基于渦流鎖相熱成像的剎車片內部氣泡檢測

周星濤,侯德鑫,葉樹亮

(中國計量學院 工業(yè)與商貿計量技術研究所,浙江 杭州 310018)

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基于渦流鎖相熱成像的剎車片內部氣泡檢測

周星濤,侯德鑫,葉樹亮

(中國計量學院 工業(yè)與商貿計量技術研究所,浙江 杭州 310018)

剎車片是汽車必不可少的制動部件,其內部氣泡嚴重影響行車安全。傳統(tǒng)敲擊聽聲檢測方法主觀性強,檢測效率低,難以滿足準確高效的檢測需求?；跍u流鎖相熱成像具有非接觸、大面積檢測的特點,將其應用于少金屬摩擦材料汽車剎車片的內部氣泡檢測。采用有限元仿真探索了剎車片結構和內部氣泡對相位的影響,并以背鋼處相位為參考,分離出氣泡存在。對剎車片試樣進行檢測,并采用水切割觀察剖面的方法驗證結果。實驗表明渦流鎖相熱成像檢測方法能有效檢測少金屬摩擦材料汽車剎車片的內部氣泡。

剎車片；氣泡檢測；渦流鎖相熱成像

1 引 言

剎車片是一種與行車安全緊密相關的制動部件,隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車剎車片的產量日益增大。摩擦材料作為剎車片的功能材料,其在生產中,由于原材料水分或揮發(fā)物超標,經(jīng)過熱壓后,容易在剎車片內部形成氣泡[1]。內部氣泡會造成大面積摩擦材料脫落,從而影響制動效果,極大威脅行車安全。現(xiàn)有的敲擊聽聲檢測方法嚴重依賴人員狀態(tài),檢測效率低,難以滿足準確高效的檢測需求,有必要研究一種新型自動化的檢測方法替代傳統(tǒng)人工方法。

渦流熱成像是主動熱成像檢測方法的重要分支,能夠實現(xiàn)非接觸、大面積的檢測[2]。根據(jù)激勵信號的形式可分為渦流脈沖熱成像和渦流鎖相熱成像,其中渦流脈沖熱成像主要機理是缺陷擾動渦流分布,常用于金屬表面裂紋的檢測,而對于分層和氣泡等內部缺陷,常使用渦流鎖相熱成像[3]。德國斯圖加特大學G.Busse利用渦流鎖相熱成像對一些金屬材料的缺陷進行了檢測[4]。北京航空航天大學郭興旺對復合材料蜂窩結構進行了探索[5]。現(xiàn)有研究從均質的金屬拓展到了各向異性的復合材料[6-9],影響缺陷檢測的因素主要是材質,而少金屬摩擦材料汽車剎車片結構復雜,摩擦材料層存在倒角、背鋼存在孔,材質和結構同時干擾缺陷的檢測,此類問題鮮有報道。

文中將渦流鎖相熱成像檢測方法應用于少金屬摩擦材料汽車剎車片的內部氣泡檢測。運用有限元仿真分析了有無氣泡情況下剎車片內部的熱傳遞過程,了解氣泡和結構引起相位變化的基本規(guī)律,建立渦流鎖相熱成像檢測系統(tǒng)對剎車片進行實驗,通過數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)了少金屬摩擦材料汽車剎車片內部氣泡的檢測。

2 檢測原理

2.1 剎車片及氣泡缺陷介紹

剎車片存在多層結構,如圖1所示,主要有摩擦材料層、底料層、背鋼和消音片。圖1(a)為剎車片整體實物圖,可看出摩擦材料層兩側存在較大區(qū)域的倒角,背鋼的邊緣超出摩擦材料層；圖1(b)為沿圖1(a)點劃線A-A切割后的剖面,可看出底料層厚度不均,背鋼存在兩個孔；圖1(c)為圖1(b)中標注框B的放大圖,可看到明顯的氣泡缺陷。

圖1 剎車片實物

2.2 檢測系統(tǒng)結構

根據(jù)剎車片的結構特點,設計了透射式成像系統(tǒng),如圖2所示,感應加熱器與熱像儀位于剎車片的兩側。感應加熱器產生一個高頻的交流信號,經(jīng)過低頻方波信號的調制后,形成激勵信號對背鋼施加方波形式的周期激勵,背鋼的趨膚深度淺,其表面溫度快速升高,形成與激勵同頻的熱波,熱量以熱波的形式傳向另一側的摩擦材料。熱波的幅值和相位與材料性質有關,當摩擦材料內部存在氣泡時,由于氣泡導熱能力相對摩擦材料更差,熱波的傳導相對其他區(qū)域阻礙嚴重,使得氣泡對應表面的熱波幅值偏小,相位滯后。使用熱像儀采集摩擦材料表面的溫度數(shù)據(jù),計算幅值和相位,氣泡對應區(qū)域幅值和相位不同于其他區(qū)域。

圖2 渦流鎖相熱成像系統(tǒng)結構

2.3 仿真分析

剎車片存在多層結構,這些結構的不規(guī)則,使得剎車片的傳熱過程無法使用簡單的一維模型來解釋,以剎車片實物為依據(jù),建立了尺寸接近真實的三維模型,由于底料層的影響不確定,模型簡化為兩層材質的模型。

如圖3所示,模型由兩部分構成,上面為摩擦材料層,下面為背鋼,總厚度為17 mm。仿真使用的參數(shù)如表1所示。

圖3 仿真模型

表1 材料熱物理參數(shù)

參數(shù)鋼摩擦材料比熱容/(J/·kg-1·K-1)4401369密度/(kg·m-3)78701900導熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)76.25

由于趨膚深度的影響,對剎車片施加周期性熱激勵時,直接熱源只有距背鋼表面幾十到幾百微米的區(qū)域,其他區(qū)域熱量由熱傳導得到,加熱效果可以等效于方波形式的熱通量。在背鋼的下表面以熱通量形式加載方波,方波的頻率為0.005 Hz,占空比為50%,幅值為5000 W/m2,其他表面設置為絕熱條件,環(huán)境溫度為20 ℃,求解10個周期的結果。

無氣泡剎車片相位如圖4所示,剎車片摩擦材料層倒角區(qū)域對應的左右兩側和背鋼超出摩擦材料層區(qū)域對應的上側相位值偏大,背鋼兩個孔對應的相位值偏小。結構規(guī)則的均勻介質在無缺陷時,各區(qū)域的相位相同,而剎車片在無缺陷時,受結構影響,各區(qū)域相位并不同,常規(guī)的相位異常不能作為剎車片氣泡存在的判斷依據(jù)。

圖4 無氣泡剎車片相位

氣泡如圖5所示,位于摩擦材料層內部距上表面1.5 mm,其尺寸為15 mm×15 mm×0.5 mm。按之前條件重復仿真,數(shù)據(jù)處理得到相位圖。

圖5 氣泡位置

有氣泡剎車片相位如圖6所示,氣泡區(qū)域對應的相位值偏小,與右側孔引起的相位偏小區(qū)域存在交叉,不能區(qū)分。依靠相位圖左右對稱性,可以大致判斷氣泡區(qū)域,但不知道氣泡的尺寸大小,為對氣泡缺陷有更清晰的了解,有必要將氣泡分離出來。忽略剎車片加工的尺寸誤差,則剎車片結構引起的相位改變應相近,將剎車片有氣泡和無氣泡的相位值相減,能減小結構帶來的相位影響,其結果如圖7所示。右側孔的干擾很好的減小,能說明氣泡存在。

圖6 有氣泡剎車片相位

圖7 有無氣泡剎車片相位差值

3 實驗

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖8所示,主要包括感應加熱器、控制電路、熱像儀、電腦。感應加熱器功率可調,最大功率達到5 kW?？刂齐娐酚糜谡{節(jié)加熱的頻率,熱像儀用于剎車片表面溫度的采集,實驗使用大立DM60S型紅外熱像儀,其像素為320×240、熱靈敏度<0.06 ℃、測溫范圍為-20～500 ℃,幀頻為50 Hz。

圖8 實驗裝置

實驗時的工況如圖9所示,激勵線圈位于剎車片背鋼側,為保證激勵均勻,線圈尺寸繞制得與剎車片相近,調整剎車片相對線圈的位置,以實際加熱效果為準使剎車片整體激勵基本均勻。為減小鐵質夾持裝置對剎車片傳熱的影響,兩者之間放置了傳熱能力相對差的硬紙板。熱像儀放置于剎車片的摩擦材料層一側。

圖9 剎車片與激勵線圈位置關系

3.2 實驗結果及分析

選取5塊經(jīng)過熟練工人判斷氣泡狀況的剎車片,分別編號1～5。其中2、4號有氣泡,1、3、5號無氣泡。由于摩擦材料導熱能力較弱,實驗時采用0.005 Hz的激勵頻率,記錄10個周期的數(shù)據(jù),并進行傅里葉變換計算相位值。將5塊剎車片相位以各自背鋼為參考,平移到相同基準下,其等值線圖如圖10所示。剎車片相位的邊緣值都較大,而中間存在兩個相位的極小值,這與之前仿真結果吻合。其中1號和5號剎車片相位圖較對稱,而2～4號剎車片相位圖對稱性都較差,說明依靠相位圖左右的對稱性,不能正確判斷氣泡的存在,這是因為不同于仿真時的理想情況,實際中底料層厚度不均,摩擦材料均勻性也無法保證,這些都會引起相位的改變。

圖10 相位等值線圖

選取無氣泡且相位圖分布較對稱的1號剎車片為參考,將其他剎車片相位減去1號的相位,得到結構影響減小的相位圖等值線圖。氣泡導致相位值偏小,如圖11所示,可發(fā)現(xiàn)1號和3號剎車片標注區(qū)域明顯相位值偏小,根據(jù)實際觀察,氣泡尺寸一般達到一定規(guī)模,2和4號剎車片雖存在相位值偏小區(qū)域,但均處于剎車片邊緣且尺寸較小,這主要由數(shù)據(jù)處理誤差導致,而非氣泡引起的相位偏小。

圖11 減小結構影響后相位等值線圖

剎車片實驗結果與工人判斷結果一致,為進一步驗證實驗結果的正確性,對有氣泡剎車片進行水切割,觀察剖面形態(tài)。切割示意如圖12所示。

圖12 水切割位置

水切割的原則是盡量多的穿過相位值偏小區(qū)域,驗證氣泡位置,根據(jù)2和4號的相位等值線圖斜向切割穿過大部分相位偏小區(qū)域,切割后的剖面如圖13所示。2號和4號剎車片距上表面4 mm以內能明顯看到橫向擴展大半個剎車片的氣泡,且氣泡距表面深度變化規(guī)律與相位等值線圖相符。

圖13 切割剖面

4 結 論

本文闡述了渦流鎖相熱成像相關機理,仿真分析了剎車片內部氣泡與結構對相位的影響,建立渦流鎖相熱成像檢測系統(tǒng)對剎車片進行檢測,得到以下結論:

(1)剎車片結構復雜,仿真表明剎車片摩擦材料層倒角區(qū)域和背鋼超出摩擦材料層區(qū)域對應的相位值偏大,背鋼兩個孔對應的相位值偏小。這對氣泡檢測帶來干擾,依靠相位圖左右的對稱性,不能很好的判斷氣泡是否存在。

(2)氣泡引起相位偏小,選取相位圖較對稱的剎車片為參考,通過相位平移做差可以有效減小結構對相位的影響,檢測到氣泡存在。

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Detection of air bubble in brake blocks based on eddy current lock-in thermography

ZHOU Xing-tao,HOU De-xin,YE Shu-liang

(Institute of Industry and Trade Measurement Technique,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Brake block is an essential part of auto brake parts,and its inner air bubbles seriously affect driving safety.Traditional sound detection method has strong subjectivity,low efficiency,difficult to meet the accurate and high efficient detection requirements.The detection method based on eddy current lock-in thermography is applied to detect air bubble in less metal friction material brake blocks as it has the characteristics of the non-contact and large area inspection.In order to investigate the effect of structure and inner air bubble on phase,finite element method is adopted.Taking back side steel phase as a reference,the air bubbles were separated.The brake block was tested,and the same defect also can be seen after water cutting.Experiment results show that eddy current lock-in thermography detection method can effectively detect air bubbles in less metal friction material brake blocks.

brake blocks；air bubble detect；eddy current lock-in thermography

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(No.2013YQ470767)資助。

周星濤(1991-)，男，碩士研究生，主要從事工業(yè)零部件紅外無損檢測方面的研究。E-mail:moonstaring@163.com

2014-10-22;

2014-11-24

1001-5078(2015)07-0800-05

TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.014