铝合金薄板不同走向焊缝缺陷的脉冲涡流热成像检测

杨泽明1，邱 巧， 边 毅1，彭 瑾1，伍剑波

(1.中航成飞民用飞机有限责任公司，成都 610091；2.四川大学 制造科学与工程学院, 成都 610065)

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW) 是1991年英国焊接研究提出的一种固态连接方法，具有焊接操作简单，焊件力学性能好等优点，在低熔点材料特别是铝合金结构的高质高效连接方面具有独特优势，因而在航空航天、轨道列车、汽车工业等领域具有广阔的应用前景[1-3]。然而，铝合金较活泼，表面易氧化，线膨胀系数大，不合理的工艺参数仍会导致各类缺陷的产生，因此如何有效地检测并区分这些缺陷，对铝合金搅拌摩擦焊的工业应用有重要的作用[4-5]。铝合金薄板搅拌摩擦焊缝缺陷形式多样，如何有效快速地对缺陷进行检测并实现缺陷的可视化成像是目前铝合金薄板搅拌摩擦焊缝检测的研究难点。

目前，焊缝非破坏性检测方法主要有超声波检测和射线检测方法等[6-7]。超声波检测方法利用超声波对工件进行激励，通过观察超声波在工件中的波形、回波、声速、衰减和共振等参数的变化来判断工件内部是否存在缺陷。然而，超声检测需要使用耦合剂，对表面缺陷和过渡性缺陷不敏感，缺陷方向也会影响检测灵敏度。而传统数字射线检测方法的操作安全性和检测效率均存在不足，尤其是数字射线检测对裂纹和侧壁未融合缺陷的检出率低。在实际操作过程中，经过数字射线和超声波方法进行焊缝检测的航空零部件也经常出现漏检的情况。因此，寻找并开展新的焊缝缺陷的无损检测方法研究，并进行人工智能识别与量化，是目前保证航空焊接零部件品质的重要任务。

涡流热成像检测是一种电、磁、热多物理场的检测方法，近年来逐渐应用于金属构件的缺陷检测中。与电磁检测方法相比，涡流热成像方法集成了电、磁、热等多种物理场效应，可实现从不同信息来源获得更多的缺陷信息，如缺陷区域的电导率、磁导率、传热系数等[8-12]。另外涡流热成像可直接实现缺陷的可视化成像，可提高检测效率与精度。笔者主要针对铝合金薄板的不同走向焊缝缺陷，开展涡流热成像检测方法试验研究，建立铝合金薄板不同角度缺陷处的最大温差变化规律曲线。通过提取检测信号幅值和能量特征，实现对不同角度焊缝缺陷的识别，并得到缺陷的角度、电流大小以及激励时间对检测效果的影响。

图1 涡流热成像检测原理示意

1 涡流热成像检测原理

涡流热成像检测原理示意如图1所示，将通有高频电流的激励线圈靠近试件，线圈产生的交变磁场会在试件中感应出涡流;如果存在缺陷，电涡流分布将发生变化，并因焦耳热效应在试件表面形成畸变温度场。根据焦耳定律，传导路径畸变的动生涡流会产生不均匀的热量分布，进而在铝合金表面形成温度差异分布，利用红外相机记录铝合金表面温度分布差异即可实现对缺陷的非接触快速检测。

1.1 涡流激励下试件表面的生热机理

根据Maxwell方程组，可推导出涡流场的控制方程,如式(1)所示。

(1)

式中：μ为被测材料的磁导率；ε为介电常数；σ为电导率；A为矢量磁势；Js为外部电流密度。

涡流在试件表面聚集，其密度随着深度按指数规律衰减，这一现象称为趋肤效应。涡流透入的深度称为趋肤深度，趋肤深度δ与激励电流频率f和材料属性有关，可用式(2)表示。

(2)

由焦耳定律可知，试件中产生的涡流会在材料内部由电能转化为热量,产生的热量可用式(3)表示

(3)

式中：Q1为产生的热量；E为电场密度。

1.2 缺陷处热流的传导机理

铝合金薄板的相对磁导率较小，电导率较大，其集肤深度很小，当激励频率为249 kHz时，约为0.16 mm(与铝合金板块厚度7.18 mm相差很大)，因此铝合金材料的热激励可以视为从工件表面进行加热。当缺陷体积深度比大于2时，横向热传递导致的“模糊效应”对纵向热传递的影响较小，可以忽略不计，从而其热传导微分方程可简化为一维模型，如式(4)所示。

(4)

式中：T为温度；x为横坐标；t为时间；α为热扩散率。

PARKER等[13]通过简化CARSLAW和JAEGER[14]提出的一维解析模型,得到反射模式下无缺陷区域的温度变化,如式(5)所示。

(5)

式中：Q为表面施加的热量；L为试件的厚度；ρ,Cp分别为材料的密度和热容量。

缺陷区域的温度变化可用式(6)表示。

(6)

式中：Lr为缺陷区域的剩余厚度，小于试件的整体厚度L。

式(5),(6)说明缺陷区域的温度变化和无缺陷处的温度变化与表面施加的热量成正比，与剩余厚度成反比，即在相同热量的情况下，缺陷区域边沿的温度会高于无缺陷区域的温度。因此，缺陷区域在热图像上会显示出畸变热分布。

2 热成像试验

为了验证涡流热成像检测方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝缺陷的检测效果，建立如图2所示的涡流热成像检测试验系统。试验系统由涡流热激励装置、红外热像仪和计算机分析软件系统等3部分组成。涡流热激励装置的激励频率为249 kHz，最大输入电流为600 A，用循环水冷却装置进行冷却。红外热像仪为美国FLIR公司生产的FLIR A655sc热像仪，该热像仪工作波段为7.5～13.5 μm，环境温度为20 ℃时，热灵敏度小于0.03 ℃，可提供640像素×120像素的图像，红外图像的最大采集频率为200 Hz。计算机软件系统为FLIR ResearchchIR Max4软件，以此进行现场处理和后期图像分析。

图2 涡流热成像检测试验系统实物

图3 铝合金搅拌摩擦焊试件

试件(见图3)由两块铝合金薄板通过搅拌摩擦焊工艺焊接而成，焊缝长250 mm，宽20 mm；焊接成长300 mm，宽170 mm，厚7.18 mm的铝合金薄板。在焊缝表面人工加工7条不同角度的裂纹(见图4)，裂纹的尺寸如表1所示(在一条焊缝上，每条焊缝缺陷之间相距36 mm)，圆圈位置即为被检裂纹所处位置。为了消除工件表面发射率的影响，在工件表面均匀喷涂了黑色油漆。

图4 不同走向焊接缺陷的标记图

焊缝缺陷长/mm宽/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

试验过程中，将矩形感应线圈的长边置于试件正上方，使线圈一直与铝合金薄板的短边(即宽20 mm 的边)平行，不同角度的焊缝缺陷与线圈的相对位置如图5所示(θ由线圈和焊缝缺陷的法向夹角决定)，加热线圈与试件表面的提离值为1.6 mm。为了避免线圈遮挡缺陷，热像仪与铝合金薄板的法线方向成25°～30°，设置采集时间为2 s。

图6展示了角度分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°的焊缝缺陷在电流为400 A、加热时间为200 ms激励下的瞬态热响应。由图6可以看出，在相同的电流强度与加热时间下，红外涡流热成像能有效检测铝合金薄板焊缝的表面缺陷，实现了对缺陷的直接可视化成像检测。另外，不同走向缺陷产生了不同的热响应，且随着角度的增加，检测效果越明显。

为了对近表面微裂纹检测效果进行量化分析，设置最大温差变化曲线为分析特征值，不同走向缺陷的提取区域设置如图7所示。

当激励时间为200 ms时，提取所有缺陷分别在300，400，500，600 A电流下的温度变化规律，如图8所示。由图8可以看出:随着缺陷角度的增加，最大温差也逐渐增大，在0°～15°间温差缓慢增加，15°～45°间温差增加剧烈，45°～90°间温差趋于稳定；同时，4条折线相互交叉，证明电流大小对于缺陷最大温差的影响不明显。

图5 不同角度的焊缝缺陷与线圈的位置关系

图6 不同角度焊缝缺陷在电流400 A、加热时间200 ms下的瞬态热响应

设置激励电流为400 A，提取0°和45°缺陷分别在200，300，400，500，600 ms激励时长下的温度变化规律，如图9所示。由图9可以看出:在0°缺陷时，最大温差稳定在0.4 ℃；在45°缺陷时，最大温差在0.7 ℃下趋于稳定。因此，加热时间对不同走向缺陷的影响不同。

图7 不同角度焊缝缺陷的温度提取区域

图8 缺陷最大温差随电流大小的变化规律

图9 缺陷最大温差随激励时长的变化规律

3 结论

(1) 涡流热成像检测方法可有效检测出铝合金薄板中的不同走向焊缝缺陷，被检试件表面温度场在裂纹处分层明显，可清晰观察。

(2) 在激励时间相同的情况下，随着缺陷角度(线圈和焊缝缺陷的法向夹角)的增加，最大温差也逐渐增大，在0°～15°间温差缓慢增加，15°～45°间温差增加剧烈，45°～90°间温差趋于稳定；同时电流大小对于缺陷最大温差的影响不明显。因此，角度在45°以上的缺陷更易检测出来。在实际检测过程中，可针对典型缺陷的走向设置相应的激励线圈方向。

(3) 在电流一定的条件下，激励时间对缺陷最大温差影响不大，趋于稳定，并且加热时间对不同走向缺陷影响不同。