旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下激光焊接裂紋磁光成像規(guī)律研究

杜亮亮，高向東，周曉虎，王春草

(廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

引 言

激光焊接技術(shù)能將激光束集中于非常狹小的區(qū)域，從而產(chǎn)生高能量密度的熱源，已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和航空業(yè)[1]。為保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，需對(duì)激光焊接缺陷進(jìn)行精確有效的檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)焊接缺陷的方法主要有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)等[2-3]。雖然這些方法在保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量方面起到了重要作用，但是它們也存在一定的局限性，例如射線檢測(cè)的光源對(duì)人體有輻射[4]；超聲檢測(cè)需要耦合劑，并且和渦流成像一樣難以對(duì)焊接缺陷直接成像[5-6]；滲透檢測(cè)的顯像劑對(duì)人體有害；磁粉檢測(cè)對(duì)工件表面要求嚴(yán)格，主要用于表面缺陷的檢測(cè)[7]；漏磁檢測(cè)只適用于磁性焊接材料的檢測(cè)，并且檢測(cè)結(jié)果不直觀，無(wú)法可視化顯示[8]。激光焊接過(guò)程中，可見(jiàn)光信號(hào)對(duì)焊接缺陷具有較強(qiáng)的識(shí)別度，可以作為焊接質(zhì)量的檢測(cè)對(duì)象[9]。而基于法拉第磁致旋光效應(yīng)的磁光成像(magneto-optical imaging,MOI)無(wú)損檢測(cè)新方法，根據(jù)磁場(chǎng)激勵(lì)使焊件缺陷處產(chǎn)生漏磁，通過(guò)成像裝置探測(cè)缺陷漏磁處的垂直磁場(chǎng)變化，獲取包含缺陷信息的磁光圖像[10]。磁光成像方法具有靈敏度高和檢測(cè)圖形可視化的特點(diǎn)，可用于微小缺陷和亞表面缺陷的檢測(cè)[11]。

目前焊接缺陷磁光成像檢測(cè)基本上是基于恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁，磁場(chǎng)的大小和方向恒定[12]，難以實(shí)現(xiàn)多方向缺陷和亞表面缺陷的檢測(cè)，并且磁光傳感器對(duì)缺陷處磁場(chǎng)的變化過(guò)于靈敏容易飽和，丟失缺陷信息[13]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也有基于交變磁場(chǎng)勵(lì)磁下的磁光成像研究[14]，例如用交變磁場(chǎng)激勵(lì)被測(cè)試件，通過(guò)感應(yīng)線圈獲取試件信號(hào)[15]，或者用磁光傳感器在一個(gè)周期下可以采集到不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下缺陷的漏磁場(chǎng)分布情況[16]，但是該方法仍然難以實(shí)現(xiàn)多方向焊接缺陷的檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)多方向缺陷和亞表面缺陷的檢測(cè)，提高缺陷無(wú)損檢測(cè)效率，研究基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)的磁光成像無(wú)損檢測(cè)新方法。用兩相交流電相位角和交叉角都為90°的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器給焊件勵(lì)磁，通過(guò)磁光傳感器獲取缺陷磁光圖，以3幀磁光圖為一組對(duì)所獲得的磁光圖進(jìn)行排列，分析全部組中第1幀磁光圖的變化，研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工頻勵(lì)磁下的成像規(guī)律，為后續(xù)研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下不可見(jiàn)缺陷的檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的場(chǎng)能堆積和磁力線分布情況提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 磁光成像原理及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論

1.1 磁光成像

圖1為磁光傳感器工作原理。光源LED發(fā)出的光經(jīng)起偏器變成線偏振光并通過(guò)磁光薄膜，經(jīng)反射鏡片反射再次通過(guò)磁光薄膜，這時(shí)反射鏡片下方裂紋處的垂直磁場(chǎng)分量發(fā)生了變化[17]，根據(jù)法拉第效應(yīng)，線偏振光的偏振方向會(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，檢偏器探測(cè)包含焊接裂紋信息的線偏振光的變化后被成像元件接收，形成裂紋磁光圖像[18]。

Fig.1 Working principal of magneto-optical sensor

1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

一個(gè)磁場(chǎng)可由其大小和方向表示，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，其合磁場(chǎng)符合矢量疊加的平行四邊形法則。當(dāng)兩個(gè)交變磁場(chǎng)復(fù)合時(shí)，能形成圓形或橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[19]。這里只討論圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的情況。設(shè)兩相磁場(chǎng)幅值相等的正弦交變磁場(chǎng)分別為H1與H2，且H1與H2的交叉角為α，其表達(dá)式[20]分別為：

H1=Hmsin(ωt)

(1)

H2=Hmsin(ωt-φ)

(2)

式中，Hm為交變磁場(chǎng)的幅值，ωt為激磁電流的相位角，φ為兩磁場(chǎng)的相位差。通過(guò)簡(jiǎn)單的合成計(jì)算，可得：

(3)

式中，Hx和Hy分別為水平方向和豎直方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。

當(dāng)cos(α/2)cos(φ/2)=sin(α/2)sin(φ/2)，即α+φ=180°且φ=π/2時(shí)，兩正弦交變磁場(chǎng)在O點(diǎn)相疊加形成的合磁場(chǎng)H1,2如圖2所示。此時(shí)形成的合磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，H1,2隨著相位角ωt的改變沿著圓形軌跡旋轉(zhuǎn)，由交流電源頻率為50Hz可知,此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)20ms旋轉(zhuǎn)1圈。

Fig.2 Schematic diagram of rotating magnetic field

1.3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁光成像分析

在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工頻勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)中，磁光傳感器采樣頻率為75Hz，即磁光傳感器每13.3ms采集1幀磁光圖。由圖3可知，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩個(gè)勵(lì)磁周期(40ms)內(nèi)，磁光傳感器采集連續(xù)3幀動(dòng)態(tài)磁光圖像，圖3a、圖3b和圖3c為幀磁光圖像，每一幀磁光圖采集時(shí)勵(lì)磁電壓方向和大小都是不同的，形成的合磁場(chǎng)也會(huì)有變化，磁光圖像的對(duì)比度也隨之變化。

Fig.3 Dynamic MOI induced by rotating magnetic field

2 焊接裂紋檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由YAG激光器、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器、磁光傳感器及計(jì)算機(jī)組成。圖5為焊件裂紋實(shí)物圖。由于實(shí)際激光焊接實(shí)驗(yàn)中難以獲得裂紋，所以本實(shí)驗(yàn)中利用YAG激光器焊接兩塊低碳鋼板模擬裂紋，用兩相交流電相位角和交叉角都為90°的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器對(duì)圖5中的感興趣區(qū)域進(jìn)行勵(lì)磁，由磁光傳感器采集包含裂紋信息的動(dòng)態(tài)磁光圖，通過(guò)分析所獲磁光圖中第1幀磁光圖的變化來(lái)研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工頻激勵(lì)下的成像規(guī)律。激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)參量如表1所示。低碳鋼板參量為200mm×80mm×2mm；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器勵(lì)磁電壓為150V，頻率為50Hz，提離值為3mm；磁光傳感器的采樣頻率為75Hz，圖像大小為400pixel×400pixel。

Fig.4 Experimental setup of magneto-optical imaging of weldment under the excitation of rotating magnetic field

Fig.5 Physical diagram of weld cracks

defect typewelding peak power P/kWwelding speedv/(mm·s-1)pulse widthS/mmgas flow Q/(L·min-1)crack12.5615

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁裂紋磁光圖像

實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中將采集到的1200幀磁光圖以3幀一個(gè)組依次分成400組，每組中的3幀磁光圖分別定義為第1幀、第2幀、第3幀，以第1組的3幀磁光圖作為初始3幀磁光圖，把這400組磁光圖按順序排列，對(duì)比分析所有組中第1幀磁光圖的變化，按次序提取當(dāng)中第1幀變化最明顯的7組磁光圖,如圖6所示。

Fig.6 MOI of cracks under the excitation of rotating magnetic field

3.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁光成像規(guī)律

由圖6可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工頻勵(lì)磁下所采集到的裂紋第1幀磁光圖并非一成不變，而是隨著采集時(shí)間的推移呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。由于本實(shí)驗(yàn)焊件裂紋區(qū)域分布平緩，每一列的灰度值分布基本相同，所以提取任意一列進(jìn)行灰度值分析都不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提取第1組第1幀和第7組第1幀的第200列灰度值作灰度分布圖，如圖7a所示。第7組第1幀和第1組第1幀灰度值相近，說(shuō)明第7組第1幀和第1組第1幀是相同的，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工頻勵(lì)磁下第1幀磁光圖經(jīng)過(guò)一系列變化又回到了初始圖像，亦即磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)位置也回到了初始值和初始位置。同樣從圖6看出，第1組第2幀和第3幀磁光圖也會(huì)隨著時(shí)間而變化最終回到初始狀態(tài)。第1組第1幀到第7組第1幀共885幀磁光圖，磁光傳感器采樣時(shí)間約為12s。由此得到工頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁下磁光成像第1個(gè)規(guī)律：任意一幀磁光圖隨著勵(lì)磁時(shí)間的推移都會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)885幀磁光圖后回到初始狀態(tài)。

Fig.7 Contrast of grayscale curves in the 200th column of each group

a—the 200th column of the 1st frame in group 1 and the 1st frame in group 7 b—the 200th column of the 2nd frame in group 1 and the 1st frame in group 3 c—the 200th column of the 3rd frame in group 1 and the 1st frame in group 5

結(jié)合圖3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)磁光成像圖，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每20ms旋轉(zhuǎn)一圈，磁光傳感器約13.3ms采集一幀磁光圖，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)周期時(shí)可采集到一組即3幀連續(xù)的磁光圖，采集每一幀的位置分別對(duì)應(yīng)圖8中第1組、第3組、第5組的位置。而圖8所示的是所有磁光圖中第1幀的變化，可以明顯看出,第1幀的變化經(jīng)歷了變?yōu)槌跏嫉?幀、初始第3幀的過(guò)程，即隨著采集時(shí)間的推移，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的勵(lì)磁強(qiáng)度和勵(lì)磁位置也在發(fā)生周期性的改變。

Fig.8 Change process of the 1st frame magneto-optical image

提取第3組第1幀和第1組第2幀的第200列灰度值、第5組第1幀和第1組第3幀的第200列灰度值作對(duì)比，結(jié)果如圖7b和圖7c所示，兩對(duì)曲線近似，說(shuō)明工頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下，初始第1幀的變化經(jīng)過(guò)了初始第2幀、初始第3幀的過(guò)程，最后變回初始第1幀。從圖6還可以看出，初始第2幀的變化經(jīng)歷了初始第3幀、初始第1幀的過(guò)程，初始第3幀也有類似變化。由此得到工頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁下磁光成像第2個(gè)規(guī)律：每1幀磁光圖的變化都可以定義為以初始3幀磁光圖為一個(gè)循環(huán)周期，依次向下一幀轉(zhuǎn)換，回到初始的這一幀后，又繼續(xù)按循環(huán)周期依次向下一幀變換，在采樣時(shí)間內(nèi)，一直以此規(guī)律重復(fù)進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)中參照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁光成像的兩個(gè)規(guī)律，可以有效減少勵(lì)磁時(shí)間，達(dá)到最佳勵(lì)磁效果，有利于提高旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)效率，為研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下的缺陷磁分布情況和磁光成像機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁光圖像規(guī)律分析

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在兩個(gè)勵(lì)磁周期內(nèi)可以采集到一組包含缺陷信息的磁光圖，按照此特性每一組第1幀的采集位置和勵(lì)磁強(qiáng)度都相同，每一組第1幀的磁光圖像也是相同的。對(duì)于圖6中第1幀的變化，是由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁過(guò)程中存在磁滯效應(yīng)。圖9中的閉合曲線ACDEFGA為焊件的磁滯回線，在工頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁下，磁場(chǎng)幅值不會(huì)足夠大到使焊件經(jīng)歷完整的磁滯回線[21]。被測(cè)焊件未到達(dá)飽和磁化強(qiáng)度OA，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在P點(diǎn)、M點(diǎn)突然改變方向，焊件的磁化狀態(tài)并不沿原路折回，而是在PQ之間、MN之間形成一個(gè)小的磁滯回線，沿這條新的局部小磁滯回線移動(dòng)。

Fig.9 Magnetic hysteresis loop of the weldment under the excitation of rotating magnetic field of frequency 50Hz

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一個(gè)勵(lì)磁周期后，其起點(diǎn)并不是原來(lái)的位置，勵(lì)磁強(qiáng)度方向和大小也會(huì)不同，導(dǎo)致磁光傳感器采集到的每一組磁光圖也有差異。如圖9中P點(diǎn)采集的是圖6中第1組磁光圖，Q點(diǎn)采集的是圖6中第2組磁光圖，隨著采集時(shí)間的推移，這種差異也會(huì)越來(lái)越明顯。

4 結(jié) 論

在工頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勵(lì)磁下，任意一幀缺陷磁光圖隨著勵(lì)磁時(shí)間的推移都會(huì)發(fā)生變化，以初始3幀磁光圖為一個(gè)循環(huán)周期依次向下一幀轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)885幀磁光圖后回到初始狀態(tài)。局部小磁滯回線的形成使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每個(gè)勵(lì)磁周期的起點(diǎn)發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致采集到的磁光圖像也隨之交替變化。實(shí)驗(yàn)中參照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁光成像的兩個(gè)規(guī)律，可以有效減少勵(lì)磁時(shí)間，達(dá)到最佳勵(lì)磁效果，提高了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)效率，為研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下的缺陷磁分布情況和磁光成像機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。