质（水）到达被测工件；由于声阻的不同，在各种物质的交界处产生反射回波和透射波；超声波探头接收反射回波，并转换成电信号；计算机处理电信号，显示波形或图像。
缺陷状态：焊接界面均匀致密，反射强度很弱，电信号的幅值很小；良好状态：焊接界面存在分层、气泡等缺陷，反射强度很强，电信号的幅值很大。
焊接界面的扫描：超声检测设备沿着蛇形轨迹，对焊接界面逐点扫描；将所有反射回波信号合并，得到高分辨率的超声扫描图像。
超声检测技术的准确性研究
1、测量系统分析（MSA）——Hiwave S100
MSA 是ISO/TS16949质量管理体系五大核心工具之一，具有强制性要求，也是6σ质量计划的一项重要内容。
定义：使用数理统计和图表的方法；分析测量系统的分辨率和误差；评估测量系统的能力和误差组分；评估测量系统的质量。
Hiwave S100是低压电器行业首台满足MSA指标要求的超声波检测设备。
1）重复性和再现性
实验方案：从用户产线获取的触点料带；在100pcs触点中随机挑选10pcs；3名评价人按照随机顺序独立完成检测；每个评价人执行3次检测。
结论：%R&R=3.22＜10，达标；ndc=43≥5，达标；测量系统可以接受。
2）偏倚和线性
实验方案：标准工件，参照GB/T 11259-1999《超声波检测用钢对比试块的制作与校验方法》；采用不锈钢制造，模拟焊接缺陷；7pcs，对应钎着率19%~ 91%；基准值，更高精度超声检测仪器的检测结果；测量值，同一评价人连续测量5次。
结论：P值＞0.05，达标；线性和偏移可以接受。
3）稳定性
实验方案：选用#4B标准工件，基准值为 64.01%；每天测3轮，分别在8:30、12:00和17:00，每轮测5次；连续收集数据超过15天。
结论：钎着率，均值曲线满足稳定性规则；钎着率，极差曲线满足稳定性规则；稳定性可以接受。
2、超声无损检测的应用困境
1）参数敏感：参数设置的细微变化；引起检测结果的巨大变化；无法设定恒定的阈值标准。
2）案例：某款工件检测，仅改变增益（增大6dB），钎着率减小~9%。
3）解决方案
（1）分级权限管理：操作工人界面，简单的检测操作；工艺工程师界面，复杂的检测方案配置，全面的图像分析功能；维护工程师界面，全面的设备标定校准。
（2）自动化测量：全自动处理功能，通过“将工件放入水槽-选择测量方案-点击‘开始检测’-待检测结束后取出工件”四步操作完成全部检测。
（3）绝对量值体系
3、超声与拉伸的相关性研究
1）电阻钎焊
焊接条件：CJX2-80/95静触头，黄铜触点+黄铜板；4组工艺，每组10pcs。
结果对比：拉力数据与加权平衡钎着率的相关性 Corr=0.979。
2）超声波焊接
焊接条件：某国产电动汽车电池模组连接片，铜铝材料焊接；根据拉力作用模型定制超声图像算法。
结果对比：拉力数据与常规钎着率的相关性 Corr=0.779；拉力数据与定制算法指数的相关性 Corr=0.958。
4、超声与金相的相关性研究
在超声的引导下，可以准确获取观察位置，准确判断焊接质量，避免盲切带来的误判风险。
超声检测在焊接品质管理中的应用
1、超声检测在焊接品质检测中的应用
1）依据超声检测图像：判断焊料的铺展情况、缺陷产生位置、缺陷产生时间、缺陷消失时间等；指导生产进行工艺控制与优化。
2）依据拉伸和金相图像：拉伸检测可以获得直观的焊接质量检测结果；金相可获得局部焊接质量检测结果；但要获得焊接过程信息比较困难。
2、超声检测在焊接工艺优化中的应用：监控并指导焊接质量、质量预警。
焊接方式选择：感应焊接 or 电阻焊接；焊接工艺调节（主要因素）：焊接电流、焊接时间、焊接压力、焊件与线圈相对位置；焊膏工艺调节（主要因素）：优化成分配比（帮助客户控制成本与产品质量）、调整焊剂活性；焊膏添加量优化：与焊接工艺相结合，优化焊膏添加量，控制企业成本。
3、超声检测在焊接可靠性提升中的应用：基于超声检测平台，结合加速寿命试验，模拟产品在实际应用中的变化情况。
1）试验工件：三种在线监测的工件，a类工件、b类工件、c类工件；
2）试验方法：基于超声检测，高低温循环15周次；
3）通过加速寿命试验后，a类与b类工件的缺陷均发生扩散，使焊接界面恶化，严重降低了产品可靠性；c类工件焊接界面未发生恶化。
结论：体现了超声检测在生产中的价值——超声监控的重要性。
4、超声检测在品质监控中应用：通过焊接工艺优化，进一步的进行产线的焊接监控，保证焊接质量的稳定性，提高产品一致性及可靠性。
和伍超声检测技术的最新进展
1、超声无损高速在线全检机型1
面向在线全检需求定制；速度高至50件/分钟（1.2秒/件），检测条件为扫描区域10mm×10mm、扫描分辨率0.1mm；多种接口形式，振动盘上料、单机、连续产线等。
2、超声无损高速在线全检机型2
面向在线全检需求定制；速度高至50件/分钟（1.2秒/件），检测条件为扫描区域5mm×5mm、扫描分辨率0.05mm；多种接口形式，冲焊一体料带上料，单机、连续产线等。
3、大型工件全检系统
向大型工件全检需求定制；一次检测工件数量多；扫描速度快。