基于涡流锁相热成像的刹车片内部气泡检测

周星涛,侯德鑫,叶树亮

(中国计量学院 工业与商贸计量技术研究所,浙江 杭州 310018)

·红外技术及应用·

基于涡流锁相热成像的刹车片内部气泡检测

周星涛,侯德鑫,叶树亮

(中国计量学院 工业与商贸计量技术研究所,浙江 杭州 310018)

刹车片是汽车必不可少的制动部件,其内部气泡严重影响行车安全。传统敲击听声检测方法主观性强,检测效率低,难以满足准确高效的检测需求。基于涡流锁相热成像具有非接触、大面积检测的特点,将其应用于少金属摩擦材料汽车刹车片的内部气泡检测。采用有限元仿真探索了刹车片结构和内部气泡对相位的影响,并以背钢处相位为参考,分离出气泡存在。对刹车片试样进行检测,并采用水切割观察剖面的方法验证结果。实验表明涡流锁相热成像检测方法能有效检测少金属摩擦材料汽车刹车片的内部气泡。

刹车片；气泡检测；涡流锁相热成像

1 引 言

刹车片是一种与行车安全紧密相关的制动部件,随着汽车工业的快速发展,汽车刹车片的产量日益增大。摩擦材料作为刹车片的功能材料,其在生产中,由于原材料水分或挥发物超标,经过热压后,容易在刹车片内部形成气泡[1]。内部气泡会造成大面积摩擦材料脱落,从而影响制动效果,极大威胁行车安全。现有的敲击听声检测方法严重依赖人员状态,检测效率低,难以满足准确高效的检测需求,有必要研究一种新型自动化的检测方法替代传统人工方法。

涡流热成像是主动热成像检测方法的重要分支,能够实现非接触、大面积的检测[2]。根据激励信号的形式可分为涡流脉冲热成像和涡流锁相热成像,其中涡流脉冲热成像主要机理是缺陷扰动涡流分布,常用于金属表面裂纹的检测,而对于分层和气泡等内部缺陷,常使用涡流锁相热成像[3]。德国斯图加特大学G.Busse利用涡流锁相热成像对一些金属材料的缺陷进行了检测[4]。北京航空航天大学郭兴旺对复合材料蜂窝结构进行了探索[5]。现有研究从均质的金属拓展到了各向异性的复合材料[6-9],影响缺陷检测的因素主要是材质,而少金属摩擦材料汽车刹车片结构复杂,摩擦材料层存在倒角、背钢存在孔,材质和结构同时干扰缺陷的检测,此类问题鲜有报道。

文中将涡流锁相热成像检测方法应用于少金属摩擦材料汽车刹车片的内部气泡检测。运用有限元仿真分析了有无气泡情况下刹车片内部的热传递过程,了解气泡和结构引起相位变化的基本规律,建立涡流锁相热成像检测系统对刹车片进行实验,通过数据处理,实现了少金属摩擦材料汽车刹车片内部气泡的检测。

2 检测原理

2.1 刹车片及气泡缺陷介绍

刹车片存在多层结构,如图1所示,主要有摩擦材料层、底料层、背钢和消音片。图1(a)为刹车片整体实物图,可看出摩擦材料层两侧存在较大区域的倒角,背钢的边缘超出摩擦材料层；图1(b)为沿图1(a)点划线A-A切割后的剖面,可看出底料层厚度不均,背钢存在两个孔；图1(c)为图1(b)中标注框B的放大图,可看到明显的气泡缺陷。

图1 刹车片实物

2.2 检测系统结构

根据刹车片的结构特点,设计了透射式成像系统,如图2所示,感应加热器与热像仪位于刹车片的两侧。感应加热器产生一个高频的交流信号,经过低频方波信号的调制后,形成激励信号对背钢施加方波形式的周期激励,背钢的趋肤深度浅,其表面温度快速升高,形成与激励同频的热波,热量以热波的形式传向另一侧的摩擦材料。热波的幅值和相位与材料性质有关,当摩擦材料内部存在气泡时,由于气泡导热能力相对摩擦材料更差,热波的传导相对其他区域阻碍严重,使得气泡对应表面的热波幅值偏小,相位滞后。使用热像仪采集摩擦材料表面的温度数据,计算幅值和相位,气泡对应区域幅值和相位不同于其他区域。

图2 涡流锁相热成像系统结构

2.3 仿真分析

刹车片存在多层结构,这些结构的不规则,使得刹车片的传热过程无法使用简单的一维模型来解释,以刹车片实物为依据,建立了尺寸接近真实的三维模型,由于底料层的影响不确定,模型简化为两层材质的模型。

如图3所示,模型由两部分构成,上面为摩擦材料层,下面为背钢,总厚度为17 mm。仿真使用的参数如表1所示。

图3 仿真模型

表1 材料热物理参数

参数钢摩擦材料比热容/(J/·kg-1·K-1)4401369密度/(kg·m-3)78701900导热系数/(W·m-1·K-1)76.25

由于趋肤深度的影响,对刹车片施加周期性热激励时,直接热源只有距背钢表面几十到几百微米的区域,其他区域热量由热传导得到,加热效果可以等效于方波形式的热通量。在背钢的下表面以热通量形式加载方波,方波的频率为0.005 Hz,占空比为50%,幅值为5000 W/m2,其他表面设置为绝热条件,环境温度为20 ℃,求解10个周期的结果。

无气泡刹车片相位如图4所示,刹车片摩擦材料层倒角区域对应的左右两侧和背钢超出摩擦材料层区域对应的上侧相位值偏大,背钢两个孔对应的相位值偏小。结构规则的均匀介质在无缺陷时,各区域的相位相同,而刹车片在无缺陷时,受结构影响,各区域相位并不同,常规的相位异常不能作为刹车片气泡存在的判断依据。

图4 无气泡刹车片相位

气泡如图5所示,位于摩擦材料层内部距上表面1.5 mm,其尺寸为15 mm×15 mm×0.5 mm。按之前条件重复仿真,数据处理得到相位图。

图5 气泡位置

有气泡刹车片相位如图6所示,气泡区域对应的相位值偏小,与右侧孔引起的相位偏小区域存在交叉,不能区分。依靠相位图左右对称性,可以大致判断气泡区域,但不知道气泡的尺寸大小,为对气泡缺陷有更清晰的了解,有必要将气泡分离出来。忽略刹车片加工的尺寸误差,则刹车片结构引起的相位改变应相近,将刹车片有气泡和无气泡的相位值相减,能减小结构带来的相位影响,其结果如图7所示。右侧孔的干扰很好的减小,能说明气泡存在。

图6 有气泡刹车片相位

图7 有无气泡刹车片相位差值

3 实验

3.1 实验装置

实验装置如图8所示,主要包括感应加热器、控制电路、热像仪、电脑。感应加热器功率可调,最大功率达到5 kW。控制电路用于调节加热的频率,热像仪用于刹车片表面温度的采集,实验使用大立DM60S型红外热像仪,其像素为320×240、热灵敏度<0.06 ℃、测温范围为-20～500 ℃,帧频为50 Hz。

图8 实验装置

实验时的工况如图9所示,激励线圈位于刹车片背钢侧,为保证激励均匀,线圈尺寸绕制得与刹车片相近,调整刹车片相对线圈的位置,以实际加热效果为准使刹车片整体激励基本均匀。为减小铁质夹持装置对刹车片传热的影响,两者之间放置了传热能力相对差的硬纸板。热像仪放置于刹车片的摩擦材料层一侧。

图9 刹车片与激励线圈位置关系

3.2 实验结果及分析

选取5块经过熟练工人判断气泡状况的刹车片,分别编号1～5。其中2、4号有气泡,1、3、5号无气泡。由于摩擦材料导热能力较弱,实验时采用0.005 Hz的激励频率,记录10个周期的数据,并进行傅里叶变换计算相位值。将5块刹车片相位以各自背钢为参考,平移到相同基准下,其等值线图如图10所示。刹车片相位的边缘值都较大,而中间存在两个相位的极小值,这与之前仿真结果吻合。其中1号和5号刹车片相位图较对称,而2～4号刹车片相位图对称性都较差,说明依靠相位图左右的对称性,不能正确判断气泡的存在,这是因为不同于仿真时的理想情况,实际中底料层厚度不均,摩擦材料均匀性也无法保证,这些都会引起相位的改变。

图10 相位等值线图

选取无气泡且相位图分布较对称的1号刹车片为参考,将其他刹车片相位减去1号的相位,得到结构影响减小的相位图等值线图。气泡导致相位值偏小,如图11所示,可发现1号和3号刹车片标注区域明显相位值偏小,根据实际观察,气泡尺寸一般达到一定规模,2和4号刹车片虽存在相位值偏小区域,但均处于刹车片边缘且尺寸较小,这主要由数据处理误差导致,而非气泡引起的相位偏小。

图11 减小结构影响后相位等值线图

刹车片实验结果与工人判断结果一致,为进一步验证实验结果的正确性,对有气泡刹车片进行水切割,观察剖面形态。切割示意如图12所示。

图12 水切割位置

水切割的原则是尽量多的穿过相位值偏小区域,验证气泡位置,根据2和4号的相位等值线图斜向切割穿过大部分相位偏小区域,切割后的剖面如图13所示。2号和4号刹车片距上表面4 mm以内能明显看到横向扩展大半个刹车片的气泡,且气泡距表面深度变化规律与相位等值线图相符。

图13 切割剖面

4 结 论

本文阐述了涡流锁相热成像相关机理,仿真分析了刹车片内部气泡与结构对相位的影响,建立涡流锁相热成像检测系统对刹车片进行检测,得到以下结论:

(1)刹车片结构复杂,仿真表明刹车片摩擦材料层倒角区域和背钢超出摩擦材料层区域对应的相位值偏大,背钢两个孔对应的相位值偏小。这对气泡检测带来干扰,依靠相位图左右的对称性,不能很好的判断气泡是否存在。

(2)气泡引起相位偏小,选取相位图较对称的刹车片为参考,通过相位平移做差可以有效减小结构对相位的影响,检测到气泡存在。

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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

国家重大科学仪器设备开发专项(No.2013YQ470767)资助。

周星涛(1991-)，男，硕士研究生，主要从事工业零部件红外无损检测方面的研究。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