阅读说明：本技术 一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法 (Method for measuring geometrical characteristic dimension of mechanical internal locking area of self-piercing riveting joint ) 是由 王凯伟 曾凯 何晓聪 邢保英 孙晓婷 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法,属于金属构件的无损检测技术领域。利用超声显微镜首先计算超声波在下板材料中的传播速度,其次调整自冲铆接头的检测位置,再依照步骤顺序提取自冲铆接头不同界面的超声回波信号,并获取自冲铆接头机械内锁区、铆接凸台顶面、钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图,最后利用图像阈值分割方法得到钉脚尖张开处的内径面的二值化图,进而计算自冲铆接头的钉脚张开度L,并根据铆接凸台顶面和钉脚尖的内径面的超声回波信号的时间差计算自冲铆接头的残余底厚T。本发明为自冲铆接头的质量评价提供了一种高精度、全面、高效的无损检测方法。(The invention relates to a method for measuring geometrical characteristic dimensions of a mechanical internal locking area of a self-piercing riveting joint, and belongs to the technical field of nondestructive testing of metal components. The method comprises the steps of firstly calculating the propagation speed of ultrasonic waves in a lower plate material by using an ultrasonic microscope, secondly adjusting the detection position of a self-piercing rivet joint, then extracting ultrasonic echo signals of different interfaces of the self-piercing rivet joint according to the sequence of steps, obtaining an ultrasonic C scan of an inner diameter surface of a mechanical inner lock area, the top surface of a riveting boss and the opening part of a nail toe, finally obtaining a binary image of the inner diameter surface of the opening part of the nail toe by using an image threshold segmentation method, further calculating the opening degree L of the nail toe of the self-piercing rivet joint, and calculating the residual bottom thickness T of the self-piercing rivet joint according to the time difference of the ultrasonic echo signals of the top surface of the riveting boss and the inner diameter surface of the nail toe. The invention provides a high-precision, comprehensive and efficient nondestructive testing method for the quality evaluation of the self-piercing riveting joint.)

一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法

技术领域

本发明涉及一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法，属于金属构件的无损检测技术领域。

背景技术

自冲铆(Self-Piercing Riveting，SPR)是一种薄板材料新型冷压嵌铆连接技术，构件成型过程中通过冲头将一个半中空铆钉压入被连接板材，铆钉腿端部在嵌入板件过程中向四周张开，形成铆扣机械内锁结构。自冲铆连接技术具有工序简单、连接强度高、可实现异种材料连接等特点，近年来在航空、汽车结构制造领域得到重视，尤其在汽车轻量化设计制造方面，自冲铆被誉为下一代新型连接技术。自冲铆接头机械内锁结构是指接头成型过程中发生形变的铆钉与铆钉相邻的板材形成的区域，此区域的结构几何特征尺寸，如“钉脚张开度”、“残余底厚”等，是影响自冲铆接头失效载荷、失效位移、能量吸收值、疲劳强度、刚度及密封防蚀性能的重要参数，也是其质量评价中重要指标。

目前测量自冲铆接头钉脚张开度及残余底厚最为普遍的方法是：通过剖切自冲铆接头子午面，直观地对钉脚张开度及残余底厚进行测量，但对自冲铆接头进行了破坏，且测量精确度低、只能测量机械内锁区的一个截面的钉脚张开度及残余底厚、步骤繁琐、效率低下。在已有的研究中，Han L等人利用窄带超声对自冲铆接头连接质量进行检测，通过监测传感器的阻抗变化来评估铆接质量，但是研究结果无法判断自冲铆接头的内部变形特征，只能辨别自冲铆接头是否有缺陷，且检测较薄接头的效果极差，检测过程极其依赖操作技能，检测误差较大。因此，探索一种高精度、全面、高效的自冲铆钉脚张开度及残余底厚无损测量方法是自冲铆连接技术质量评价急需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的检测主要是通过有损的剖切法，测量子午面中的钉脚张开度及残余底厚等参数，已有的检测方法存在测量精确度低、信息不全、步骤繁琐、效率低等问题，从而提出了利用超声波信号及超声C扫图实现自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法。

本发明的技术方案是：一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法，具体步骤为：

Step1：计算超声波在自冲铆接头下板材料中的传播速度v；

Step2：调整自冲铆接头的检测位置；

Step3：利用超声显微镜提取自冲铆接头机械内锁区的超声回波信号，对内锁区进行定位并获取超声C扫图；

Step4：在机械内锁区内提取铆接凸台顶面的超声回波信号，对铆接凸台顶面进行定位并获取超声C扫图，所述铆接凸台顶面为自冲铆接头机械内锁区中下板的凸出的顶面；

Step5：在铆接凸台顶面内提取钉脚尖张开处的内径面的超声回波信号，对钉脚尖张开处的内径面进行定位并获取超声C扫图，所述钉脚尖张开处的内径面为钉脚尖伸入下板材料中铆钉管腿的内径面处；

Step6：利用图像阈值分割方法得到钉脚尖张开处的内径面的二值化图，进而计算自冲铆接头的钉脚张开度L；

Step7：根据铆接凸台顶面和钉脚尖的内径面的超声回波信号的时间差计算自冲铆接头的残余底厚T；

所述Step1具体为：使用千分尺测量自冲铆接头的下板的厚度n，将下板水平放置，移动超声探头至下板的正上方，分别记录下板的上表面与下表面的超声回波信号的时间t₁和t₂，超声波在下板中的传播速度v的计算公式为：v＝2n/(t₂-t₁)。

所述Step2具体为：将铆接好的自冲铆接头倒置，即：自冲铆接头的下板朝上、上板朝下，超声探头的底面与自冲铆接头的下板的下表面相对，并保证自冲铆接头机械内锁区水平。

所述Step3具体为：将超声探头水平移动至自冲铆接头的下板的下表面的正上方，在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于下板的下表面，获取包含自冲铆接头机械内锁区的超声C扫图。

所述Step4具体为：将超声探头水平移动至铆接凸台顶面的正上方，在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于铆接凸台顶面，获取铆接凸台顶面的超声C扫图。

所述Step5具体为：将超声探头在铆接凸台顶面的上方逐点水平移动，标记钉脚尖张开处的内径面的超声回波信号所形成的环状区域，在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于钉脚尖张开处的内径面，获取钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图。

所述Step6具体为：将Step5中所得到的钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图进行图像的阈值分割，得到钉脚尖张开处的内径面的二值化图，确定所述钉脚尖张开处的内径面的二值化图中的外圆形心，测量钉脚尖到外圆形心的距离R，钉脚张开度L的计算公式为：

其中为铆钉管腿的外径。

所述Step7具体为：根据Step5所得到的钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图，记录铆接凸台顶面的超声回波信号的时间t₃及钉脚尖的内径面的超声回波信号的时间t₄，通过计算所述超声回波信号的时间t₄与t₃的时间差来计算残余底厚T，所述残余底厚T的计算公式为：T＝(t₄-t₃)v/2，其中v代表所述步骤一中计算得到的超声波在下板材料中的速度v。

本发明的有益效果是：

1、本发明专利所述方法无需对自冲铆接头进行剖切，可直接对自冲铆接头内部的钉脚张开度及残余底厚等几何特征尺寸进行无损测量；

2、与目前自冲铆接头子午面剖切后测量的方法相比，本发明方法测量精确度更高；

3、与目前自冲铆接头子午面剖切后测量的方法相比，本发明可对自冲铆接头机械内锁区的各个截面进行测量，从而全面地获取钉脚张开度及残余底厚，而子午面剖切法只能测量自冲铆接头机械内锁区中一个截面的钉脚张开度及残余底厚；

4、与目前自冲铆接头子午面剖切后测量的方法相比，本发明具有操作简单、效率高、安全可靠、易于实现自动化等优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的超声扫描示意图；

图3是本发明超声C扫的界面及超声C扫结果示意图；

图4是本发明自冲铆接头子午面剖切示意图；

图5是本发明钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图经图像处理后的示意图；

图6是本发明铆接凸台顶面及钉脚尖张开处的内径面的超声回波信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸的测量方法，利用超声显微镜首先计算超声波在下板材料中的传播速度，其次调整自冲铆接头的检测位置，再依照步骤顺序提取自冲铆接头不同界面的超声回波信号，并获取自冲铆接头机械内锁区、铆接凸台顶面、钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图，最后利用图像阈值分割方法得到钉脚尖张开处的内径面的二值化图，进而计算自冲铆接头的钉脚张开度L，并根据铆接凸台顶面和钉脚尖的内径面的超声回波信号的时间差计算自冲铆接头的残余底厚T，具体包括以下步骤：

Step1：超声波在自冲铆接头下板材料中传播速度v的计算；使用千分尺测量自冲铆接头的下板的厚度为n＝2.000mm；将下板水平放置，移动超声探头至下板的正上方，分别记录下板的上表面与下表面的超声回波信号的时间t₁＝19.671us和t₂＝20.304us；超声波在下板中的传播速度v的计算公式为：v＝2×2/(19.671-20.304)＝6.319mm/us；

Step2：自冲铆接头检测位置的调整；如图2所示，将铆接好的自冲铆接头倒置，即：自冲铆接头的下板朝上、上板朝下，超声探头的底面与自冲铆接头的下板的下表面相对，并保证自冲铆接头机械内锁区水平；

Step3：自冲铆接头机械内锁区的定位及超声C扫图的获取；如图3(a)所示，在所述步骤二的基础之上，水平移动超声探头至自冲铆接头的下板的下表面的正上方，在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于下板的下表面，获取包含自冲铆接头机械内锁区的超声C扫图；

Step4：铆接凸台顶面的定位及超声C扫图的获取；如图3(b)所示，所述的铆接凸台顶面为自冲铆接头机械内锁区中下板的凸出的顶面；在所述步骤三的基础之上，水平移动超声探头至铆接凸台顶面的正上方，在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于铆接凸台顶面，获取铆接凸台顶面的超声C扫图；

Step5：钉脚尖张开处的内径面的超声C扫的获取；如图3(c)所示，所述的钉脚尖张开处的内径面为钉脚尖伸入下板材料中铆钉管腿的内径面处；在所述步骤四的基础之上，将超声探头在铆接凸台顶面的上方逐点水平移动，标记钉脚尖张开处的内径面的超声回波信号所形成的环状区域；在竖直方向上调整超声探头的位置，使超声波聚焦于钉脚尖张开处的内径面，获取钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图；

Step6：钉脚张开度L的计算；如图4和图5所示，将所述步骤五所得到的钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图进行图像的阈值分割，得到钉脚尖张开处的内径面的二值化图，确定所述钉脚尖张开处的内径面的二值化图中的外圆形心，测量钉脚尖到外圆形心的距离R＝3.915；钉脚张开度L的计算公式为：L＝3.915-5.500/2＝1.165mm，其中

Step7：残余底厚T的计算；如图6所示，根据步骤五所得到的钉脚尖张开处的内径面的超声C扫图，记录铆接凸台顶面的超声回波信号的时间t₃及钉脚尖的内径面的超声回波信号的时间t₄；通过计算所述超声回波信号的时间t₄＝19.573us与t₃＝19.160us的时间差来计算残余底厚T，所述残余底厚T的计算公式为：T＝(19.573-19.160)×6.319/2＝1.305mm，其中v代表所述步骤一中计算得到的超声波在下板材料中的速度v。

用子午面剖切法测量该自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸作为参照，实施例1以及参照测量结果如下：

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。