鋁合金薄板不同走向焊縫缺陷的脈沖渦流熱成像檢測

楊澤明1，邱 巧， 邊 毅1，彭 瑾1，伍劍波

(1.中航成飛民用飛機有限責任公司，成都 610091；2.四川大學 制造科學與工程學院, 成都 610065)

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW) 是1991年英國焊接研究提出的一種固態連接方法，具有焊接操作簡單，焊件力學性能好等優點，在低熔點材料特別是鋁合金結構的高質高效連接方面具有獨特優勢，因而在航空航天、軌道列車、汽車工業等領域具有廣闊的應用前景[1-3]。然而，鋁合金較活潑，表面易氧化，線膨脹系數大，不合理的工藝參數仍會導致各類缺陷的產生，因此如何有效地檢測并區分這些缺陷，對鋁合金攪拌摩擦焊的工業應用有重要的作用[4-5]。鋁合金薄板攪拌摩擦焊縫缺陷形式多樣，如何有效快速地對缺陷進行檢測并實現缺陷的可視化成像是目前鋁合金薄板攪拌摩擦焊縫檢測的研究難點。

目前，焊縫非破壞性檢測方法主要有超聲波檢測和射線檢測方法等[6-7]。超聲波檢測方法利用超聲波對工件進行激勵，通過觀察超聲波在工件中的波形、回波、聲速、衰減和共振等參數的變化來判斷工件內部是否存在缺陷。然而，超聲檢測需要使用耦合劑，對表面缺陷和過渡性缺陷不敏感，缺陷方向也會影響檢測靈敏度。而傳統數字射線檢測方法的操作安全性和檢測效率均存在不足，尤其是數字射線檢測對裂紋和側壁未融合缺陷的檢出率低。在實際操作過程中，經過數字射線和超聲波方法進行焊縫檢測的航空零部件也經常出現漏檢的情況。因此，尋找并開展新的焊縫缺陷的無損檢測方法研究，并進行人工智能識別與量化，是目前保證航空焊接零部件品質的重要任務。

渦流熱成像檢測是一種電、磁、熱多物理場的檢測方法，近年來逐漸應用于金屬構件的缺陷檢測中。與電磁檢測方法相比，渦流熱成像方法集成了電、磁、熱等多種物理場效應，可實現從不同信息來源獲得更多的缺陷信息，如缺陷區域的電導率、磁導率、傳熱系數等[8-12]。另外渦流熱成像可直接實現缺陷的可視化成像，可提高檢測效率與精度。筆者主要針對鋁合金薄板的不同走向焊縫缺陷，開展渦流熱成像檢測方法試驗研究，建立鋁合金薄板不同角度缺陷處的最大溫差變化規律曲線。通過提取檢測信號幅值和能量特征，實現對不同角度焊縫缺陷的識別，并得到缺陷的角度、電流大小以及激勵時間對檢測效果的影響。

圖1 渦流熱成像檢測原理示意

1 渦流熱成像檢測原理

渦流熱成像檢測原理示意如圖1所示，將通有高頻電流的激勵線圈靠近試件，線圈產生的交變磁場會在試件中感應出渦流;如果存在缺陷，電渦流分布將發生變化，并因焦耳熱效應在試件表面形成畸變溫度場。根據焦耳定律，傳導路徑畸變的動生渦流會產生不均勻的熱量分布，進而在鋁合金表面形成溫度差異分布，利用紅外相機記錄鋁合金表面溫度分布差異即可實現對缺陷的非接觸快速檢測。

1.1 渦流激勵下試件表面的生熱機理

根據Maxwell方程組，可推導出渦流場的控制方程,如式(1)所示。

(1)

式中：μ為被測材料的磁導率；ε為介電常數；σ為電導率；A為矢量磁勢；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規律衰減，這一現象稱為趨膚效應。渦流透入的深度稱為趨膚深度，趨膚深度δ與激勵電流頻率f和材料屬性有關，可用式(2)表示。

(2)

由焦耳定律可知，試件中產生的渦流會在材料內部由電能轉化為熱量,產生的熱量可用式(3)表示

(3)

式中：Q1為產生的熱量；E為電場密度。

1.2 缺陷處熱流的傳導機理

鋁合金薄板的相對磁導率較小，電導率較大，其集膚深度很小，當激勵頻率為249 kHz時，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可以視為從工件表面進行加熱。當缺陷體積深度比大于2時，橫向熱傳遞導致的“模糊效應”對縱向熱傳遞的影響較小，可以忽略不計，從而其熱傳導微分方程可簡化為一維模型，如式(4)所示。

(4)

式中：T為溫度；x為橫坐標；t為時間；α為熱擴散率。

PARKER等[13]通過簡化CARSLAW和JAEGER[14]提出的一維解析模型,得到反射模式下無缺陷區域的溫度變化,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。

缺陷區域的溫度變化可用式(6)表示。

(6)

式中：Lr為缺陷區域的剩余厚度，小于試件的整體厚度L。

式(5),(6)說明缺陷區域的溫度變化和無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，缺陷區域邊沿的溫度會高于無缺陷區域的溫度。因此，缺陷區域在熱圖像上會顯示出畸變熱分布。

2 熱成像試驗

為了驗證渦流熱成像檢測方法對鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫缺陷的檢測效果，建立如圖2所示的渦流熱成像檢測試驗系統。試驗系統由渦流熱激勵裝置、紅外熱像儀和計算機分析軟件系統等3部分組成。渦流熱激勵裝置的激勵頻率為249 kHz，最大輸入電流為600 A，用循環水冷卻裝置進行冷卻。紅外熱像儀為美國FLIR公司生產的FLIR A655sc熱像儀，該熱像儀工作波段為7.5～13.5 μm，環境溫度為20 ℃時，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。計算機軟件系統為FLIR ResearchchIR Max4軟件，以此進行現場處理和后期圖像分析。

圖2 渦流熱成像檢測試驗系統實物

圖3 鋁合金攪拌摩擦焊試件

試件(見圖3)由兩塊鋁合金薄板通過攪拌摩擦焊工藝焊接而成，焊縫長250 mm，寬20 mm；焊接成長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記圖

焊縫缺陷長/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

試驗過程中，將矩形感應線圈的長邊置于試件正上方，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°，設置采集時間為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、加熱時間為200 ms激勵下的瞬態熱響應。由圖6可以看出，在相同的電流強度與加熱時間下，紅外渦流熱成像能有效檢測鋁合金薄板焊縫的表面缺陷，實現了對缺陷的直接可視化成像檢測。另外，不同走向缺陷產生了不同的熱響應，且隨著角度的增加，檢測效果越明顯。

為了對近表面微裂紋檢測效果進行量化分析，設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域設置如圖7所示。

當激勵時間為200 ms時，提取所有缺陷分別在300，400，500，600 A電流下的溫度變化規律，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°間溫差趨于穩定；同時，4條折線相互交叉，證明電流大小對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系

圖6 不同角度焊縫缺陷在電流400 A、加熱時間200 ms下的瞬態熱響應

設置激勵電流為400 A，提取0°和45°缺陷分別在200，300，400，500，600 ms激勵時長下的溫度變化規律，如圖9所示。由圖9可以看出:在0°缺陷時，最大溫差穩定在0.4 ℃；在45°缺陷時，最大溫差在0.7 ℃下趨于穩定。因此，加熱時間對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域

圖8 缺陷最大溫差隨電流大小的變化規律

圖9 缺陷最大溫差隨激勵時長的變化規律

3 結論

(1) 渦流熱成像檢測方法可有效檢測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在裂紋處分層明顯，可清晰觀察。

(2) 在激勵時間相同的情況下，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°間溫差趨于穩定；同時電流大小對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出來。在實際檢測過程中，可針對典型缺陷的走向設置相應的激勵線圈方向。

(3) 在電流一定的條件下，激勵時間對缺陷最大溫差影響不大，趨于穩定，并且加熱時間對不同走向缺陷影響不同。