王 靖，李新叶，吴双龙，刘昊林，裘 揆，陈乐生

（1.上海和伍精密仪器股份有限公司，上海 201109；
2.德力西电气有限公司，浙江温州 325604）

超声无损检测作为无损检测的重要部分，广泛地应用于现代工业产品的质量检测中。超声波C扫描技术将超声检测与计算机结合在一起构成超声C扫描系统[1]。例如在低压电器焊接领域，该系统可以直观地显示电触头工件中缺陷在投影面上的形状及分布，还可以通过焊接钎着率百分比、钎着面积等统计方法结合物理特性快速而便捷地衡量焊接质量[2]。除超声C扫描方法外，低压电器行业内通常还采用剪切/拉伸、金相、腐蚀等检测手段评价电触头焊接质量。化学腐蚀方法首先将电触头的焊接面腐蚀掉，然后通过目视或显微镜直接观测电触头焊接缺陷。

本文介绍了超声检测方法和化学腐蚀方法的原理，对两者检测结果的对应关系做理论分析，然后通过对比试验验证理论分析的准确性。

1.1 超声检测设备

超声C扫描系统由计算机、超声波探头、数据采集卡、脉冲发生器、水槽、运动机构及其他配件组成。通过计算机控制超声波探头的移动，在工件的上方横纵交替扫查。将工件内部反射回波依据强度的不同，用不同的颜色或灰度表示，绘制出工件内部焊接横截面图像[3]。本研究使用上海和伍精密仪器股份有限公司生产的S300超声C扫描检测系统。

1.2 超声检测方法

在实际操作中，为了保证不同设备、不同人员多次检测的一致性，超声检测通常采用4个步骤。

（1）仪器标定：使用不锈钢标定块对设备一键校准。

（2）检测未焊接银触点或铜触桥，确定量程RA。

（3）未焊接的银触点或铜触桥的超声波反射等效于焊接后完全是空洞的严重焊接缺陷的超声波反射。因此可以直接测量未焊接的银触点或铜触桥，以其超声波反射强度为准，确定超声扫描量程RA。

（4）检测标定工件，优化对焦：使用与被测工件的银触点、铜触桥同等材质的但是存在严重焊接缺陷的工件作为标定工件，将超声探头对准缺陷面积最大的位置，优化对焦高度FH。

（5）检测待测工件。

（6）以第（2）步确定的量程RA和第（3）步确定的最佳对焦高度FH为准，对实际待测工件做超声C扫描。

1.3 超声探头的缺陷分辨能力

在超声检测中，超声探头将超声波会聚成一束细小的声束。在会聚最小的位置，声束会聚成一个圆点，即为聚焦点，也称为声斑，超声探头聚焦原理如图1所示。

图1 超声探头聚焦原理

声斑的直径即超声探头识别全反射平底孔的能力，代表了超声检测的分辨能力。声斑直径计算公式为：

式中，Φ为声斑直径，λ为超声波长，F为探头焦距，D为晶片直径，Cwater为水中声速（1480 m/s），f为探头中心频率。

1.4 超声C扫描图像上的体现

当实际被测缺陷的平底孔等效缺陷尺寸≥声斑直径时，反射强度最大，检测到的电压幅值最高，在超声C扫描图像上体现为红色与白色。

当实际被测缺陷的平底孔等效缺陷尺寸＜声斑直径时，反射强度降低，检测到的电压幅值随之降低，在超声C扫描图像上体现为黄色与绿色。随着缺陷尺寸不断缩小，反射强度和电压幅值不断降低，在超声C扫描图像上的颜色越来越暗，逐步降低至青色与蓝色，详见图2。

图2 平底孔等效缺陷尺寸与声斑直径的关系

因此，声斑直径越小，对缺陷的分辨能力越高，超声扫描图像精细程度越高。

2.1 化学腐蚀基本原理

使用FeCl3溶液作为腐蚀液，腐蚀原理为：氧化性高的Fe3+与Cu反应，生成Fe2+和Cu2+。由于Fe3+与Ag不发生反应，从而达到腐蚀铜桥，露出银触点焊接面的效果。化学方程式如下：

2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+

2.2 化学腐蚀与焊料的关系

焊接使用的焊料，按组成成分可分为多种类型。对于电触头类工件，为了达到良好的焊接效果，通常使用带有银和铜成分的焊料，此类焊料可以按银含量分为高银焊料和低银焊料。同时会在焊料中加入铜、锌、锡、磷等元素，而这些元素都会在腐蚀试验中与腐蚀液发生反应。因此，焊料含银比例不同，腐蚀液对焊料也会有不同的腐蚀效果。

此外，腐蚀液的浓度、腐蚀时间长度，都会对腐蚀结果产生影响。浓度越高，腐蚀越快；
时间越长，铜材料的腐蚀越彻底。

在对电触头进行化学腐蚀试验时，结果的准确性会受到焊料银含量及腐蚀时间的影响：对于低银焊料焊接的工件，随着腐蚀时间的延长，焊料也会被腐蚀，故最终呈现的腐蚀面上缺陷可能扩大，与超声检测结果一致性降低；
对于使用高银焊料的工件，腐蚀到接近稳定程度时，腐蚀面缺陷形态与超声C扫描结果接近。

3.1 试验对象

银触点为厚度1.5 mm，AgCdO材料。底座厚度为1.5 mm，Cu材料。使用不同含银量焊膏，焊接银触点和底座，模拟电触头焊接组件。共5组试样，如图3所示。

图3 试样

试样尺寸、焊接方式、焊料银含量如表1。

表1 试样参数

3.2 超声探头选择

分别使用频率为15 MHz、50 MHz两款超声探头检测焊接电触头，参数如表2所示。从表2中可见，50 MHz探头的声斑直径只有15 MHz探头声斑直径的1/3，所以具有更高的缺陷分辨能力。

表2 不同探头的参数对比

3.3 超声检测结果

3.3.1 未焊铜底座

由于银触点厚度达到2 mm，超声检测存在明显的边缘效应，该效应会引起检测图像干扰，故选择从铜面检测。未焊铜底座的超声C扫描结果如图4。从图像上看，铜底座超声扫描图像的大部分区域为均匀的红色，说明材料一致性良好，每个位置点反射超声波均匀一致。靠近边缘区域由于受到边缘效应的影响，反射强度逐渐减弱，颜色从红色转为黄色和浅蓝色。在黑色圈内的反射强度平均值为RA=126 STSS。

图4 未焊铜底座超声C扫描图像

3.3.2 焊接电触头

低频探头与高频探头超声扫描结果对比如表3所示。在超声C扫描图像中，红色和白色表示缺陷严重区域，蓝色表示完全焊接区域，黄色、绿色表示介于上述两种情况之间的缺陷。

表3 试样超声C扫描图像

对图像做二值化处理变成黑白图片，白色区域代表焊接缺陷与空洞，黑色区域代表焊接良好。

从图像上看试样内部存在一定焊接缺陷，两种探头的超声扫描结果基本一致。低频探头（15 MHz）扫描图像中缺陷轮廓模糊，只能体现出较大的缺陷，无法准确反映直径较小的缺陷的实际情况。高频探头（50 MHz）扫描图像相对清晰，可以从中看出较小的缺陷细节。

3.4 化学腐蚀结果及对比

使用浓度为1.6 mol/L的FeCl3溶液作为腐蚀试剂，对样品进行腐蚀，观察触头腐蚀情况。

为提高试验效率，腐蚀前将铜底座打磨，使其厚度减小，因此腐蚀15 min时初步看到焊接面。在腐蚀100 min之后，焊接面达到稳定状态不再变化，停止试验。

将焊接面形貌与超声C扫描图像进行对比，如表4所示。

表4 样品超声扫描图与腐蚀照片对比

3.4.1 低银焊料结果分析

在化学腐蚀中，低银焊料（例如15%Ag、30%Ag）银含量较低，易与Fe3+发生反应的其他金属成分较多，因此反应速率较快。在腐蚀35 min～65 min时看到清晰的腐蚀面，与超声扫描图像一致性较高。

在此之后，焊接面受到腐蚀液损伤，焊料逐渐被腐蚀，焊接面空洞严重扩大，直至全部腐蚀掉。15%Ag在腐蚀完毕之后接近光滑表面，只能看到工艺压痕，几乎看不出焊料痕迹，详见表5。

表5 15%Ag焊料对比图

3.4.2 高银焊料结果分析

使用高银焊料（56%Ag、65%Ag）的触头，在腐蚀65 min～100 min时看到清晰的腐蚀面，此时与超声扫描检测结果一致性较高。

在此之后，随着时间的延长，焊料继续被腐蚀到一定程度后趋于稳定。缺陷不再扩大，仍能保留很多焊接缺陷细节形貌，详见表6。

表6 65%Ag焊料对比图

（1）在化学腐蚀中，低银焊料由于银含量较低，易与Fe3+发生反应的其他金属成分较多，且反应速率较快，导致焊接面受到腐蚀液损伤，造成焊接面上缺陷面积较实际焊接缺陷面积快速扩大；

（2）焊料银含量越高的样品，焊接面抗腐蚀的能力更强，缺陷面积扩大量较小，缺陷尺寸接近原有焊接缺陷形貌，因此与超声扫描检测结果一致性较高；

（3）只能在最佳腐蚀时间看到准确的焊接面情况，腐蚀过程受到焊料成分、溶液浓度、时间长度等影响，腐蚀完毕后拍照或显微镜判读难以分辨缺陷高度，因此容易产生误判；

（4）超声C扫描方式属于无损检测方法，不会对被测工件造成物理或化学变化，测量结果容易量化和判定，因此是一种普遍适用的检测方式。

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