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(xué)機(jī)械工程系,北京 100084)

T型焊縫在當(dāng)今工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛,譬如航天運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管采用的盒狀蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[1],高鐵、船舶上使用的金屬三明治結(jié)構(gòu)等皆屬其應(yīng)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(zhǔn)度尤為重要,這將直接影響焊縫質(zhì)量和整體結(jié)構(gòu)的形變?？紤]到鋁合金在結(jié)構(gòu)輕量化方面的突出優(yōu)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(jìn)行研究,具有重要的應(yīng)用價(jià)值,將有助于輕量化結(jié)構(gòu)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(xué)傳感器等都無法對背面筋板位置進(jìn)行檢測。而傳統(tǒng)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(huán)境電磁場影響大,也無法進(jìn)行有效的檢測。本文使用渦電流穿透導(dǎo)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(yīng)影響,渦流難穿透較厚的金屬板材[12],到達(dá)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(hào)進(jìn)行處理是成功檢測的關(guān)鍵。

線圈各項(xiàng)參數(shù)如內(nèi)徑、外徑、厚度、形狀對靈敏度、提離效應(yīng)、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(chǔ),Dodd C V等人給出了線圈在復(fù)合導(dǎo)體板材上電渦流分布的解析解、提供了更便捷的計(jì)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(jìn)行仿真分析,叢理論公式驗(yàn)證了仿真軟件的可靠性[18-20]。

本文分析了線圈參數(shù)對檢測的影響,使用MATLAB計(jì)算線圈產(chǎn)生磁場延軸向強(qiáng)度的變化,搭配有限元軟件COMSOL仿真不同頻率下待測試件內(nèi)感生的渦電流密度及磁通模密度分布情況,發(fā)現(xiàn)頻率在500赫茲時(shí)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(jìn)行檢測,最終檢測波形與預(yù)期結(jié)果相吻合。本文面向?qū)嶋H工程應(yīng)用背景,拓展傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)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(huì)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(shí)線圈信號(hào)會(huì)產(chǎn)生變化,通過分析信號(hào)的變化規(guī)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(fù)產(chǎn)生渦流、提取信號(hào)、抗干擾三項(xiàng)主要任務(wù)。若要在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)背面筋板實(shí)時(shí)檢測,相較于絕對式與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

兩線圈通以正弦激勵(lì)信號(hào),設(shè)兩線圈于掃查過程中感應(yīng)電壓差為ΔV,由于待測因素(背面筋板)所造成的線圈感應(yīng)電壓變化量ΔV與線圈本身的感應(yīng)電壓相比要小的多,一般需將ΔV放大。若將兩者同時(shí)輸入放大器,易受運(yùn)放動(dòng)態(tài)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(hào)差(C、D兩點(diǎn)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(shí)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(hào)。掃查過程及預(yù)期信號(hào)變化情形如圖3所示。當(dāng)B線圈掃查過背面筋板時(shí),阻抗增加,信號(hào)減弱,ΔV增加。兩線圈持續(xù)移動(dòng),此時(shí)A線圈因接近筋板,阻抗也開始增加;同時(shí)B線圈因遠(yuǎn)離筋板,阻抗減少,綜合影響下ΔV降低。當(dāng)兩線圈正好以筋板中心為對稱軸時(shí),兩線圈阻抗相同,此時(shí)ΔV應(yīng)為零。兩線圈遠(yuǎn)離筋板時(shí),ΔV變化情況應(yīng)與接近筋板時(shí)相同。需注意由于ΔV為兩線圈信號(hào)差動(dòng)結(jié)果,過程中ΔV會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

圖3 預(yù)期掃查結(jié)果圖

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用ADuC812單片機(jī)產(chǎn)生頻率控制字,控制AD9854芯片產(chǎn)生正弦交流信號(hào)并施加于探頭線圈,線圈周圍產(chǎn)生交變磁場,待檢鋁板隨即感生渦流信號(hào)并產(chǎn)生反作用磁場使得線圈阻抗發(fā)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(tǒng)如圖5所示。

AD9854輸出的正弦信號(hào)經(jīng)功放后通入電橋兩臂,激勵(lì)檢測線圈。線圈掃查經(jīng)過背面筋板時(shí),兩線圈間電壓差ΔV產(chǎn)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(dǎo)體影響其本身阻抗的情況下,ΔV也不會(huì)為零,亦即電橋不會(huì)處于平衡狀態(tài),因?yàn)閮删€圈的阻抗值很難完全相同,此時(shí)電橋會(huì)輸出一固定信號(hào),此固定的不平衡信號(hào)約為幾毫伏至幾十毫伏,甚至?xí)笥诖郎y因素所產(chǎn)生的信號(hào)。利用AD9854產(chǎn)生的四路信號(hào),搭配乘法器、加法器產(chǎn)生一幅值、頻率、相位皆與此不平衡信號(hào)相同的平衡信號(hào),再與此不平衡信號(hào)進(jìn)行相減消除,進(jìn)而保證檢測準(zhǔn)確度。

ΔV經(jīng)帶通濾波、增益后,以乘法器和低通濾波器為核心,進(jìn)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(hào)在兩相互正交信號(hào)上的投影,經(jīng)處理可得待檢信號(hào)的幅值和相位。

圖4 檢測電路示意圖

圖5 整體檢測系統(tǒng)示意圖

2 檢測參數(shù)優(yōu)化

2.1 探頭線圈設(shè)計(jì)

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(nèi)外徑、線徑、厚度等參數(shù)都會(huì)影響線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度,下面分析不同尺寸線圈通以相同電流時(shí)沿軸線方向上的磁場強(qiáng)度變化。欲使渦流能有較強(qiáng)的穿透能力,應(yīng)使載流線圈產(chǎn)生的軸向磁場強(qiáng)度大且沿軸向遠(yuǎn)離線圈端面時(shí)衰減率要小。N匝線圈產(chǎn)生的磁場可看成是許多單匝載流圓形線圈所產(chǎn)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(dāng)線圈通以電流I時(shí)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(dòng)點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為

(3)

此時(shí)N匝載流線圈在P點(diǎn)處產(chǎn)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(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)為一峰峰值3 V,頻率可調(diào)的正弦信號(hào),此信號(hào)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(gè)影響參數(shù),從理論上說,線圈內(nèi)外徑差值越小、匝數(shù)越多、通過電流越大、厚度越薄,能產(chǎn)生的磁場越強(qiáng),但實(shí)際繞制線圈時(shí)無法兼顧上述所有影響因子,譬如若想在厚度減小、線圈內(nèi)外徑差值不變的情況下維持相同匝數(shù),只能減小線徑,但會(huì)導(dǎo)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(xiàng)參數(shù)。圖7 繪出感應(yīng)磁場隨z值(距線圈端面)變化趨勢,可看出線圈1產(chǎn)生的感應(yīng)磁場最強(qiáng),因此選用線圈1 作為檢測探頭。

表1 線圈參數(shù)

圖7 磁場隨Z變化曲線

2.2 渦流穿透鋁板仿真

實(shí)際測量線圈電阻約為31 Ω,在COMSOL設(shè)定好線圈匝數(shù)、線徑、體積等各項(xiàng)參數(shù)后,仿真顯示在 500 Hz 交流信號(hào)下,線圈電阻為30.925 Ω,表明仿真結(jié)果符合實(shí)際情況。接著仿真兩線圈位于筋板正上方時(shí),分別通以不同頻率正弦激勵(lì)信號(hào)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(zhì)為銅,其余各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

圖8 不同激勵(lì)頻率下電流密度模、磁通密度模分布

材料相對磁導(dǎo)率電導(dǎo)率/(S/m)相對介電常數(shù)空氣111.000 585鋁13.774E71銅導(dǎo)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(qiáng),大約在500 Hz左右達(dá)到最強(qiáng),之后便開始減弱。一般來說,頻率越低,渦流穿透能力越強(qiáng),但考慮到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用時(shí)須搭配高速掃查,若檢測頻率太低,筋板信號(hào)的包絡(luò)曲線就不明顯,綜合考慮下,將檢測頻率設(shè)定在500 Hz。

3 檢測試驗(yàn)與結(jié)果分析

以頻率500 Hz進(jìn)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(biāo)位置定為0,向右為正,向左為負(fù),比較掃查結(jié)果曲線與探頭實(shí)際位置,即可推算出筋板中心位置。分別設(shè)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(hào)在兩相互正交信號(hào)上的投影,需將兩路信號(hào)先取平方和后再開方根,最終數(shù)據(jù)全為正值。圖10(a)、10(b)分別為在500 Hz下步進(jìn)長度分別為0.96 mm、0.48 mm的掃查結(jié)果,實(shí)際筋板中心位置在0 mm處。按理說當(dāng)線圈完成平衡后,探頭在鋁板兩端(背面無筋板處)測得信號(hào)應(yīng)相同,但圖中波形并不完全對稱,此為提離效應(yīng)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(jié)果

本文提出兩種方式判別筋板中心位置:

方法1:當(dāng)兩線圈以筋板中心為對稱軸位于筋板正上方時(shí),兩線圈電壓差理論值應(yīng)為零,依此推斷兩波峰間會(huì)有一信號(hào)最低點(diǎn),此處即為筋板中心。

方法2:讀取兩波峰位置,計(jì)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(diǎn),比較探頭實(shí)際位置,誤差皆小于電機(jī)步進(jìn)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(jì)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(jìn)長度,皆能判別出筋板中心。

從第3節(jié)分析可知,在500 Hz的激勵(lì)頻率下,到達(dá)背板的渦流信號(hào)已微弱許多,若要檢測更厚金屬板材的T型接頭,可通過調(diào)整增益、搭配更高品質(zhì)因子的濾波系統(tǒng)來獲得改善?？傮w來說,以渦流檢測金屬T型接頭背板位置的方式準(zhǔn)確度高,且拓展了傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)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(yōu)化的線圈參數(shù)和檢測頻率。對蓋板厚度3 mm的鋁合金T型接頭檢測結(jié)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(yè)上對深熔焊的精度要求。未來若應(yīng)用在高速焊接領(lǐng)域,需要進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)掃查速度對位置檢測精度的影響。