楊澤明1，邱 巧， 邊 毅1，彭 瑾1，伍劍波

(1.中航成飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，成都 610091；2.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院, 成都 610065)

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW) 是1991年英國(guó)焊接研究提出的一種固態(tài)連接方法，具有焊接操作簡(jiǎn)單，焊件力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在低熔點(diǎn)材料特別是鋁合金結(jié)構(gòu)的高質(zhì)高效連接方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而在航空航天、軌道列車、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。然而，鋁合金較活潑，表面易氧化，線膨脹系數(shù)大，不合理的工藝參數(shù)仍會(huì)導(dǎo)致各類缺陷的產(chǎn)生，因此如何有效地檢測(cè)并區(qū)分這些缺陷，對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊的工業(yè)應(yīng)用有重要的作用[4-5]。鋁合金薄板攪拌摩擦焊縫缺陷形式多樣，如何有效快速地對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化成像是目前鋁合金薄板攪拌摩擦焊縫檢測(cè)的研究難點(diǎn)。

目前，焊縫非破壞性檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)方法等[6-7]。超聲波檢測(cè)方法利用超聲波對(duì)工件進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)觀察超聲波在工件中的波形、回波、聲速、衰減和共振等參數(shù)的變化來(lái)判斷工件內(nèi)部是否存在缺陷。然而，超聲檢測(cè)需要使用耦合劑，對(duì)表面缺陷和過(guò)渡性缺陷不敏感，缺陷方向也會(huì)影響檢測(cè)靈敏度。而傳統(tǒng)數(shù)字射線檢測(cè)方法的操作安全性和檢測(cè)效率均存在不足，尤其是數(shù)字射線檢測(cè)對(duì)裂紋和側(cè)壁未融合缺陷的檢出率低。在實(shí)際操作過(guò)程中，經(jīng)過(guò)數(shù)字射線和超聲波方法進(jìn)行焊縫檢測(cè)的航空零部件也經(jīng)常出現(xiàn)漏檢的情況。因此，尋找并開(kāi)展新的焊縫缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法研究，并進(jìn)行人工智能識(shí)別與量化，是目前保證航空焊接零部件品質(zhì)的重要任務(wù)。

渦流熱成像檢測(cè)是一種電、磁、熱多物理場(chǎng)的檢測(cè)方法，近年來(lái)逐漸應(yīng)用于金屬構(gòu)件的缺陷檢測(cè)中。與電磁檢測(cè)方法相比，渦流熱成像方法集成了電、磁、熱等多種物理場(chǎng)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)從不同信息來(lái)源獲得更多的缺陷信息，如缺陷區(qū)域的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、傳熱系數(shù)等[8-12]。另外渦流熱成像可直接實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化成像，可提高檢測(cè)效率與精度。筆者主要針對(duì)鋁合金薄板的不同走向焊縫缺陷，開(kāi)展渦流熱成像檢測(cè)方法試驗(yàn)研究，建立鋁合金薄板不同角度缺陷處的最大溫差變化規(guī)律曲線。通過(guò)提取檢測(cè)信號(hào)幅值和能量特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同角度焊縫缺陷的識(shí)別，并得到缺陷的角度、電流大小以及激勵(lì)時(shí)間對(duì)檢測(cè)效果的影響。

圖1 渦流熱成像檢測(cè)原理示意

1 渦流熱成像檢測(cè)原理

渦流熱成像檢測(cè)原理示意如圖1所示，將通有高頻電流的激勵(lì)線圈靠近試件，線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在試件中感應(yīng)出渦流;如果存在缺陷，電渦流分布將發(fā)生變化，并因焦耳熱效應(yīng)在試件表面形成畸變溫度場(chǎng)。根據(jù)焦耳定律，傳導(dǎo)路徑畸變的動(dòng)生渦流會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱量分布，進(jìn)而在鋁合金表面形成溫度差異分布，利用紅外相機(jī)記錄鋁合金表面溫度分布差異即可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的非接觸快速檢測(cè)。

1.1 渦流激勵(lì)下試件表面的生熱機(jī)理

根據(jù)Maxwell方程組，可推導(dǎo)出渦流場(chǎng)的控制方程,如式(1)所示。

(1)

式中：μ為被測(cè)材料的磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率；A為矢量磁勢(shì)；Js為外部電流密度。

渦流在試件表面聚集，其密度隨著深度按指數(shù)規(guī)律衰減，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。渦流透入的深度稱為趨膚深度，趨膚深度δ與激勵(lì)電流頻率f和材料屬性有關(guān)，可用式(2)表示。

(2)

由焦耳定律可知，試件中產(chǎn)生的渦流會(huì)在材料內(nèi)部由電能轉(zhuǎn)化為熱量,產(chǎn)生的熱量可用式(3)表示

(3)

式中：Q1為產(chǎn)生的熱量；E為電場(chǎng)密度。

1.2 缺陷處熱流的傳導(dǎo)機(jī)理

鋁合金薄板的相對(duì)磁導(dǎo)率較小，電導(dǎo)率較大，其集膚深度很小，當(dāng)激勵(lì)頻率為249 kHz時(shí)，約為0.16 mm(與鋁合金板塊厚度7.18 mm相差很大)，因此鋁合金材料的熱激勵(lì)可以視為從工件表面進(jìn)行加熱。當(dāng)缺陷體積深度比大于2時(shí)，橫向熱傳遞導(dǎo)致的“模糊效應(yīng)”對(duì)縱向熱傳遞的影響較小，可以忽略不計(jì)，從而其熱傳導(dǎo)微分方程可簡(jiǎn)化為一維模型，如式(4)所示。

(4)

式中：T為溫度；x為橫坐標(biāo)；t為時(shí)間；α為熱擴(kuò)散率。

PARKER等[13]通過(guò)簡(jiǎn)化CARSLAW和JAEGER[14]提出的一維解析模型,得到反射模式下無(wú)缺陷區(qū)域的溫度變化,如式(5)所示。

(5)

式中：Q為表面施加的熱量；L為試件的厚度；ρ,Cp分別為材料的密度和熱容量。

缺陷區(qū)域的溫度變化可用式(6)表示。

(6)

式中：Lr為缺陷區(qū)域的剩余厚度，小于試件的整體厚度L。

式(5),(6)說(shuō)明缺陷區(qū)域的溫度變化和無(wú)缺陷處的溫度變化與表面施加的熱量成正比，與剩余厚度成反比，即在相同熱量的情況下，缺陷區(qū)域邊沿的溫度會(huì)高于無(wú)缺陷區(qū)域的溫度。因此，缺陷區(qū)域在熱圖像上會(huì)顯示出畸變熱分布。

2 熱成像試驗(yàn)

為了驗(yàn)證渦流熱成像檢測(cè)方法對(duì)鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫缺陷的檢測(cè)效果，建立如圖2所示的渦流熱成像檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)由渦流熱激勵(lì)裝置、紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)分析軟件系統(tǒng)等3部分組成。渦流熱激勵(lì)裝置的激勵(lì)頻率為249 kHz，最大輸入電流為600 A，用循環(huán)水冷卻裝置進(jìn)行冷卻。紅外熱像儀為美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的FLIR A655sc熱像儀，該熱像儀工作波段為7.5～13.5 μm，環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，熱靈敏度小于0.03 ℃，可提供640像素×120像素的圖像，紅外圖像的最大采集頻率為200 Hz。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)為FLIR ResearchchIR Max4軟件，以此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理和后期圖像分析。

圖2 渦流熱成像檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

圖3 鋁合金攪拌摩擦焊試件

試件(見(jiàn)圖3)由兩塊鋁合金薄板通過(guò)攪拌摩擦焊工藝焊接而成，焊縫長(zhǎng)250 mm，寬20 mm；焊接成長(zhǎng)300 mm，寬170 mm，厚7.18 mm的鋁合金薄板。在焊縫表面人工加工7條不同角度的裂紋(見(jiàn)圖4)，裂紋的尺寸如表1所示(在一條焊縫上，每條焊縫缺陷之間相距36 mm)，圓圈位置即為被檢裂紋所處位置。為了消除工件表面發(fā)射率的影響，在工件表面均勻噴涂了黑色油漆。

圖4 不同走向焊接缺陷的標(biāo)記圖

焊縫缺陷長(zhǎng)/mm寬/mm深/mm角度/(°)C15.00.52.00C25.00.52.015C35.00.52.030C45.00.52.045C55.00.52.060C65.00.52.075C75.00.52.090

試驗(yàn)過(guò)程中，將矩形感應(yīng)線圈的長(zhǎng)邊置于試件正上方，使線圈一直與鋁合金薄板的短邊(即寬20 mm 的邊)平行，不同角度的焊縫缺陷與線圈的相對(duì)位置如圖5所示(θ由線圈和焊縫缺陷的法向夾角決定)，加熱線圈與試件表面的提離值為1.6 mm。為了避免線圈遮擋缺陷，熱像儀與鋁合金薄板的法線方向成25°～30°，設(shè)置采集時(shí)間為2 s。

圖6展示了角度分別為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°的焊縫缺陷在電流為400 A、加熱時(shí)間為200 ms激勵(lì)下的瞬態(tài)熱響應(yīng)。由圖6可以看出，在相同的電流強(qiáng)度與加熱時(shí)間下，紅外渦流熱成像能有效檢測(cè)鋁合金薄板焊縫的表面缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的直接可視化成像檢測(cè)。另外，不同走向缺陷產(chǎn)生了不同的熱響應(yīng)，且隨著角度的增加，檢測(cè)效果越明顯。

為了對(duì)近表面微裂紋檢測(cè)效果進(jìn)行量化分析，設(shè)置最大溫差變化曲線為分析特征值，不同走向缺陷的提取區(qū)域設(shè)置如圖7所示。

當(dāng)激勵(lì)時(shí)間為200 ms時(shí)，提取所有缺陷分別在300，400，500，600 A電流下的溫度變化規(guī)律，如圖8所示。由圖8可以看出:隨著缺陷角度的增加，最大溫差也逐漸增大，在0°～15°間溫差緩慢增加，15°～45°間溫差增加劇烈，45°～90°間溫差趨于穩(wěn)定；同時(shí)，4條折線相互交叉，證明電流大小對(duì)于缺陷最大溫差的影響不明顯。

圖5 不同角度的焊縫缺陷與線圈的位置關(guān)系

圖6 不同角度焊縫缺陷在電流400 A、加熱時(shí)間200 ms下的瞬態(tài)熱響應(yīng)

設(shè)置激勵(lì)電流為400 A，提取0°和45°缺陷分別在200，300，400，500，600 ms激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)下的溫度變化規(guī)律，如圖9所示。由圖9可以看出:在0°缺陷時(shí)，最大溫差穩(wěn)定在0.4 ℃；在45°缺陷時(shí)，最大溫差在0.7 ℃下趨于穩(wěn)定。因此，加熱時(shí)間對(duì)不同走向缺陷的影響不同。

圖7 不同角度焊縫缺陷的溫度提取區(qū)域

圖8 缺陷最大溫差隨電流大小的變化規(guī)律

圖9 缺陷最大溫差隨激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律

3 結(jié)論

(1) 渦流熱成像檢測(cè)方法可有效檢測(cè)出鋁合金薄板中的不同走向焊縫缺陷，被檢試件表面溫度場(chǎng)在裂紋處分層明顯，可清晰觀察。

(2) 在激勵(lì)時(shí)間相同的情況下，隨著缺陷角度(線圈和焊縫缺陷的法向夾角)的增加，最大溫差也逐漸增大，在0°～15°間溫差緩慢增加，15°～45°間溫差增加劇烈，45°～90°間溫差趨于穩(wěn)定；同時(shí)電流大小對(duì)于缺陷最大溫差的影響不明顯。因此，角度在45°以上的缺陷更易檢測(cè)出來(lái)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可針對(duì)典型缺陷的走向設(shè)置相應(yīng)的激勵(lì)線圈方向。

(3) 在電流一定的條件下，激勵(lì)時(shí)間對(duì)缺陷最大溫差影響不大，趨于穩(wěn)定，并且加熱時(shí)間對(duì)不同走向缺陷影響不同。