謝建紅，李來平，危 荃，涂 俊，宋 凱，*

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

鋁合金因具有良好的耐蝕性、導電性、導熱性和高的比強度，現(xiàn)已被廣泛應用于航空航天、車輛、橋梁等領域［1］。而由于鋁合金特有的材料屬性，其焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、表面裂紋等缺陷［2］，這些缺陷的存在會直接影響焊接件的安全使用。因此加強對鋁合金焊縫質(zhì)量的檢測對于確保工程安全具有重要意義。

許多學者開展了大量關于鋁合金焊縫質(zhì)量檢測的研究。王常璽等［3］采用超聲相控陣縱波掃描技術，對不同厚度鋁合金薄板FSW 焊縫內(nèi)部缺陷實施檢測，結果表明可有效檢出5 mm 以上厚度板中0.3 mm 的側孔和0.5 mm 的平底孔。喻程等［4］對激光復合焊鋁合金焊縫采用同步輻射X射線成像技術檢測，發(fā)現(xiàn)此方法能夠有效地檢測焊縫內(nèi)部的體積型微氣孔缺陷。高鵬等［5］對良好、含有密集氣孔和未焊透3 種狀態(tài)鋁合金焊縫的渦流檢測信號進行分析，采用Lempel-Ziv 復雜度和近似熵測度研究焊縫渦流電磁信號的復雜度，結果表明這2 種算子對焊縫的類別可有效辨識。

陣列渦流檢測(Eddy Current Array Testing，ECAT)是近十幾年才發(fā)展起來的一項電磁無損檢測新技術，它是通過特殊的檢測線圈結構設計，并借助于強大的數(shù)字信號處理和計算機技術，實現(xiàn)對待檢工件的快速、有效的檢測［6-10］。采用ECAT 法對焊縫質(zhì)量進行評價，不僅能有效地消除由焊縫形面差異和粗糙不平造成的嚴重提離干擾，而且還能清楚地了解受熱區(qū)金屬材質(zhì)的變化［11-12］。

本研究以5A06 鋁合金熔焊構件為研究對象，建立帶表面裂紋熔焊構件的三維有限元模型，分析陣列渦流探頭掃查不同位置表面橫向裂紋時的輸出信號特征，并研究焊縫受熱區(qū)金屬材質(zhì)變化對陣列渦流線圈輸出信號的影響，為今后鋁合金熔焊構件的工程檢測奠定理論基礎。

1 ECAT 有限元模型

鋁合金熔焊構件ECAT 有限元模型主要由含橫向裂紋的鋁合金熔焊構件、陣列渦流傳感器及空氣組成。模型掃查示意圖如圖1 所示。待檢熔焊構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位于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面橫向裂紋，裂紋使用矩形槽代替表征。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。線圈耦合外接電路，電壓源輸出頻率的選取與工件的特征頻率fg有關，采用放置式線圈檢測工件時，由于探頭線圈的尺寸非常小，可將待檢工件看成半無限大平面，建立簡化渦流模型，通過渦流環(huán)理論推導出工件的特征頻率。

放置式線圈檢測工件表面裂紋時的試驗頻率一般選擇范圍為f=(10～50)fg。

圖1 裂紋掃查模型示意圖Fig.1 Schematic drawing of crack scan model

由于焊接時的高溫影響，構件的電導率會產(chǎn)生復雜變化，因此可以通過測量試驗獲取構件各區(qū)域的電導率變化規(guī)律:垂直于焊縫中軸線逐點采集各標定點的電導率值并繪制曲線(圖2 中ΔL表示采樣點與焊縫中心位置距離)，可以看出焊縫各區(qū)域電導率關于焊縫中心對稱呈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)電導率越靠近焊核部分值越小，變化約1.856 Ms·m-1，焊核區(qū)域電導率變化約0.29 Ms·m-1。如果忽略測量誤差及工件本身材質(zhì)等因素影響，可以近似認為母材區(qū)域及焊核區(qū)域電導率相對于熱影響區(qū)是均勻的，母材區(qū)域電導率取值為19.43 Ms·m-1。

圖2 焊縫各區(qū)域電導率分布圖Fig.2 Conductivity distribution map of each part of the weld

在建立三維實體模型之后必須對其進行離散化，以缺陷處網(wǎng)格最密，逐漸向外稀疏，過渡尺寸比例控制在1/3，圖3 給出了線圈和導體局部區(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3 導體和線圈局部網(wǎng)格劃分Fig.3 Section of meshes generated in conductive specimen regions and probe-coil

2 仿真結果討論分析

2.1 橫向裂紋長度對線圈感應電動勢的影響

為研究不同尺寸鋁合金焊縫裂紋對檢測線圈感應信號的影響規(guī)律，設計了焊縫正上方和側面的橫向裂紋(圖1)，不同位置的裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm，其他尺寸(寬×深)均為0.2 mm×0.3 mm。尺寸為r1=0.4 mm、r2=1 mm、h=1 mm、N=100 的線圈置于長l1=40 mm、寬w1=60 mm、厚度d1=4.36 mm 的帶有寬l2=9 mm、余高d2=0.66 mm 焊縫的鋁合金焊縫試塊上進行裂紋檢測，提離l0=0.5 mm。根據(jù)式(2)可計算出工件的特征頻率fg=15.3 kHz，可取線圈工作頻率f=500 kHz。圖4 為激勵電壓U=12 V 時線圈感應電動勢的幅值變化曲線(x=0 處為裂紋中心點)，從圖中能夠很清楚地看到:裂紋位于焊縫正上方線圈感應電動勢幅值變化規(guī)律與裂紋位于焊縫側面相同，即隨著線圈移動逐漸靠近裂紋，線圈感應電動勢幅值會迅速增大，線圈感應電動勢幅值在線圈移至裂紋正上方時達到最大值，隨后線圈繼續(xù)移動離開裂紋，線圈感應電動勢又會下降回到起始值。當裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時，隨著裂紋長度的增加，線圈感應電動勢幅值也隨之增大，裂紋長度與線圈感應電動勢的波峰幅值呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關系。

圖4 裂紋位置變化對線圈感應電動勢的影響Fig.4 Influence of crack in different location on probe-coil induced emf

對比同一尺寸、不同位置裂紋下線圈感應電動勢變化曲線的峰值(圖5)，以Es、E0分別表示裂紋位于焊縫側面及正上方時線圈感應電動勢峰值，當裂紋長度為1.6、3.0、4.5 mm 時，(Es-E0)/ E0值分別為18.7%、13.6%、12.2%，即隨著裂紋長度的增加，Es相對Eo變化量逐漸減小，且Es總是大于E0。上述信號變化規(guī)律是因為當渦流探頭由焊縫正上方移至焊縫側面時引起了兩種變化:1)提離距離:裂紋所處焊縫表面的曲率半徑變小，由弧面形狀緣故在線圈提離l0基礎上產(chǎn)生的附加提離減小;2)電導率:線圈與熱影響區(qū)之間的距離減小，由焊縫各區(qū)域電導率差異引起的導體內(nèi)部感應渦流分布發(fā)生改變。

為研究這2 種變化對感應信號的具體影響，在裂紋長度為3.0 mm 時可分別計算出各變化所引起的線圈感應信號幅值波動。以Es、E0分別表示由于焊接作用電導率非均勻狀態(tài)下裂紋位于焊縫側面及正上方時線圈感應電動勢峰值，而則為模型電導率為均勻特性時裂紋位于焊縫側面及正上方時線圈感應電動勢峰值，因此提離距離和電導率2 種因素引起信號變化及單一因素影響大小可表示為:

式中:ΔE1為2 種因素引起信號變化量;ΔE2為曲率半徑影響的信號變化量;ΔE3為電導率影響的信號變化量;E'、E'0為構件焊核區(qū)域電導率為17.3 Ms·m-1計算結果。

圖5 感應電動勢峰值差Fig.5 Difference peak value of induced emf

當裂紋長度為3.0 mm 時，計算模型可得，Es=15.919 mV、E0=14.013 mV、E's=14.469 mV、=12.763 mV，由此可以計算，ΔE1=1.906 mV、ΔE2=1.707 mV、ΔE3=0.200 mV，則ΔE2/ΔE1=0.895，提離距離的變化誘發(fā)的信號變化較大，是主要影響因素，即表明焊縫形貌變化的作用影響比焊接工藝對電磁特性影響要更顯著，因此需要保證穩(wěn)定的焊接工藝形成均勻的焊縫以利評估的穩(wěn)定性。

2.2 焊接引起的材料電導率變化對線圈感應電動勢的影響

當線圈與裂紋的相對位置不變時，改變材料電導率，這會影響導體內(nèi)部感應渦流的分布及有效的滲透深度，從而使得線圈的感應信號也發(fā)生改變。

為了研究這一影響，在2.1 節(jié)的基礎上僅改變構件的材料電導率(其他條件參數(shù)均與2.1 節(jié)相同)，使構件各區(qū)域的材料電導率相同(后文統(tǒng)述為電導率均勻)，以獲取在電導率均勻的情況下掃查橫向裂紋時線圈感應電動勢幅值Eu的變化曲線，然后與電導率不均勻時的感應電動勢幅值Enonu的變化曲線(圖4)進行對比分析。電導率均勻時構件整體賦予母材區(qū)域相同的材料屬性，電導率不均勻時熱影響區(qū)按圖2 所示賦材料屬性，焊核區(qū)域則賦材料電導率為17.30 Ms·m-1，母材區(qū)域賦材料電導率為19.43 Ms·m-1。圖6是2 種不同位置、3 種不同裂紋長度下由材料電導率變化引起的線圈感應電動勢幅值變化的軌跡，其中ΔE=Enonu-Eu。對比圖6、圖4 中變化曲線的峰值可以發(fā)現(xiàn)，在2 種不同位置裂紋下，圖6中變化曲線峰值所占圖4 中變化曲線峰值的比例近似相同，裂紋長度為1.6、3.0、4.5 mm 對應所占比例分別約為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，裂紋長度越大，焊接所引起的5A06 鋁合金材料電導率減小在裂紋檢測時對線圈輸出信號的影響越小。

圖6 材料電導率變化對線圈感應電動勢的影響Fig.6 Influence of material conductivity changes on probe-coil induced emf

從圖6 中還可以看出，焊接所引起的5A06鋁合金材料電導率減小會使得線圈的感應電動勢幅值增大。上述變化的原因根據(jù)電導率對阻抗的影響曲線(圖7)［11］，材料電導率由于焊接作用從19.43 Ms·m-1減小至17.30 Ms·m-1時，線圈阻抗值沿著阻抗曲線向上移動，即阻抗增大，從而引起線圈感應電動勢的增大。

圖7 電導率對阻抗的影響Fig.7 Influence of conductivity on impedance

3 結論

1)當裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時，隨著裂紋長度的增加，線圈感應電動勢幅值也隨之增大，裂紋長度與線圈感應電動勢的波峰幅值呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關系，且隨著裂紋長度的增加，Es相對Eo變化量逐漸減小，總是Es＞Eo;

2)焊接所引起的5A06 鋁合金材料電導率減小會使得線圈的感應電動勢幅值增大，且當裂紋長度分別為1.6、3.0、4.5 mm 時，裂紋長度越大，電導率減小對線圈輸出信號的影響越小。

［1］曹慧.航天常用鋁合金焊接接頭性能分析［J］.焊接技術，2014，43(12):23-25.

［2］元恒新.焊接材料及工藝對鋁合金焊接性能的影響［D］.重慶:重慶大學，2006:12.

［3］王常璽，剛鐵，于朋，等.一種鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫的超聲快速檢測方法［J］.機械工程學報，2015，51(2):7-13.

［4］喻程，吳圣川，胡雅楠，等.鋁合金熔焊微氣孔的三維同步輻射X 射線成像［J］.金屬學報，2015，51(2):159-168.

［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):134103.

［6］劉波，羅飛路，侯良潔.渦流陣列檢測裂紋特征提取方法的研究［J］.儀器儀表學報，2011，32(3):654-659.

［7］Bureau J F，Ward R C，Jenstead W.Advances in eddy current array sensor technology［C］.Abstracts of 17th World Conference on Non-destructive Testing，Shanghai，2008:25-28.

［8］Butin L，Perez L，Dolabdjian C，et al.New NDE perspectives with magnetoresistance array technologies-form research to industrial applications［J］.Or Insight，2005，47(5):280-284.

［9］丁天懷，陳祥林.電渦流傳感器陣列測試技術［J］.測試技術學報，2006，20(1):1-5.

［10］林俊明，李同濱，林發(fā)炳，等.陣列渦流探頭在鋼管探傷中的實驗研究［J］.鋼管，2001，30(3):39-40.

［11］徐可北，周俊華.渦流檢測［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:126.

［12］林俊明.電磁無損檢測技術的發(fā)展與新成果［J］.工程與試驗，2011，51(1):1-5.