鋁合金熔焊縫表面缺陷陣列渦流檢測的仿真和試驗

李來平 ，彭明峰 ，周建平，宋 凱

(1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.南昌航空大學，南昌 330063)

鋁合金熔焊縫表面缺陷陣列渦流檢測的仿真和試驗

李來平1，彭明峰1，周建平1，宋 凱2

(1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.南昌航空大學，南昌 330063)

分析了鋁合金熔焊縫的特點，通過仿真和試驗分析了鋁合金熔焊縫不同區(qū)域?qū)﹄妼实挠绊?，以及焊縫表面形狀對渦流檢測信號的影響。結(jié)果表明，采用陣列渦流檢測方法可以檢測出鋁合金熔焊縫表面尺寸為3.0 mm×0.2 mm×0.3 mm的人工槽缺陷。

鋁合金；熔焊縫；表面缺陷；陣列渦流檢測

運載火箭的貯箱廣泛采用鋁合金熔化焊結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。目前，運載火箭貯箱鋁合金熔化焊焊縫經(jīng)過補焊后，需要對補焊部位進行著色滲透檢測，以檢出焊縫表面是否存在超標的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷[2]。著色滲透檢測方法只能檢測表面開口缺陷，而且殘留在焊縫中的滲透劑會影響焊縫補焊質(zhì)量。渦流檢測(Eddy Current Testing，ECT)利用電磁感應原理檢測試件表面和近表面缺陷，具有非接觸、無需耦合、易于實現(xiàn)自動化檢測、對環(huán)境無污染等優(yōu)點[3]。陣列渦流檢測(Eddy Current Array Testing，ECAT)采用陣列式傳感器和電子切換代替機械式探頭掃描，能實現(xiàn)大面積的高速測量，且能夠達到與單個傳感器相同的測量精度和分辨率，大大提高了系統(tǒng)的檢測速度、精度和可靠性[4]。文獻[5]采用非線性特征分析的方法對良好、含有密集氣孔和未焊透三種不同狀態(tài)焊縫的渦流電磁信號特性進行了分析。文獻[6]建立了帶表面裂紋熔焊構(gòu)件的三維有限元模型，仿真分析了陣列渦流探頭掃查不同位置表面橫向裂紋線圈的輸出特征。

筆者通過仿真和試驗，分析了鋁合金熔焊縫不同區(qū)域?qū)﹄妼实挠绊?，以及焊縫表面形狀對渦流檢測結(jié)果的影響，采用陣列渦流檢測方法檢測了鋁合金焊縫表面人工缺陷。

1 鋁合金熔焊縫電導率非均勻特性的陣列渦流檢測仿真

1.1 焊縫區(qū)域的電導率檢測與組織分析

渦流電導率檢測是采用阻抗變化及阻抗相位變化來分析焊縫的方法，其根據(jù)渦流電導率在焊縫周圍的分布特點來分析焊縫的質(zhì)量。在熔化焊接過程中，由于高溫等因素的影響，焊縫各區(qū)域組織會發(fā)生變化，不同的焊縫組織會有不同的電導率。渦流檢測時，在其他條件相同的情況下，材料電導率畸變會影響導體內(nèi)部感應渦流的分布及有效滲透深度，從而使得線圈的感應信號也發(fā)生改變。

采用英國Hocking公司的Auto Sigma 3000 DL型電導率測量儀測量焊縫各區(qū)域的電導率，電導儀檢測頻率為60 kHz，檢測探頭直徑為12.7 mm。垂直于焊縫中軸線逐點采集各標定點的電導率，并繪制電導率曲線如圖1所示，可以看出焊縫各區(qū)域電導率關(guān)于焊縫中心對稱，并呈V型分布，母材區(qū)域電導率變化約0.464 MS·m-1，熱影響區(qū)越靠近焊核部分的電導率越小，變化約1.856 MS·m-1，焊核區(qū)域電導率變化約0.29 MS·m-1。鋁合金熔焊縫微觀組織如圖2所示，可以看出從焊縫中心向外，包括焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材。鋁合金母材為板條狀組織，化合物破碎沿軋制方向成行排列，晶粒沿軋制方向的尺寸大于垂直于軋制方向的尺寸；熱影響區(qū)顯微組織為柱狀組織；熔合區(qū)的顯微組織為柱狀樹枝晶和胞狀樹枝晶，樹枝晶垂直于熔合線，并向焊縫中心發(fā)展，形成鑄造組織。

圖1 焊縫電導率測量曲線

圖2 鋁合金熔焊縫微觀組織

從圖1和圖2可以看出，鋁合金熔焊縫的電導率與焊縫區(qū)域的組織存在如下對應關(guān)系：母材區(qū)域為板條狀組織，電導率較大；熱影響區(qū)受熱循環(huán)影響，晶粒增加，電導率減小；焊縫區(qū)域受到強烈的焊接熱作用，發(fā)生再結(jié)晶反應，晶粒粗大，使得電導率降到最低。如果忽略測量誤差及工件本身材料等因素影響，可以近似認為母材區(qū)域及焊縫區(qū)域電導率相對于熱影響區(qū)是均勻的，母材區(qū)域電導率為19.43 MS·m-1。

1.2 裂紋掃查仿真模型

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。裂紋掃查模型示意如圖3所示，待檢熔焊構(gòu)件為一電導率不均勻的非磁性介質(zhì)，相對磁導率μr=1，電導率為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，裂紋使用矩形槽表征。一個由多個內(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，每個線圈底面中心與焊縫表面之間的距離均為l0。

圖3 裂紋掃查仿真模型示意

由于焊接時的高溫影響，構(gòu)件的電導率會產(chǎn)生變化，因此可以將圖1所示的焊縫區(qū)域的電導率在模型中對應設(shè)置，以模擬焊縫區(qū)域電導率的非均勻特性。

在建立三維實體模型之后必須對其進行離散化，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4所示為鋁合金焊縫裂紋ECAT線圈和導體局部區(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、感應電流的分布及感應線圈的電壓等參量。

圖4 導體和線圈局部區(qū)域的網(wǎng)格劃分

1.3 仿真結(jié)果及分析

為研究鋁合金焊縫區(qū)域電導率非均勻特性對檢測線圈感應信號的影響規(guī)律，設(shè)計了焊縫正上方橫向裂紋，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。將r1為0.4mm、r2為1mm、h為1mm、n為100的線圈置于長l1為40mm、寬w1為60mm、厚度d1為4.36mm的帶有寬w2為9mm、余高d2為0.66mm焊縫的鋁合金焊縫試塊上進行裂紋檢測，提離l0為0.5mm，線圈工作頻率f為500kHz。

圖5 3種不同裂紋長度下線圈感應電動勢與材料電導率的關(guān)系

圖5為3種不同裂紋長度下材料電導率變化對線圈感應電動勢和電動勢變化量的影響，由于：

(1)

式中：Enonu為材料焊縫區(qū)域設(shè)置了非均勻電導率的線圈感應電壓；Eu為材料焊縫區(qū)域設(shè)置了母材均勻電導率的線圈感應電壓;ΔE為線圈感應電壓變化量。

對比圖5(a)與(b)中變化曲線的峰值可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋長度為1.6，3.0，4.5 mm時， 焊縫區(qū)域非均勻電導率的影響所占比例分別為24.0%，11.5%，10.6%，這說明當裂紋長度分別為1.6，3.0，4.5 mm時，焊接所引起的5A06鋁合金材料電導率的減小對線圈輸出信號的影響較小，并且進一步說明焊縫區(qū)域的電導率非均勻特性對檢測結(jié)果的擾動影響并不大，不影響陣列渦流成像的缺陷檢測效果。

2 試驗方法

試驗采用加拿大Eddyfi公司Ectane-E64型渦流陣列檢測儀和柔性渦流陣列探頭對焊縫表面人工缺陷進行渦流陣列檢測。渦流陣列檢測儀采用多路復用技術(shù)，在激勵和檢測調(diào)制電路與陣列傳感器中增添了多路電子快速切換開關(guān)，因此在某一時刻只有一個線圈單元作為激勵，這樣可以減小激勵線圈產(chǎn)生的激勵磁場與檢測線圈產(chǎn)生的感應磁場之間的干擾。采用柔性陣列探頭可以最大限度地緊貼被檢焊縫表面，盡可能消除提離效應。柔性渦流陣列探頭實物如圖6所示，柔性渦流陣列探頭參數(shù)為：線圈雙排30°角排列，探頭中心頻率450 kHz，頻率范圍100～800 kHz，線圈數(shù)量32個。在軟件方面，利用C掃描視圖對缺陷實時成像，不僅可以快速有效地檢測缺陷，而且便于觀察，提高了檢測的可靠性和檢出率。此外該設(shè)備還可在同一分析模式下進行數(shù)據(jù)選擇，可在阻抗圖和帶狀圖中瀏覽信號，在大尺寸阻抗平面圖和帶狀視圖中，與常規(guī)單通道渦流檢測相適應。

圖6 柔性渦流陣列探頭外觀

針對圖7所示的人工槽缺陷進行渦流陣列檢測，渦流陣列探頭掃查方向沿著焊縫方向。提取陣列渦流儀各通道數(shù)據(jù)，利用MATLAB對各通道數(shù)據(jù)進行圖像合成，缺陷檢測信號的幅值和相位分別為7.81 V和190°。圖8為陣列渦流成像檢測結(jié)果，從圖8能看出，C掃描成像圖在無缺陷處顏色總體呈現(xiàn)為綠色，人工槽缺陷位置呈現(xiàn)黃色，可以明顯顯示出缺陷。

3 結(jié)論

針對鋁合金熔焊縫表面缺陷的渦流檢測，分析了焊縫不同區(qū)域組織對電導率的影響、焊縫形狀對渦流檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明：焊縫中心的電導率低于母材和熱影響區(qū)；隨著焊縫表面曲率不斷增加，感應電動勢增加；采用渦流檢測方法可以檢出尺寸為(長×寬×深)3.0 mm×0.2 mm×0.3 mm的人工槽缺陷。

圖7 人工槽模擬缺陷外觀

圖8 ECAT檢測結(jié)果

[1] 姚君山，周萬盛，王國慶. 航天貯箱結(jié)構(gòu)材料及其焊接技術(shù)的發(fā)展[J]. 航天制造技術(shù)，2002(5)：17-22.

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[5] 高鵬，王超，支亞，等.鋁合金焊縫電渦流磁場信號的非線性特征提取及分類方法研究[J].物理學報，2014，63(13)：1-7.

[6] 謝建紅，李來平，危荃，等.鋁合金焊縫裂紋的陣列渦流檢測仿真研究[J].2015,10(6)：350-354.

Simulation and Experiment of Eddy Array Current Testing of Aluminum Alloy Fusion Welding Surface Defect

LI Lai-ping1, PENG Ming-feng1, ZHOU Jian-ping1, SONG Kai2

(1.Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China; 2.Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

It is necessary to test surface defect for the aluminum alloy fusion welding of launch vehicle tank by the liquid penetrant method each time after the welding has been repaired. The characteristics of aluminum alloy fusion welding，the influence of different welding zone on electric conductivity and influence of different shape on eddy current testing signal are analyzed and studied. The result shows that the 3.0 mm×0.2 mm×0.3 mm artificial defect of welding surface can be tested by array eddy current testing method.

Aluminum alloy; Fusion welding; Surface defect; Eddy current array testing

2016-07-20

李來平(1974-)，男，研究員，博士，主要從事航天產(chǎn)品無損檢測技術(shù)研究和服務(wù)工作。

李來平，E-mail: llp117@126.com。

10.11973/wsjc201703013

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0051-04