鋁合金焊縫裂紋的陣列渦流檢測仿真研究

謝建紅，李來平，危 荃，涂 俊，宋 凱，*

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

鋁合金因具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高的比強(qiáng)度，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛、橋梁等領(lǐng)域［1］。而由于鋁合金特有的材料屬性，其焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、表面裂紋等缺陷［2］，這些缺陷的存在會(huì)直接影響焊接件的安全使用。因此加強(qiáng)對鋁合金焊縫質(zhì)量的檢測對于確保工程安全具有重要意義。

許多學(xué)者開展了大量關(guān)于鋁合金焊縫質(zhì)量檢測的研究。王常璽等［3］采用超聲相控陣縱波掃描技術(shù)，對不同厚度鋁合金薄板FSW 焊縫內(nèi)部缺陷實(shí)施檢測，結(jié)果表明可有效檢出5 mm 以上厚度板中0.3 mm 的側(cè)孔和0.5 mm 的平底孔。喻程等［4］對激光復(fù)合焊鋁合金焊縫采用同步輻射X射線成像技術(shù)檢測，發(fā)現(xiàn)此方法能夠有效地檢測焊縫內(nèi)部的體積型微氣孔缺陷。高鵬等［5］對良好、含有密集氣孔和未焊透3 種狀態(tài)鋁合金焊縫的渦流檢測信號(hào)進(jìn)行分析，采用Lempel-Ziv 復(fù)雜度和近似熵測度研究焊縫渦流電磁信號(hào)的復(fù)雜度，結(jié)果表明這2 種算子對焊縫的類別可有效辨識(shí)。

陣列渦流檢測(Eddy Current Array Testing，ECAT)是近十幾年才發(fā)展起來的一項(xiàng)電磁無損檢測新技術(shù)，它是通過特殊的檢測線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并借助于強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對待檢工件的快速、有效的檢測［6-10］。采用ECAT 法對焊縫質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅能有效地消除由焊縫形面差異和粗糙不平造成的嚴(yán)重提離干擾，而且還能清楚地了解受熱區(qū)金屬材質(zhì)的變化［11-12］。

本研究以5A06 鋁合金熔焊構(gòu)件為研究對象，建立帶表面裂紋熔焊構(gòu)件的三維有限元模型，分析陣列渦流探頭掃查不同位置表面橫向裂紋時(shí)的輸出信號(hào)特征，并研究焊縫受熱區(qū)金屬材質(zhì)變化對陣列渦流線圈輸出信號(hào)的影響，為今后鋁合金熔焊構(gòu)件的工程檢測奠定理論基礎(chǔ)。

1 ECAT 有限元模型

鋁合金熔焊構(gòu)件ECAT 有限元模型主要由含橫向裂紋的鋁合金熔焊構(gòu)件、陣列渦流傳感器及空氣組成。模型掃查示意圖如圖1 所示。待檢熔焊構(gòu)件為一電導(dǎo)率不均勻的非磁性介質(zhì)，相對磁導(dǎo)率μr=1，電導(dǎo)率為σ，其長度為l1，寬度為w1，工件厚度為d1。焊縫位于構(gòu)件中間位置，寬度為w2，余高為d2。以焊縫的中軸線為參考，裂紋中心分別位于焊縫的中軸線上和位于焊縫邊緣線與中軸線的中間位置，將這些裂紋分別簡稱為正上方橫向裂紋和側(cè)面橫向裂紋，裂紋使用矩形槽代替表征。一個(gè)由多個(gè)內(nèi)徑為r1、外徑為r2、高為h、匝數(shù)為N 的線圈構(gòu)成的陣列渦流傳感器置于焊縫上方，每個(gè)線圈底面中心與焊縫表面之間的距離均為l0。線圈耦合外接電路，電壓源輸出頻率的選取與工件的特征頻率fg有關(guān)，采用放置式線圈檢測工件時(shí)，由于探頭線圈的尺寸非常小，可將待檢工件看成半無限大平面，建立簡化渦流模型，通過渦流環(huán)理論推導(dǎo)出工件的特征頻率。

放置式線圈檢測工件表面裂紋時(shí)的試驗(yàn)頻率一般選擇范圍為f=(10～50)fg。

圖1 裂紋掃查模型示意圖Fig.1 Schematic drawing of crack scan model

由于焊接時(shí)的高溫影響，構(gòu)件的電導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜變化，因此可以通過測量試驗(yàn)獲取構(gòu)件各區(qū)域的電導(dǎo)率變化規(guī)律:垂直于焊縫中軸線逐點(diǎn)采集各標(biāo)定點(diǎn)的電導(dǎo)率值并繪制曲線(圖2 中ΔL表示采樣點(diǎn)與焊縫中心位置距離)，可以看出焊縫各區(qū)域電導(dǎo)率關(guān)于焊縫中心對稱呈V 型分布，母材區(qū)域電導(dǎo)率變化約0.464 Ms·m-1，熱影響區(qū)電導(dǎo)率越靠近焊核部分值越小，變化約1.856 Ms·m-1，焊核區(qū)域電導(dǎo)率變化約0.29 Ms·m-1。如果忽略測量誤差及工件本身材質(zhì)等因素影響，可以近似認(rèn)為母材區(qū)域及焊核區(qū)域電導(dǎo)率相對于熱影響區(qū)是均勻的，母材區(qū)域電導(dǎo)率取值為19.43 Ms·m-1。

圖2 焊縫各區(qū)域電導(dǎo)率分布圖Fig.2 Conductivity distribution map of each part of the weld

在建立三維實(shí)體模型之后必須對其進(jìn)行離散化，以缺陷處網(wǎng)格最密，逐漸向外稀疏，過渡尺寸比例控制在1/3，圖3 給出了線圈和導(dǎo)體局部區(qū)域的網(wǎng)格劃分。有限元離散化后空氣層外邊界施加通量平行邊界條件，求解后通過后處理模塊獲得缺陷附近的電磁場、感應(yīng)電流的分布及感應(yīng)線圈的電壓等參量。

圖3 導(dǎo)體和線圈局部網(wǎng)格劃分Fig.3 Section of meshes generated in conductive specimen regions and probe-coil

2 仿真結(jié)果討論分析

2.1 橫向裂紋長度對線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

為研究不同尺寸鋁合金焊縫裂紋對檢測線圈感應(yīng)信號(hào)的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了焊縫正上方和側(cè)面的橫向裂紋(圖1)，不同位置的裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm，其他尺寸(寬×深)均為0.2 mm×0.3 mm。尺寸為r1=0.4 mm、r2=1 mm、h=1 mm、N=100 的線圈置于長l1=40 mm、寬w1=60 mm、厚度d1=4.36 mm 的帶有寬l2=9 mm、余高d2=0.66 mm 焊縫的鋁合金焊縫試塊上進(jìn)行裂紋檢測，提離l0=0.5 mm。根據(jù)式(2)可計(jì)算出工件的特征頻率fg=15.3 kHz，可取線圈工作頻率f=500 kHz。圖4 為激勵(lì)電壓U=12 V 時(shí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值變化曲線(x=0 處為裂紋中心點(diǎn))，從圖中能夠很清楚地看到:裂紋位于焊縫正上方線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值變化規(guī)律與裂紋位于焊縫側(cè)面相同，即隨著線圈移動(dòng)逐漸靠近裂紋，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值會(huì)迅速增大，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值在線圈移至裂紋正上方時(shí)達(dá)到最大值，隨后線圈繼續(xù)移動(dòng)離開裂紋，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢又會(huì)下降回到起始值。當(dāng)裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時(shí)，隨著裂紋長度的增加，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值也隨之增大，裂紋長度與線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的波峰幅值呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系。

圖4 裂紋位置變化對線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的影響Fig.4 Influence of crack in different location on probe-coil induced emf

對比同一尺寸、不同位置裂紋下線圈感應(yīng)電動(dòng)勢變化曲線的峰值(圖5)，以Es、E0分別表示裂紋位于焊縫側(cè)面及正上方時(shí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢峰值，當(dāng)裂紋長度為1.6、3.0、4.5 mm 時(shí)，(Es-E0)/ E0值分別為18.7%、13.6%、12.2%，即隨著裂紋長度的增加，Es相對Eo變化量逐漸減小，且Es總是大于E0。上述信號(hào)變化規(guī)律是因?yàn)楫?dāng)渦流探頭由焊縫正上方移至焊縫側(cè)面時(shí)引起了兩種變化:1)提離距離:裂紋所處焊縫表面的曲率半徑變小，由弧面形狀緣故在線圈提離l0基礎(chǔ)上產(chǎn)生的附加提離減小;2)電導(dǎo)率:線圈與熱影響區(qū)之間的距離減小，由焊縫各區(qū)域電導(dǎo)率差異引起的導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)渦流分布發(fā)生改變。

為研究這2 種變化對感應(yīng)信號(hào)的具體影響，在裂紋長度為3.0 mm 時(shí)可分別計(jì)算出各變化所引起的線圈感應(yīng)信號(hào)幅值波動(dòng)。以Es、E0分別表示由于焊接作用電導(dǎo)率非均勻狀態(tài)下裂紋位于焊縫側(cè)面及正上方時(shí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢峰值，而則為模型電導(dǎo)率為均勻特性時(shí)裂紋位于焊縫側(cè)面及正上方時(shí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢峰值，因此提離距離和電導(dǎo)率2 種因素引起信號(hào)變化及單一因素影響大小可表示為:

式中:ΔE1為2 種因素引起信號(hào)變化量;ΔE2為曲率半徑影響的信號(hào)變化量;ΔE3為電導(dǎo)率影響的信號(hào)變化量;E'、E'0為構(gòu)件焊核區(qū)域電導(dǎo)率為17.3 Ms·m-1計(jì)算結(jié)果。

圖5 感應(yīng)電動(dòng)勢峰值差Fig.5 Difference peak value of induced emf

當(dāng)裂紋長度為3.0 mm 時(shí)，計(jì)算模型可得，Es=15.919 mV、E0=14.013 mV、E's=14.469 mV、=12.763 mV，由此可以計(jì)算，ΔE1=1.906 mV、ΔE2=1.707 mV、ΔE3=0.200 mV，則ΔE2/ΔE1=0.895，提離距離的變化誘發(fā)的信號(hào)變化較大，是主要影響因素，即表明焊縫形貌變化的作用影響比焊接工藝對電磁特性影響要更顯著，因此需要保證穩(wěn)定的焊接工藝形成均勻的焊縫以利評(píng)估的穩(wěn)定性。

2.2 焊接引起的材料電導(dǎo)率變化對線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的影響

當(dāng)線圈與裂紋的相對位置不變時(shí)，改變材料電導(dǎo)率，這會(huì)影響導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)渦流的分布及有效的滲透深度，從而使得線圈的感應(yīng)信號(hào)也發(fā)生改變。

為了研究這一影響，在2.1 節(jié)的基礎(chǔ)上僅改變構(gòu)件的材料電導(dǎo)率(其他條件參數(shù)均與2.1 節(jié)相同)，使構(gòu)件各區(qū)域的材料電導(dǎo)率相同(后文統(tǒng)述為電導(dǎo)率均勻)，以獲取在電導(dǎo)率均勻的情況下掃查橫向裂紋時(shí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值Eu的變化曲線，然后與電導(dǎo)率不均勻時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢幅值Enonu的變化曲線(圖4)進(jìn)行對比分析。電導(dǎo)率均勻時(shí)構(gòu)件整體賦予母材區(qū)域相同的材料屬性，電導(dǎo)率不均勻時(shí)熱影響區(qū)按圖2 所示賦材料屬性，焊核區(qū)域則賦材料電導(dǎo)率為17.30 Ms·m-1，母材區(qū)域賦材料電導(dǎo)率為19.43 Ms·m-1。圖6是2 種不同位置、3 種不同裂紋長度下由材料電導(dǎo)率變化引起的線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值變化的軌跡，其中ΔE=Enonu-Eu。對比圖6、圖4 中變化曲線的峰值可以發(fā)現(xiàn)，在2 種不同位置裂紋下，圖6中變化曲線峰值所占圖4 中變化曲線峰值的比例近似相同，裂紋長度為1.6、3.0、4.5 mm 對應(yīng)所占比例分別約為24.0%、11.5%、10.6%，這說明當(dāng)裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時(shí)，裂紋長度越大，焊接所引起的5A06 鋁合金材料電導(dǎo)率減小在裂紋檢測時(shí)對線圈輸出信號(hào)的影響越小。

圖6 材料電導(dǎo)率變化對線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的影響Fig.6 Influence of material conductivity changes on probe-coil induced emf

從圖6 中還可以看出，焊接所引起的5A06鋁合金材料電導(dǎo)率減小會(huì)使得線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢幅值增大。上述變化的原因根據(jù)電導(dǎo)率對阻抗的影響曲線(圖7)［11］，材料電導(dǎo)率由于焊接作用從19.43 Ms·m-1減小至17.30 Ms·m-1時(shí)，線圈阻抗值沿著阻抗曲線向上移動(dòng)，即阻抗增大，從而引起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的增大。

圖7 電導(dǎo)率對阻抗的影響Fig.7 Influence of conductivity on impedance

3 結(jié)論

1)當(dāng)裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時(shí)，隨著裂紋長度的增加，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢幅值也隨之增大，裂紋長度與線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的波峰幅值呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系，且隨著裂紋長度的增加，Es相對Eo變化量逐漸減小，總是Es＞Eo;

2)焊接所引起的5A06 鋁合金材料電導(dǎo)率減小會(huì)使得線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢幅值增大，且當(dāng)裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時(shí)，裂紋長度越大，電導(dǎo)率減小對線圈輸出信號(hào)的影響越小。

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