鋁板T型接頭背面筋板位置檢測方法研究*

吳東翰,韓贊東,孟繁悅,都 東

(清華大學機械工程系,北京 100084)

T型焊縫在當今工業中的應用非常廣泛,譬如航天運載器發動機大噴管采用的盒狀蜂窩夾層結構[1],高鐵、船舶上使用的金屬三明治結構等皆屬其應用范疇[2-6]。然而焊接過程中背面筋板不可見,如何提高焊接精準度尤為重要,這將直接影響焊縫質量和整體結構的形變。考慮到鋁合金在結構輕量化方面的突出優勢和廣泛需求,本課題針對T型接頭背面筋板位置檢測方法進行研究,具有重要的應用價值,將有助于輕量化結構的推廣。

常用的焊縫跟蹤傳感器[7-9],比如接觸式傳感器[10]、電弧傳感器、光學傳感器等都無法對背面筋板位置進行檢測。而傳統的電磁傳感器[11]位置檢測精度低、抗磁偏吹能力差、受溫度和環境電磁場影響大,也無法進行有效的檢測。本文使用渦電流穿透導體,通過線圈阻抗變化分析背面筋板中心位置,但由于趨膚效應影響,渦流難穿透較厚的金屬板材[12],到達背面筋板的渦流極其微弱,限制了檢測深度,因此如何提高渦流的透入深度并對微弱信號進行處理是成功檢測的關鍵。

線圈各項參數如內徑、外徑、厚度、形狀對靈敏度、提離效應、磁場變化影響等方面,已有不少研究[13-14]。以電磁場理論為基礎,Dodd C V等人給出了線圈在復合導體板材上電渦流分布的解析解、提供了更便捷的計算方式[15-17]。王春蘭等利用有限元仿真軟件建立了線圈模型并進行仿真分析,叢理論公式驗證了仿真軟件的可靠性[18-20]。

本文分析了線圈參數對檢測的影響,使用MATLAB計算線圈產生磁場延軸向強度的變化,搭配有限元軟件COMSOL仿真不同頻率下待測試件內感生的渦電流密度及磁通模密度分布情況,發現頻率在500赫茲時渦流的穿透效果最好,依此確定了檢測頻率。選擇了自比較式的線圈接法并搭配電橋電路進行檢測,最終檢測波形與預期結果相吻合。本文面向實際工程應用背景,拓展傳統渦流檢測技術的應用領域,力求為T型接頭背面筋板位置檢測提供新方法。

1 檢測原理與方法

1.1 檢測原理

線圈周邊的渦流變化會影響線圈的等效阻抗,渦流傳感器掃查過金屬背板T型接頭時線圈信號會產生變化,通過分析信號的變化規律可以定位T型接頭背面筋板的位置,探頭掃查方式如圖1所示。

圖1 掃查示意圖

渦流線圈(傳感器)肩負產生渦流、提取信號、抗干擾三項主要任務。若要在實際工程應用中實現背面筋板實時檢測,相較于絕對式與標準比較式,自比較式線圈為首選,因其在檢測中就是采用同一檢測試件的不同部份作為比較標準。

兩線圈通以正弦激勵信號,設兩線圈于掃查過程中感應電壓差為ΔV,由于待測因素(背面筋板)所造成的線圈感應電壓變化量ΔV與線圈本身的感應電壓相比要小的多,一般需將ΔV放大。若將兩者同時輸入放大器,易受運放動態范圍限制,從而影響檢測效果;這里采用電橋電路如圖2,僅提取兩橋臂間的電壓信號差(C、D兩點電位差),如此便可僅保留并輸出電壓變化量ΔV。

圖2 線圈搭配電橋電路

檢測時探頭若在無筋板位置處,ΔV幾乎為零,若檢測到背面筋板,線圈將輸出急劇變化的信號。掃查過程及預期信號變化情形如圖3所示。當B線圈掃查過背面筋板時,阻抗增加,信號減弱,ΔV增加。兩線圈持續移動,此時A線圈因接近筋板,阻抗也開始增加;同時B線圈因遠離筋板,阻抗減少,綜合影響下ΔV降低。當兩線圈正好以筋板中心為對稱軸時,兩線圈阻抗相同,此時ΔV應為零。兩線圈遠離筋板時,ΔV變化情況應與接近筋板時相同。需注意由于ΔV為兩線圈信號差動結果,過程中ΔV會出現負值。

圖3 預期掃查結果圖

1.2 檢測系統設計

使用ADuC812單片機產生頻率控制字,控制AD9854芯片產生正弦交流信號并施加于探頭線圈,線圈周圍產生交變磁場,待檢鋁板隨即感生渦流信號并產生反作用磁場使得線圈阻抗發生改變,分析線圈阻抗變化可以檢出金屬背板接頭具體位置,檢測電路示意圖如圖4所示,整體檢測系統如圖5所示。

AD9854輸出的正弦信號經功放后通入電橋兩臂,激勵檢測線圈。線圈掃查經過背面筋板時,兩線圈間電壓差ΔV產生變化,將ΔV放大21倍后,能更清楚觀察背板T型接頭所造成的ΔV變化情況。此處需注意,兩線圈即使在附近沒有任何導體影響其本身阻抗的情況下,ΔV也不會為零,亦即電橋不會處于平衡狀態,因為兩線圈的阻抗值很難完全相同,此時電橋會輸出一固定信號,此固定的不平衡信號約為幾毫伏至幾十毫伏,甚至會大于待測因素所產生的信號。利用AD9854產生的四路信號,搭配乘法器、加法器產生一幅值、頻率、相位皆與此不平衡信號相同的平衡信號,再與此不平衡信號進行相減消除,進而保證檢測準確度。

ΔV經帶通濾波、增益后,以乘法器和低通濾波器為核心,進行相敏檢波,濾除其高頻分量,留下的兩路直流分量即為待檢信號在兩相互正交信號上的投影,經處理可得待檢信號的幅值和相位。

圖4 檢測電路示意圖

圖5 整體檢測系統示意圖

2 檢測參數優化

2.1 探頭線圈設計

欲檢測背面筋板位置,渦流穿透深度為首要考量。探頭線圈內外徑、線徑、厚度等參數都會影響線圈產生的磁場強度,下面分析不同尺寸線圈通以相同電流時沿軸線方向上的磁場強度變化。欲使渦流能有較強的穿透能力,應使載流線圈產生的軸向磁場強度大且沿軸向遠離線圈端面時衰減率要小。N匝線圈產生的磁場可看成是許多單匝載流圓形線圈所產生磁場疊加而成,建立線圈幾何模型如圖6所示。

圖6 線圈模型示意圖

當線圈通以電流I時的電流密度為

(1)

微小截面dzdx上的電流即為

(2)

此微型電流元在動點P處產生的磁場強度為

(3)

此時N匝載流線圈在P點處產生的總磁場

(4)

(5)

(6)

式中:z1即為線圈底面與P之間的距離z,最終可以得到

(7)

產生的激勵信號為一峰峰值3 V,頻率可調的正弦信號,此信號通過電橋后,由于線圈阻抗不同,所通過的電流也不同。式(1)共有5個影響參數,從理論上說,線圈內外徑差值越小、匝數越多、通過電流越大、厚度越薄,能產生的磁場越強,但實際繞制線圈時無法兼顧上述所有影響因子,譬如若想在厚度減小、線圈內外徑差值不變的情況下維持相同匝數,只能減小線徑,但會導致電阻增加、電流降低。

分別選用線徑0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm的銅線繞制了線圈,表1列出了3種線圈各項參數。圖7 繪出感應磁場隨z值(距線圈端面)變化趨勢,可看出線圈1產生的感應磁場最強,因此選用線圈1 作為檢測探頭。

表1 線圈參數

圖7 磁場隨Z變化曲線

2.2 渦流穿透鋁板仿真

實際測量線圈電阻約為31 Ω,在COMSOL設定好線圈匝數、線徑、體積等各項參數后,仿真顯示在 500 Hz 交流信號下,線圈電阻為30.925 Ω,表明仿真結果符合實際情況。接著仿真兩線圈位于筋板正上方時,分別通以不同頻率正弦激勵信號的電流密度模、磁通密度模分布情況,如圖8所示。線圈與鋁板距離為 2 mm,線圈材質為銅,其余各項參數如表2所示。

圖8 不同激勵頻率下電流密度模、磁通密度模分布

材料相對磁導率電導率/(S/m)相對介電常數空氣111.000 585鋁13.774E71銅導線15.998E71

從圖8觀察到,磁通密度模隨檢測頻率增加而減弱,電流密度模則是先隨著頻率增加漸強,大約在500 Hz左右達到最強,之后便開始減弱。一般來說,頻率越低,渦流穿透能力越強,但考慮到實際工業應用時須搭配高速掃查,若檢測頻率太低,筋板信號的包絡曲線就不明顯,綜合考慮下,將檢測頻率設定在500 Hz。

3 檢測試驗與結果分析

以頻率500 Hz進行掃查,待測鋁板厚度為3 mm,線圈離板材有約2 mm的間距,筋板寬度為10 mm。圖9(a)所示為掃查示意圖,將圖中中心線座標位置定為0,向右為正,向左為負,比較掃查結果曲線與探頭實際位置,即可推算出筋板中心位置。分別設定掃查步長為0.48 mm、0.96 mm,將探頭線圈固定在掃查臂上,如圖9(b)所示。

相敏檢波后所得兩路直流分量僅為待檢信號在兩相互正交信號上的投影,需將兩路信號先取平方和后再開方根,最終數據全為正值。圖10(a)、10(b)分別為在500 Hz下步進長度分別為0.96 mm、0.48 mm的掃查結果,實際筋板中心位置在0 mm處。按理說當線圈完成平衡后,探頭在鋁板兩端(背面無筋板處)測得信號應相同,但圖中波形并不完全對稱,此為提離效應所造成,因探頭線圈在掃查過程中很難完全與鋁板平行。

圖9 掃查示意圖

圖10 掃查結果

本文提出兩種方式判別筋板中心位置:

方法1:當兩線圈以筋板中心為對稱軸位于筋板正上方時,兩線圈電壓差理論值應為零,依此推斷兩波峰間會有一信號最低點,此處即為筋板中心。

方法2:讀取兩波峰位置,計算兩波峰正中央位置即為筋板中心。

采用方法一找出圖10(a)、10(b)兩波峰間最低點,比較探頭實際位置,誤差皆小于電機步進距離。采用方法二,圖10(a)兩波峰分別位于±9.6 mm;圖10(b)兩波峰分別位于±9.12 mm處,計算所得中心位置皆為0。以上兩種方法的定位誤差皆小于掃查步進長度,皆能判別出筋板中心。

從第3節分析可知,在500 Hz的激勵頻率下,到達背板的渦流信號已微弱許多,若要檢測更厚金屬板材的T型接頭,可通過調整增益、搭配更高品質因子的濾波系統來獲得改善。總體來說,以渦流檢測金屬T型接頭背板位置的方式準確度高,且拓展了傳統渦流檢測技術的應用領域。

4 結論

本文提出了一種檢測鋁板T型接頭的方法。通過有限元軟件COMSOL仿真獲得了優化的線圈參數和檢測頻率。對蓋板厚度3 mm的鋁合金T型接頭檢測結果表明,該方法的檢測誤差小于檢測步距,能夠滿足一般工業上對深熔焊的精度要求。未來若應用在高速焊接領域,需要進一步研究動態掃查速度對位置檢測精度的影響。