甄任賀， 熊建斌， 周衛(wèi)

(1.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣州 510635; 2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

0 前言

磁光檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于飛行器蒙皮鉚釘下的微小裂紋和腐蝕缺陷的無損檢測(cè)[1-2]。近年來，把該技術(shù)應(yīng)用在激光焊接領(lǐng)域，眾多學(xué)者進(jìn)行了系列研究：高向東等人[3]對(duì)微間隙低碳鋼焊縫，采用多信息理論優(yōu)化卡爾曼濾波算法，對(duì)焊縫進(jìn)行了分析研究，獲得較高的焊縫跟蹤檢測(cè)精度。 莫玲等人[4]利用RGB彩色和HSV彩色磁光圖像提取焊縫邊緣，并與直接利用灰度磁光圖提取焊縫邊緣做對(duì)比，得出利用彩色磁光圖提取邊緣更為準(zhǔn)確的結(jié)論。Gao等人[5]通過改變焊縫勵(lì)磁強(qiáng)度的大小和改變焊接的速度來研究焊縫的跟蹤檢測(cè)情況，得出勵(lì)磁強(qiáng)度能影響焊縫的檢測(cè)、但焊件運(yùn)動(dòng)的速度影響焊縫檢測(cè)不明顯的結(jié)論。從這些已發(fā)表的研究焊縫磁光圖的文獻(xiàn)來看，都涉及到利用磁光圖過渡帶提取焊縫位置的問題，提取的方法均為先通過各種算法確定焊縫兩側(cè)的邊緣，然后把兩側(cè)邊緣的中間位置認(rèn)定為焊縫的中間位置，再利用這個(gè)中間位置進(jìn)行焊縫的跟蹤檢測(cè)分析，但這些研究均未解釋為何該位置對(duì)應(yīng)實(shí)際的焊縫中心。

為解決上述問題，先利用磁荷理論，研究在外直流恒定磁場(chǎng)對(duì)焊件焊縫勵(lì)磁作用下，微間隙鐵磁焊縫的近表面漏磁場(chǎng)的分布特征，接著把磁光傳感器放置在焊縫近表面附近，磁光傳感器能把對(duì)應(yīng)位置的漏磁場(chǎng)分布特征狀況轉(zhuǎn)化為磁光圖像顯示出來，通過研究磁光焊縫圖像與對(duì)應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布關(guān)系，最后確定焊縫磁光過渡帶中心對(duì)應(yīng)實(shí)際的焊件焊縫中心。

1 磁光效應(yīng)原理

磁光效應(yīng)的工作原理為：當(dāng)單色的偏振光通過施加有外磁場(chǎng)的磁光介質(zhì)時(shí)，偏振光的震動(dòng)面將旋轉(zhuǎn)一定的角度Ψ，其大小由方程(1)表示，工作原理如圖1所示。

Ψ=αBL

(1)

式中：B為磁旋光介質(zhì)中外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為磁旋光介質(zhì)中輸入的偏振光已通過磁旋光介質(zhì)的路程；α為磁旋光介質(zhì)材料的費(fèi)爾德(Verdet)系數(shù)。

圖1 磁光效應(yīng)工作原理示意圖

2 微間隙焊縫漏磁場(chǎng)磁荷模型

2.1 焊縫磁光成像測(cè)量裝置

為研究鐵磁焊件焊縫漏磁場(chǎng)分布及利用磁光傳感器檢測(cè)漏磁場(chǎng)分布狀況，建立圖2所示的測(cè)試試驗(yàn)圖進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。圖中，在鐵磁焊件下方放置能調(diào)節(jié)直流大小的直流電磁鐵，如果在電磁鐵的勵(lì)磁線圈上施加上合適的直流電流時(shí)，將會(huì)有如圖2所示的磁路磁通通過焊縫兩側(cè)，該磁路磁通在焊件焊縫兩側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)磁荷，這些磁荷于是在焊縫的表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的漏磁通Φ2。建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系，X軸沿著焊件表面方向，Y軸垂直平分焊縫。如果把磁光傳感器放置在焊縫的近表面上方，由于磁光傳感器的易軸方向?yàn)閅軸方向，因此它能把漏磁場(chǎng)的Y軸方向，即垂直分量的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度以磁光圖像的形式檢測(cè)出來。

圖2 磁光傳感器測(cè)量焊縫漏磁場(chǎng)分布示意圖

2.2 磁荷理論研究焊縫漏磁場(chǎng)分布規(guī)律

為研究在外加磁場(chǎng)作用下鐵磁焊件焊縫漏磁場(chǎng)近表面的分布規(guī)律，把圖2的焊縫局部圖放大重畫為圖3所示(為方便表達(dá)焊縫口磁荷分布特征以便于分析，特意放大焊縫裂口形狀)。由磁荷理論，圖3中微間隙焊縫的漏磁通Ф2認(rèn)為是由焊縫相對(duì)的兩側(cè)面，由于帶有正負(fù)極性的磁荷帶感應(yīng)產(chǎn)生。這里設(shè)鐵磁焊縫為無限長(zhǎng)度的矩形槽形狀，該矩形槽的槽寬是2b，而焊件厚h,同時(shí)假設(shè)焊件表面沒有磁荷分布。在圖3所示的示意圖中，用η表示為磁荷帶的面寬度；H是焊縫漏磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；而μ0表示為真空磁導(dǎo)率；ρ為焊縫側(cè)磁荷帶的面密度；r1，r2表示為磁荷到測(cè)量點(diǎn)的位移。

圖3 微間隙焊縫帶偶極子示意圖

根據(jù)圖3，焊縫壁上寬度為dη的面上攜帶極性為正的帶偶磁荷，將在測(cè)試點(diǎn)P處產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

(2)

同樣，負(fù)極性的帶偶磁荷將在P點(diǎn)具有如下的磁場(chǎng)強(qiáng)度：

(3)

把H1和H2分別在X軸和Y軸進(jìn)行分解，得到：

(4)

(5)

(6)

(7)

對(duì)dHx積分，求得總的磁場(chǎng)強(qiáng)度X軸分量Hx:

(8)

(9)

(10)

同理，總的磁場(chǎng)強(qiáng)度Y軸分量為：

(11)

M=[(x+b)2+(y+b)2][(x-b)2+y2]

(12)

N=[(x+b)2+y2][(x-b)2+(y+h)2]

(13)

當(dāng)焊縫很深時(shí)(由于焊縫的寬度≤1 mm,因此實(shí)際的焊件的厚度均滿足)，有：

(14)

(15)

焊件近表面的實(shí)際磁場(chǎng)是Ф1和Ф2合成，但由于Ф1對(duì)焊縫兩側(cè)具有對(duì)稱性，而磁光傳感器的測(cè)量點(diǎn)通常壓得離焊件焊縫很近，Ф1離測(cè)量點(diǎn)相對(duì)很遠(yuǎn)，它對(duì)磁光成像的影響可忽略不計(jì)，因此，磁光成像的效果認(rèn)為僅由式(14)、式(15)式?jīng)Q定。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的X軸分量不影響磁光成像，因此僅需要考慮其Y軸分量。

由式(15)，為分析方便，設(shè)比值ρ/(2πμ0)取1，焊件焊縫寬度同樣取0.1 mm，其它條件不變，僅改變磁光傳感器離焊縫的高度，Hy的分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，沿Y軸分布的磁場(chǎng)強(qiáng)度具有如下特點(diǎn)：①沿焊縫中心具有對(duì)稱性，當(dāng)X>0時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度取負(fù)值；當(dāng)X<0時(shí)，取正值；②由圖4，并結(jié)合方程(15)可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)于Y軸具有對(duì)稱性；③當(dāng)減少磁光傳感器到焊縫的距離時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿Y軸的變化更加明顯；④當(dāng)X>0時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度有一個(gè)極小值，當(dāng)X<0時(shí)，有一個(gè)極大值；⑤在焊縫中心點(diǎn)附近，隨著水平方向的變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化近似具有線性。

圖4 磁光傳感器提離高度變化時(shí)焊縫兩側(cè)的HY變化圖

3 焊縫表面磁場(chǎng)磁光傳感器檢測(cè)驗(yàn)證

圖4反映了磁場(chǎng)強(qiáng)度在Y軸上隨離焊縫提離高度變化時(shí)的變化規(guī)律，為驗(yàn)證該分布規(guī)律，利用圖2所示的裝置示意圖進(jìn)行搭建試驗(yàn)裝置并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)于焊縫小于0.1 mm的碳鋼焊件，圖5為通過磁光傳感器得到的彩色磁光圖，從5圖可以看出，盡管焊件原件表面看起來很新，但它其實(shí)還是存在表面不平整等因素，利用磁光傳感器的測(cè)量也存在干擾噪聲，因此仔細(xì)觀察，在整張焊縫彩色磁光圖中，存在比較明顯的干擾噪聲。仔細(xì)從左往右觀察圖5，其亮度的變化為先比較亮，逐漸變暗，到某個(gè)區(qū)域?yàn)樽畎担又种饾u變得比較明亮，顏色由黑逐漸變?yōu)槌壬虚g位置為橙色，然后在圖像的右邊，顏色由橙色逐漸變得明亮，其中有一個(gè)部分顏色最為明亮，接著亮度逐漸變暗，顏色表現(xiàn)為逐漸由較淺的橙色逐漸變紅。 把圖5進(jìn)行灰度變換和中值濾波處理后獲得圖6所示的灰度磁光圖。

圖5 焊縫彩色磁光圖

圖6 焊縫灰度磁光圖

圖6也存在類似彩色圖5這樣的變化規(guī)律，不過是左邊為黑色，右邊為淺灰色，亮度的變化從左到右為先灰度較淺，逐漸變深，到最黑區(qū)域后又逐漸變淺，經(jīng)中間位置后逐漸變得明亮，到最明亮區(qū)域后，又逐漸變暗。對(duì)圖6處于中間位置附近的第300行進(jìn)行灰度分布提取，獲得如圖7所示的焊縫灰度磁光圖沿圖像中由暗區(qū)域逐漸過渡到明亮區(qū)域的灰度分布曲線。

圖7 微間隙焊件磁光灰度圖灰度分布曲線

由于磁光灰度圖中的灰度值與磁光傳感器中的線偏振光的偏振角成線性關(guān)系[6]，由公式(1)可知，偏振光的偏振角與對(duì)應(yīng)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系，因此可以認(rèn)為該灰度分布曲線對(duì)應(yīng)著磁光傳感器測(cè)量位置的磁場(chǎng)分布。把圖7曲線與圖4曲線相比較，可以看出，由磁荷模型推導(dǎo)出的焊縫近表面磁場(chǎng)分布規(guī)律與利用磁光傳感器實(shí)際測(cè)出的曲線相符合(圖7曲線中，灰度值大的位置對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為正的位置，灰度值小的部分對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為負(fù)的位置)。另外，由圖4可以看出，焊縫中心線對(duì)應(yīng)的Y軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度值為0，該位置對(duì)應(yīng)著磁光圖中過渡帶的中間位置。因此，只要想方設(shè)法提取焊縫磁光圖中中間過渡帶的中間位置，該位置對(duì)應(yīng)實(shí)際焊件的中心，這樣，也就從理論上解決了焊縫中心的識(shí)別問題。

4 結(jié)論

(1)利用磁荷理論建立的焊縫磁荷分布模型，能解釋焊縫近表面的磁場(chǎng)分布規(guī)律。

(2)利用磁光傳感器測(cè)量焊縫近表面的磁場(chǎng)分布時(shí)，離焊縫越近，則顯示焊縫過渡帶的特征更加明顯。

(3)焊縫磁光圖中焊縫過渡帶中間的位置對(duì)應(yīng)著實(shí)際焊縫中心對(duì)應(yīng)的位置，因此可以利用磁光傳感器進(jìn)行焊縫磁光圖像提取，只要提取焊縫磁光圖中過渡帶中間位置，即可認(rèn)為該位置對(duì)應(yīng)實(shí)際的焊件焊縫中心，因此可以運(yùn)用磁光傳感器對(duì)微間隙焊縫進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。