江　蕾　劉志平　劉慧龍　劉興樂

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院　武漢　430063)

渦流激勵(lì)熱成像金屬焊縫裂紋檢測(cè)方法研究*

江蕾劉志平劉慧龍劉興樂

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院武漢430063)

摘要：運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件模擬了渦流激勵(lì)下焊縫表面裂紋的溫度分布，分析了電感線圈與裂紋之間的夾角,以及裂紋深度對(duì)被檢部件表面溫度分布的影響，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該法用于定性分析的有效性.結(jié)果表明，利用線圈與裂紋夾角為0°或90°時(shí)的溫度分布對(duì)裂紋進(jìn)行定量分析的可行性更強(qiáng)，研究成果可用于定量分析及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：渦流激勵(lì)熱成像；焊縫裂紋；無損檢測(cè)；有限元仿真

江蕾(1992- )：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0引言

熱成像檢測(cè)是一種建立在溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上的檢測(cè)物體品質(zhì)、內(nèi)部情態(tài)、結(jié)構(gòu),以及缺陷的方法.它有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類：被動(dòng)式根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象本身的紅外輻射獲取信息；主動(dòng)式基于熱傳導(dǎo)理論，通過外部的熱激勵(lì)引起被檢測(cè)對(duì)象的溫度變化以獲取信息.主動(dòng)式熱成像的熱激勵(lì)方式包括超聲波、閃光燈、機(jī)械振動(dòng)、電磁等.電磁感應(yīng)加熱具有檢測(cè)快速、定位直觀、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，渦流激勵(lì)熱成像[1-2]作為一種新興的將電磁感應(yīng)加熱和紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合的無損檢測(cè)方法，它能夠在較大范圍內(nèi)提供快速有效的缺陷識(shí)別和定量分析.

疲勞裂紋是金屬焊接結(jié)構(gòu)最普遍、最危險(xiǎn)的缺陷之一.傳統(tǒng)的無損檢測(cè)焊縫裂紋的方法(如MP,LP,UT和RT等)檢測(cè)效率低、檢測(cè)長(zhǎng)度嚴(yán)重不足，新的檢測(cè)方法如聲發(fā)射技術(shù)、金屬磁記憶法等，由于影響因素太多，實(shí)際應(yīng)用尚不夠成熟.近幾年國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些對(duì)電磁激勵(lì)紅外熱成像方法檢測(cè)金屬結(jié)構(gòu)裂紋的研究.Abidin等[3]通過仿真和實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在脈沖渦流激勵(lì)下鋁材試件上不同傾斜角裂紋的溫度分布，得出當(dāng)傾斜角越大，裂紋周邊溫度呈不對(duì)稱分布越明顯的結(jié)論.N.Tsopelas等[4]研究當(dāng)線圈與裂紋夾角為90°時(shí)，對(duì)檢測(cè)區(qū)域的裂紋可檢性較強(qiáng).楊隨先等[5]模擬了脈沖激勵(lì)下邊緣裂紋的溫度分布，研究了邊緣裂紋上端點(diǎn)和頂點(diǎn)在裂紋不同幾何參數(shù)下的溫度變化規(guī)律.Wilson等[6]研究了火車軌道上由于滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生的多個(gè)裂紋在脈沖渦流熱成像方法下的溫度分布.國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)運(yùn)用于裂紋的檢測(cè)研究也日益增長(zhǎng)[7-10].

本文利用渦流激勵(lì)熱成像法進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)焊縫裂紋的檢測(cè)研究，先采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics建模并數(shù)值仿真，再搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行論證性實(shí)驗(yàn).研究目的包括：理解線圈方向如何選擇、通過模擬焊縫裂紋渦流探究加熱機(jī)制、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)可行性,以及為裂紋特征提取、定量分析奠定基礎(chǔ).

1檢測(cè)原理

渦流激勵(lì)熱成像無損檢測(cè)基本原理基于電磁學(xué)的渦流現(xiàn)象.在被檢測(cè)試件上施加高頻信號(hào)，電感線圈在鋼板上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，當(dāng)其表面或者亞表面存在缺陷時(shí)，渦流密度產(chǎn)生局部變化，繼而表面溫度分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生焦耳熱，熱擴(kuò)散使得導(dǎo)體的溫度變化，缺陷部位存在異常溫升，利用紅外熱像儀可以捕捉到并記錄這一溫度變化的差異.運(yùn)用溫度分布數(shù)據(jù)和圖像來快速實(shí)現(xiàn)裂紋定位，溫度分布數(shù)據(jù)可以通過各種運(yùn)算進(jìn)一步用來對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析.

1.1渦流場(chǎng)

根據(jù)麥克斯韋方程，可以用電磁控制方程來計(jì)算磁矢位A

(1)

根據(jù)變分原理，二階微分方程(1)可以轉(zhuǎn)變成為一個(gè)極值問題，即

(2)

式中：Ω為所有空間.

運(yùn)用有限元的方法解方程(2)，可以獲得磁矢位A的值.因此，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E=?A/?t、渦流密度Js可以用式(1)來計(jì)算.

1.2溫度場(chǎng)

產(chǎn)生的焦耳熱Q與渦流密度Js的絕對(duì)值、電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E之間的關(guān)系如下.

(3)

式中：電導(dǎo)率σ與溫度的函數(shù)關(guān)系如下：

(4)

式中：σ0為導(dǎo)體在參考溫度T0時(shí)的導(dǎo)電率；α為描述電阻隨溫度變化的電阻溫度系數(shù).

在渦流密度已計(jì)算出的情況下，即可以利用方程(3)及COMSOL電熱耦合模塊分析來獲得渦流產(chǎn)生的焦耳熱Q.

焦耳加熱源Q產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)方程可表示為

(5)

式中：k為熱傳導(dǎo)率；cp為在特定壓強(qiáng)下的比熱容;ρ為材料的密度.

設(shè)定被檢測(cè)工件的邊界條件后，運(yùn)用COMSOL將方程(5)和方程(3)耦合，就可仿真帶裂紋焊縫的溫度分布.

2數(shù)值建模仿真與分析

2.1建立仿真模型

渦流激勵(lì)熱成像仿真屬于電磁場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合分析問題，可以通過COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)分析平臺(tái)的電熱耦合模塊AC/DC進(jìn)行仿真分析.本文運(yùn)用該有限元軟件模擬渦流加熱下焊縫裂紋表面的瞬態(tài)溫度分布.該仿真目的是研究渦流加熱下焊縫表面裂紋的溫度特性，包括：(1)線圈角度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響；(2)裂紋深度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響.

仿真被測(cè)對(duì)象為一對(duì)接拼焊鋼板，焊縫中間有一條裂紋，采用方形電感線圈，仿真模型見圖1.利用仿真模型，將熱傳遞與感應(yīng)電流相耦合.

圖1　仿真模型

2.2設(shè)置相關(guān)參數(shù)

模型幾何參數(shù)：鋼板幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為200 mm×150 mm×10 mm，方形激勵(lì)線圈距鋼板的提離高度是15 mm.在模擬不同深度的焊縫表面裂紋對(duì)溫度場(chǎng)影響時(shí)，裂紋的幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×深)設(shè)定為20 mm×1 mm×d mm，其中深度d=2,4,6,8 mm.研究線圈角度影響時(shí)，裂紋參數(shù)為15 mm×1 mm×8 mm.

通入線圈的渦流參數(shù)為：交流電有效值321 A、頻率f=250 kHz，仿真的加熱時(shí)間設(shè)置為每10 ms取一個(gè)值，取值范圍為0～200 ms.鋼板的其他材料參數(shù)見表1.

表1　被檢測(cè)焊縫結(jié)構(gòu)件的材料電氣和熱性能

2.3仿真結(jié)果分析

2.3.1有無缺陷的焊縫溫度分布和渦流分布的比較

如圖1的模型仿真得出的溫度和電磁分布見圖2.在焊縫有裂紋的情況下，鋼板上有異常溫升出現(xiàn)，且對(duì)于缺陷的定位定量效果較直觀明顯.在加熱200 ms的時(shí)候，在焊縫上表面沿鋼板寬度方向取一條取值軌跡P，分別得到有裂紋時(shí)和無裂紋時(shí)該軌跡P上的溫度分布，并將結(jié)果繪成溫度分布圖，見圖3.可知，相對(duì)于無裂紋時(shí)，焊縫有裂紋時(shí)的裂邊會(huì)產(chǎn)生溫度的驟然上升，該溫度異常變化可用于缺陷的定位.該對(duì)比表明渦流激勵(lì)熱成像的方法運(yùn)用在檢測(cè)焊縫裂紋是可行的.

圖2　焊接鋼板感應(yīng)加熱200 ms的溫度及電磁分布圖像

圖3　有無裂紋情況下給定取值軌跡P的溫度分布圖

2.3.2感應(yīng)線圈與裂紋的角度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在焊縫裂紋檢測(cè)中，感應(yīng)線圈與焊縫裂紋的夾角對(duì)溫度分布的影響是不容忽視的，該檢測(cè)也為進(jìn)一步研究該夾角對(duì)定量分析裂紋的難易程度的影響奠定基礎(chǔ).

將如圖1所示的垂直于鋼板表面的方形電感線圈所在平面，沿著平行于z軸的過焊縫的直線轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)后線圈與裂紋的夾角θ為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°，仿真這7種情況下的溫度分布，結(jié)果見圖5.同時(shí)在焊縫表面的裂紋邊緣兩端處分別設(shè)置一個(gè)取值點(diǎn)，得出兩個(gè)取值點(diǎn)分別在加熱100 ms和200 ms時(shí)線圈與裂紋不同夾角θ情況下的溫度差，繪成圖6曲線.

圖4　分析的取值點(diǎn),以及電感線圈與裂紋的夾角θ

從圖5～6可看出，當(dāng)線圈與裂紋的夾角θ為0°和90°時(shí)，溫度分布近似為對(duì)稱圖形，焊縫表面裂紋邊緣處的兩端點(diǎn)溫度差為0 ℃；當(dāng)線圈與裂紋的夾角θ為45°時(shí)，兩端點(diǎn)溫度差為最大.根據(jù)此結(jié)果，可以得知當(dāng)線圈與裂紋夾角θ呈0°或90°時(shí)，焊縫表面裂紋的對(duì)稱溫度分布能夠更有助于定量分析規(guī)律.

2.3.3裂紋深度對(duì)溫度分布的影響

焊縫裂紋的深度往往用肉眼觀察不出來，借助普通的測(cè)量工具也不能夠有效量出，且深度的檢測(cè)是裂紋檢測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，能夠根據(jù)裂紋邊緣及其周邊溫度分布算出裂紋深度，對(duì)于渦流激勵(lì)熱成像檢測(cè)技術(shù)的研究是一個(gè)很有意義的突破.

圖5　不同夾角θ 時(shí)焊縫表面裂紋周邊溫度分布圖

通過對(duì)電感線圈與裂紋夾角θ為90°的情況下不同深度的焊縫裂紋進(jìn)行仿真，深度d取2,4,6,8 mm.按照?qǐng)D4中的軌跡取值，得出在加熱200 ms時(shí)，4種情況下軌跡P上的的焊縫裂紋邊緣溫度分布曲線，見圖7.可以看出隨著裂紋深度的增加，焊縫表面裂紋在邊緣兩端的溫度越來越大，而中間點(diǎn)的溫度越來越低，故溫差愈發(fā)明顯.為了更好反映這一變化規(guī)律，見圖8.根據(jù)圖7反映出的對(duì)稱性，所以在焊縫表面的裂紋邊緣端點(diǎn)處和中心各取一個(gè)取值點(diǎn)A，B，分析2點(diǎn)在加熱10～200 ms下的瞬時(shí)溫度變化率，見圖9.

圖6　不同夾角θ時(shí)焊縫表面裂紋邊緣兩端點(diǎn)的溫度差

圖7　不同裂紋深度d時(shí)給定取值軌跡P上的溫度分布

圖8　 裂紋的取值點(diǎn)A，B，以及裂紋的幾何參數(shù)

圖9　取值點(diǎn)A(1)和取值點(diǎn)B(2)在10～200 ms時(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)溫度增速

分析以上仿真結(jié)果，主要結(jié)論有：(1)當(dāng)垂直于鋼板表面且在裂紋中心之上的電感線圈與焊縫裂紋的夾角θ為45°時(shí)，裂紋邊緣兩端的溫差最大.而夾角θ為0°或者90°時(shí)，裂紋周邊溫度分布近似為對(duì)稱圖形且裂紋邊緣兩端點(diǎn)的溫差幾乎為0 ℃；(2)加熱時(shí)間不超過200 ms時(shí)，在線圈與裂紋夾角θ為90°的情況下檢測(cè)裂紋，隨著裂紋深度的增加，焊縫表面裂紋邊緣兩端溫度越來越高，中心的溫度越來越低.

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于渦流激勵(lì)熱成像法檢測(cè)焊縫裂紋的實(shí)驗(yàn)組成，包括渦流激勵(lì)加熱裝置、紅外熱像儀，以及帶對(duì)接焊縫的焊接鋼板.其中渦流激勵(lì)的加熱裝置主要包含帶有控制面板的電磁感應(yīng)加熱器以及平板式線圈，裝置實(shí)物圖見圖10.電磁加熱控制器額定功率為2.5 kW，20%～100%可調(diào)節(jié)，配合安裝橫截面積4 mm2、長(zhǎng)度約20 m的云母高溫線線圈.實(shí)驗(yàn)所使用的帶焊縫裂紋結(jié)構(gòu)件，采由2塊 Q235B 鋼板焊接而得，人工制造缺陷裂紋，見圖11.紅外熱像儀型號(hào)為FLIR T610，精度±2%或2 ℃，熱靈敏度小于0.04 ℃，幀頻為30 Hz，測(cè)溫范圍一般為-40～650 ℃.

圖10　實(shí)驗(yàn)加熱裝置實(shí)物圖

圖11　實(shí)驗(yàn)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)件局部

3.2熱像圖邊緣檢測(cè)處理

實(shí)驗(yàn)調(diào)試后，將電磁加熱控制器的輸出功率調(diào)到2.5 kW，此時(shí)加熱頻率為23 kHz左右，輸出電流9.6 A.將平板式線圈正中心對(duì)準(zhǔn)焊縫，置于鋼板上表面進(jìn)行局部加熱.電磁加熱器開機(jī)后開始定時(shí)，紅外熱像儀使用連拍功能，可以捕捉在一定時(shí)間段之內(nèi)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的熱像圖用作邊緣檢測(cè)分析.實(shí)驗(yàn)所得熱像圖如下，不同溫度由不同顏色的像素點(diǎn)表示，鋼板上呈現(xiàn)顏色的梯度，顯示出溫度場(chǎng)分布情況.

圖12　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于基于電磁激勵(lì)紅外熱成像的方法得到的熱像圖上不同溫度由像素不同的點(diǎn)表示，而裂紋的定位和檢測(cè)是基于溫度驟變臨界點(diǎn)來呈現(xiàn)的，因此選擇數(shù)字圖像工程中邊緣檢測(cè)的算法，突出圖像中屬性有明顯變化的點(diǎn)，最終尋求缺陷的邊緣，來處理本實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

邊緣檢測(cè)的方法有兩類：基于搜索一類和基于零穿越的一類.本文紅外熱像圖中對(duì)裂紋進(jìn)行定位和定量分析是基于搜索一類，即通過尋找圖像的一階導(dǎo)數(shù)中的最大及最小值而檢測(cè)邊界的，一般是取梯度最大的方向進(jìn)行邊界的定位.利用兩種傳統(tǒng)基于梯度的二階算子，即Marr-Hildreth算子和坎尼算子對(duì)紅外圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè).

圖13　邊緣檢測(cè)方法處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果(從左至右分別為：原圖；Marr-Hildreth算子；坎尼算子)

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原圖與基于2種算子的邊緣檢測(cè)結(jié)果圖，能更為清晰直觀的看到裂紋的大致輪廓，改善了視覺效果，推進(jìn)裂紋的檢測(cè)定位定量分析.對(duì)比這兩種邊緣檢測(cè)方法：坎尼算子的邊緣檢測(cè)效果更好，能夠去除絕大部分非邊緣點(diǎn)，留下更多關(guān)于裂紋的有效信息；基于Marr-Hildreth算子的邊緣檢測(cè)結(jié)果雖然留下了很多噪點(diǎn)以及非有效邊緣點(diǎn)信息，但其計(jì)算過程中計(jì)算量更小.后期可完善去噪處理過程，尋找合適的閾值以加強(qiáng)算法的應(yīng)用，更高效的處理熱像圖.本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了渦流激勵(lì)熱像法定性檢測(cè)裂紋的可行性，繼而為熱圖的特征量和裂紋尺寸間的定量關(guān)系的研究，以及缺陷定量識(shí)別的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).

4結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件COMSOL，對(duì)渦流激勵(lì)下帶焊縫裂紋時(shí)和不帶焊縫裂紋時(shí)的焊接鋼結(jié)構(gòu)模型的溫度分布進(jìn)行仿真分析，闡明了基于渦流激勵(lì)熱成像方法檢測(cè)裂紋缺陷的機(jī)理，研究了線圈與裂紋夾角θ、裂紋深度因素對(duì)于溫度分布的影響.仿真表明：線圈與裂紋夾角為0°或者90°的時(shí)候，焊縫表面裂紋周邊的溫度分布呈近似的對(duì)稱圖形，利用該溫度分布對(duì)裂紋進(jìn)行定量分析的可行性強(qiáng)；在線圈與裂紋夾角為90°的情況下，裂紋在焊縫表面邊緣兩端的溫度和瞬時(shí)增速隨著裂紋的加深而增加，中心的溫度和瞬時(shí)增速卻隨著深度的加深而減少.通過參數(shù)優(yōu)化，搭建新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行裂紋表面輪廓信息提取，進(jìn)行可行性驗(yàn)證，為該方法定量識(shí)別缺陷和實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考.

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖法分類號(hào)：TH218

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.030

收稿日期：2014-11-15

Research on Detecting Weld Cracks by Eddy Current Thermography

JIANG LeiLIU ZhipingLIU HuilongLIU Xingle

(SchoolofLogisticsEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：In this paper, the weld crack testing method based on eddy current thermography is proved to be feasible through studying the influence of inductor orientation and crack depth on the surface temperature distribution using finite element analysis(FEA)software COMSOL Multiphysics and research on verification experiment. The results show that the quantitative evaluation is more viable when the inductor orientation is 0 degree or 90 degree. This method has a certain reference value for quantitative analysis and designing inspection system with eddy current stimulated approach.

Key words：eddy current thermography；weld crack；nondestructive testing；FEA

*交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：2014 329 811 320)