任延釗,李 勇,蘇冰潔,向 異,2,劉正帥,任淑廷,陳振茂

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,陜西省無損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心,西安 710049;2.國家電網(wǎng)有限公司西北分部,西安 710048)

雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件是由兩種電磁參數(shù)、熱膨脹系數(shù)等材料參數(shù)不同的金屬層經(jīng)閃光焊、釬焊等焊接工藝聯(lián)接而制成的一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能和電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于能源、航空航天、石油化工等重要工程領(lǐng)域。作為典型的雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件,由銅層和鋁層聯(lián)接而成的搭接式銅鋁過渡線夾是電力行業(yè)中用于電力傳輸?shù)闹匾B接器件,其主要用于確保母線引下線與電氣設(shè)備出線端子的連接,可有效避免電氣工程中常見的電導(dǎo)問題和電化學(xué)腐蝕問題[1]。然而,由于焊接控制條件不穩(wěn)定等因素,搭接式銅鋁過渡線夾的焊接界面處可能出現(xiàn)金屬層減薄等界面缺陷,嚴(yán)重影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整性,引發(fā)電力傳輸安全事故[2]。因此,對(duì)諸如搭接式銅鋁過渡線夾等雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件焊接界面缺陷實(shí)施有效的無損定量檢測(cè)對(duì)確保重要工程設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前,針對(duì)金屬構(gòu)件缺陷無損檢測(cè)的常規(guī)檢測(cè)方法主要包括渦流檢測(cè)[3]、超聲檢測(cè)[4]等,但這些方法在雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件焊接界面缺陷,特別是搭接式銅鋁過渡線夾焊接界面金屬層減薄缺陷檢測(cè)方面存在技術(shù)局限性,例如,常規(guī)渦流檢測(cè)對(duì)構(gòu)件亞表面/內(nèi)部缺陷存在檢測(cè)靈敏度低等劣勢(shì)[5];超聲檢測(cè)雖可檢出構(gòu)件內(nèi)部缺陷,但針對(duì)焊接界面缺陷,其超聲回波信號(hào)易淹沒于幅值、脈寬更大的界面回波信號(hào)中,導(dǎo)致缺陷響應(yīng)靈敏度較低。

暫態(tài)渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理,在被測(cè)體內(nèi)部激發(fā)時(shí)變渦流場(chǎng),通過磁場(chǎng)測(cè)量手段,拾取渦流激發(fā)磁場(chǎng)信號(hào)來推知被測(cè)體內(nèi)部缺陷信息的無損定量檢測(cè)方法,其優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)設(shè)備簡便,檢測(cè)前無需清理被測(cè)工件表面,檢測(cè)中無需耦合劑等。相較常規(guī)渦流檢測(cè),暫態(tài)渦流檢測(cè)對(duì)金屬構(gòu)件亞表面缺陷響應(yīng)靈敏度高,可獲取用來綜合描述缺陷特性及參數(shù)的豐富信號(hào)特征,缺陷成像及定量精度高,有望成為搭接式銅鋁過渡線夾焊接界面金屬層減薄缺陷檢測(cè)的有力手段之一。LIU 等[6]研究了脈沖調(diào)制渦流檢測(cè)雙層金屬板界面損傷的可視化定量評(píng)估手段。XIE等[7]提出了一種新穎的選頻暫態(tài)渦流檢測(cè)方法,用于檢測(cè)一定深度范圍內(nèi)的局部壁薄缺陷。LIU 等[8]采用旋轉(zhuǎn)暫態(tài)渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)非鐵磁材料和鐵磁材料中不同走向的裂紋進(jìn)行了表征。CHEN等[9]實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶外絕緣層和剩磁不均勻的鐵磁元件相對(duì)厚度的暫態(tài)渦流檢測(cè)評(píng)估。然而,上述暫態(tài)渦流檢測(cè)研究中涉及的檢測(cè)對(duì)象多為單層金屬構(gòu)件或多層同質(zhì)金屬被測(cè)體,對(duì)于多層異質(zhì)金屬的暫態(tài)渦流檢測(cè)研究尚存空白。鑒于此,文章聚焦于搭接式銅鋁過渡線夾的無損定量檢測(cè),通過系列仿真和試驗(yàn),探究線夾焊接界面金屬層減薄缺陷暫態(tài)渦流可視化定量檢測(cè)的可行性,明確了相關(guān)的技術(shù)實(shí)施關(guān)鍵。

1 暫態(tài)渦流檢測(cè)的數(shù)值仿真及結(jié)果分析

1.1 有限元仿真模型的建立

銅鋁過渡線夾所構(gòu)成的暫態(tài)渦流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,該系統(tǒng)包括①由雙邊翼折疊的平面電流線圈(用于激發(fā)均勻入射磁場(chǎng))[10]和固態(tài)磁場(chǎng)傳感器(用于拾取磁場(chǎng)信號(hào),放置于平面電流線圈中心處,與線圈表面相距0.5 mm)組成的檢測(cè)探頭;②銅鋁過渡線夾,其為雙層金屬板結(jié)構(gòu),上層板和下層板材料分別為銅合金和鋁合金。檢測(cè)過程中,探頭放置于線夾銅合金層表面(提離為0.7 mm),掃查檢測(cè)銅-鋁焊接界面可能存在的金屬層減薄缺陷。

針對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的有限元仿真,為減小仿真計(jì)算量,鑒于探頭激發(fā)的電磁場(chǎng)在磁場(chǎng)傳感器放置區(qū)域小范圍內(nèi)存在y方向均勻性,因此,以傳感器位置為中心,截取檢測(cè)系統(tǒng)三維示意圖的x-z剖面作為建模平面,建立暫態(tài)渦流檢測(cè)二維有限元仿真模型(見圖2),用于定性分析暫態(tài)渦流檢測(cè)信號(hào)對(duì)缺陷的響應(yīng)特性及其特征與缺陷參數(shù)間的映射關(guān)系。模型參數(shù)如表1所示,檢測(cè)探頭的激勵(lì)信號(hào)(基頻為100 Hz,占空比為50%,最大幅值為1 A)如圖3所示。值得一提的是:由于平面電流線圈兩個(gè)邊翼部分折疊90°,其對(duì)應(yīng)的局部入射磁場(chǎng)距離線夾較遠(yuǎn),因此在模型中忽略線圈邊翼,僅引入了線圈平面部分,線圈內(nèi)部通入的方波激勵(lì)電流方向垂直于建模平面。為分析銅-鋁焊接界面處的金屬層減薄缺陷對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律,在模型試件域的異質(zhì)材料邊界處設(shè)置體積型損傷,其寬度d和深度h可變(d為20～40 mm;h為1.5～3.0 mm)。

表1 暫態(tài)渦流檢測(cè)二維有限元仿真模型參數(shù)

圖2 暫態(tài)渦流檢測(cè)二維有限元仿真模型示意

圖3 檢測(cè)探頭的激勵(lì)信號(hào)

1.2 仿真結(jié)果分析及討論

仿真中,首先將檢測(cè)探頭設(shè)置于缺陷中心處(x=0 mm),計(jì)算獲取該位置處探頭輸出的磁場(chǎng)x分量檢測(cè)信號(hào)(B x)。隨后,將檢測(cè)探頭分別設(shè)置于無缺陷區(qū)域處(x=-40 mm)和空氣中(無被測(cè)線夾情況),仿真計(jì)算兩種情況下的檢測(cè)信號(hào),同時(shí),將空氣中探頭的輸出信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。通過對(duì)比3種情況下的磁場(chǎng)信號(hào),以研究檢測(cè)信號(hào)對(duì)缺陷的響應(yīng)特性。3種情況下探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)探頭位于線夾無缺陷處時(shí),檢測(cè)信號(hào)幅值最小,這是由于該情況下線夾內(nèi)部感應(yīng)出的渦流激發(fā)磁場(chǎng)最大且與線圈磁場(chǎng)方向相反,造成總磁場(chǎng)(線圈磁場(chǎng)與渦流激發(fā)磁場(chǎng)的疊加)的最大削弱。當(dāng)探頭位于缺陷中心處時(shí),檢測(cè)信號(hào)介于空氣中及無缺陷處信號(hào)的中間,雖然渦流激發(fā)磁場(chǎng)造成總磁場(chǎng)的下降,但缺陷的存在擾動(dòng)了渦流的分布及強(qiáng)度,進(jìn)而減弱了渦流激發(fā)磁場(chǎng)。相比前兩種情況,基準(zhǔn)信號(hào)的幅值最強(qiáng),這是因?yàn)楫?dāng)探頭放置于空氣中時(shí),總磁場(chǎng)即為線圈磁場(chǎng),未被渦流激發(fā)磁場(chǎng)削弱。由上述分析可知,缺陷信息主要集中反映在渦流激發(fā)磁場(chǎng)中,因此,在接下來的信號(hào)處理中,將所拾取的檢測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)做差分處理,獲得差分信號(hào)(ΔB x),對(duì)比不同缺陷尺寸下的差分信號(hào),進(jìn)一步研究差分信號(hào)對(duì)缺陷尺寸參數(shù)的響應(yīng)特性。不同缺陷深度和寬度下的差分信號(hào)如圖5所示。

圖5 不同缺陷深度和寬度對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)(仿真)

由圖5可知,當(dāng)缺陷寬度一定時(shí),差分信號(hào)峰值(Peak value,PV)隨缺陷深度的增加而減小,這是由于當(dāng)缺陷深度增加時(shí),線夾內(nèi)部的感應(yīng)渦流進(jìn)一步減弱,導(dǎo)致渦流激發(fā)磁場(chǎng)減小;與之相比,當(dāng)缺陷深度一定時(shí),差分信號(hào)峰值隨缺陷寬度的增加而增大,這是因?yàn)楫?dāng)缺陷寬度小于探頭尺寸時(shí),渦流分布于缺陷四周;而當(dāng)缺陷寬度大于探頭尺寸時(shí),渦流集中分布于缺陷底部,相較前種情況,此時(shí)渦流密度更高,渦流激發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度更大。由以上分析可知,差分信號(hào)峰值可以有效反映缺陷尺寸參數(shù)信息,因此將其作為檢測(cè)信號(hào)特征用于線夾焊接界面金屬層減薄缺陷的成像及缺陷尺寸參數(shù)的量化評(píng)估。

為進(jìn)一步探究差分信號(hào)峰值對(duì)缺陷尺寸的響應(yīng)特性,在仿真中,針對(duì)各缺陷尺寸參數(shù)情況,模擬探頭掃略缺陷過程并繪制掃查曲線,即差分信號(hào)峰值探頭位置曲線。綜合考慮線圈尺寸以及渦流影響范圍,選取掃查范圍-40 mm≤x≤40 mm,步長為0.5 mm,掃查曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)位于缺陷中心處(x=0 mm)。仿真計(jì)算所得各缺陷尺寸參數(shù)下對(duì)應(yīng)的掃查仿真曲線如圖6所示。

圖6 各缺陷尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng)的掃查仿真曲線

由圖6可知,探頭在掃略缺陷邊緣處時(shí),掃查曲線均會(huì)出現(xiàn)先升后降再升的走勢(shì)。首先,針對(duì)缺陷寬度的定量,缺陷區(qū)域的掃查曲線與無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)PV值的交點(diǎn)和缺陷寬度具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,利用該交點(diǎn)處x坐標(biāo)可對(duì)缺陷寬度進(jìn)行評(píng)估,所得曲線如圖7(a)所示,可得出缺陷寬度評(píng)估的最大相對(duì)誤差為8%。再取掃查曲線谷值為特征值進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7(b)所示,可見,隨著缺陷深度的增加,谷值距無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的PV 值更遠(yuǎn),說明渦流受到缺陷的擾動(dòng)更強(qiáng),谷值和缺陷深度間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

圖7 信號(hào)特征對(duì)缺陷尺寸的響應(yīng)仿真曲線

2 試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及檢測(cè)探頭

在仿真分析的基礎(chǔ)上,搭建了雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件暫態(tài)渦流檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)(見圖8)。該試驗(yàn)平臺(tái)主要包括探頭、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、濾波器、示波器、采集卡和xy雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等裝置。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生基頻為100 Hz、最大幅值為0.5 A的方波激勵(lì)信號(hào),該信號(hào)經(jīng)功率放大器(增益10 d B)放大后輸入探頭激發(fā)入射磁場(chǎng)。同時(shí),探頭輸出的磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)由濾波器(增益50 d B、截止頻率10 Hz)處理后輸入數(shù)據(jù)采集卡和電腦以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)處理及顯示。

為更有效地對(duì)缺陷實(shí)施可視化定量評(píng)估,設(shè)計(jì)了雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件缺陷暫態(tài)渦流檢測(cè)專用探頭,該探頭主要由平面電流線圈、磁場(chǎng)傳感器和骨架構(gòu)成,其中,平面電流線圈采用雙層盤式、兩邊翼折疊90°的構(gòu)型[見圖1(b)],以保證線圈平面電流激勵(lì)區(qū)域激發(fā)單向均勻的入射磁場(chǎng);磁場(chǎng)傳感器為TMR2701隧道磁阻傳感器,用于拾取檢測(cè)信號(hào)B x;探頭骨架由樹脂材料經(jīng)3D打印制成。除骨架外,線圈和磁場(chǎng)傳感器均集成于柔性印制電路板(Flexible printed circuit,FPC)上。試驗(yàn)中,探頭底部距試件表面的提離為0.7 mm。

試驗(yàn)用雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件來模擬搭接式銅鋁過渡線夾,其尺寸(長×寬×厚)為120 mm×120 mm×6 mm,構(gòu)件上層為鋁合金,厚度為5.4 mm;底層為銅合金,厚度為0.6 mm,各層電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率如表1所示。為進(jìn)一步探究檢測(cè)信號(hào)及掃查曲線對(duì)線夾焊接界面金屬層減薄缺陷的響應(yīng)特性,在試件的鋁層表面設(shè)置加工了人工缺陷,包括①圓形體缺陷,其直徑為10～40 mm,深度為2.5～3.5 mm;②方形體缺陷,其邊長為30～40 mm,深度為3.5 mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了與仿真分析相對(duì)應(yīng),試驗(yàn)中,首先將檢測(cè)探頭放置于缺陷(尺寸參數(shù)為直徑30 mm×深度3.5 mm)中心處,獲取該位置處檢測(cè)信號(hào)。隨后,將檢測(cè)探頭分別放置于無缺陷區(qū)域處和空氣中,獲取兩種情況下的檢測(cè)信號(hào)。3種情況下探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)結(jié)果如圖9所示。

圖9 3種情況下探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)對(duì)比

由圖9可知,當(dāng)探頭位于線夾無缺陷處時(shí),檢測(cè)信號(hào)幅值最小;當(dāng)探頭位于空氣中時(shí),檢測(cè)信號(hào)幅值最大;當(dāng)探頭位于缺陷中心處時(shí),檢測(cè)信號(hào)幅值介于前面兩者之間,分析表明檢測(cè)信號(hào)對(duì)3種工況具備明顯的響應(yīng)特性,可檢出鋁層減薄缺陷,與仿真分析結(jié)論一致。

在檢測(cè)信號(hào)特性分析的基礎(chǔ)上,將檢測(cè)探頭放置于試件表面,利用xy雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)試件中設(shè)置的缺陷進(jìn)行掃查,掃查范圍為-30～30 mm(掃查原點(diǎn)為缺陷中心點(diǎn))。在各掃查點(diǎn)處拾取檢測(cè)探頭輸出的檢測(cè)信號(hào),并依照仿真分析中的信號(hào)處理手段,將其與基準(zhǔn)信號(hào)做差,獲得差分信號(hào),同時(shí)提取差分信號(hào)峰值(PV)作為檢測(cè)信號(hào)特征,構(gòu)建PV-探頭位置掃查曲線。30 mm×3.5 mm(直徑×深度)缺陷的掃查曲線如圖10所示。由圖10可見,試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致,檢測(cè)探頭在掃略缺陷邊緣處時(shí),掃查曲線出現(xiàn)先升后降再升的走勢(shì),說明缺陷的存在擾動(dòng)了渦流的分布及強(qiáng)度,造成渦流激發(fā)磁場(chǎng)的減弱。通過進(jìn)一步分析掃查曲線,可在檢出缺陷的同時(shí),獲取其尺寸參數(shù)等信息。

針對(duì)檢出缺陷的寬度定量評(píng)估,選取深度為3.5 mm 的各缺陷,對(duì)其進(jìn)行二維掃查,在獲得掃查曲線的基礎(chǔ)上對(duì)缺陷進(jìn)行成像,所得缺陷圖像如圖11所示。為方便比較分析,各缺陷圖像的像素值均為歸一化處理后的數(shù)值。

圖11 不同寬度缺陷的檢測(cè)成像

由圖11可知,缺陷圖像中的紅色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域,其形狀及寬度與實(shí)際缺陷參數(shù)相近。同時(shí),缺陷的開口形貌(圓形/方形)可直觀地從缺陷圖像中區(qū)分出來。此外,紅色區(qū)域邊緣兩側(cè)同樣存在類似掃查曲線的波峰和波谷,內(nèi)側(cè)深紅色區(qū)域?yàn)楣戎祬^(qū)域,外側(cè)藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉逯祬^(qū)域。由于檢測(cè)探頭激發(fā)的有效入射磁場(chǎng)為單向均勻場(chǎng),因此,峰值-谷值過渡區(qū)域表征了磁場(chǎng)傳感器所拾取磁場(chǎng)y分量在缺陷邊緣變化,通過提取該變化對(duì)應(yīng)的探頭坐標(biāo),可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷邊緣的定位及缺陷寬度的量化。結(jié)合試驗(yàn)獲取的缺陷圖像,對(duì)缺陷寬度進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估,所得缺陷寬度估計(jì)值與真實(shí)值的對(duì)比如圖12所示。由于探頭尺寸大于最小缺陷的直徑(10 mm),電磁場(chǎng)在被測(cè)試件中的擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致小缺陷的寬度評(píng)估誤差較大(相對(duì)誤差為18%);與之相比,隨著缺陷寬度或直徑的增大,評(píng)估精度逐漸提高,當(dāng)缺陷寬度或直徑為40 mm 時(shí),評(píng)估值的相對(duì)誤差僅為4%。

針對(duì)檢出缺陷深度的定量評(píng)估,選取直徑為30 mm 的圓形體缺陷,對(duì)各缺陷進(jìn)行二維掃查,所得缺陷圖像如圖13所示。

由圖13可知,當(dāng)缺陷深度增加時(shí),缺陷圖像中紅色區(qū)域顏色加深,表明渦流激發(fā)磁場(chǎng)因缺陷深度增大而逐漸減弱,缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的圖像像素值與缺陷深度具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。為了進(jìn)一步分析缺陷圖像特征與缺陷深度間的定量關(guān)系,提取各缺陷圖像中心處(y=0 mm)對(duì)應(yīng)的掃查曲線,如圖14所示;同時(shí),依照仿真分析中的相關(guān)方法,提取掃查曲線谷值,構(gòu)建谷值-缺陷深度關(guān)聯(lián)曲線,如圖15所示。

圖14 不同深度缺陷圖像中心處(y=0 mm)對(duì)應(yīng)的探頭掃查曲線(試驗(yàn))

圖15 谷值對(duì)缺陷深度的響應(yīng)曲線(試驗(yàn))

由圖14可知,隨著缺陷深度的增加,掃查曲線谷值逐漸降低,而掃查曲線峰值變化較小。進(jìn)一步分析表明,相較掃查曲線峰值,掃查曲線谷值與缺陷深度關(guān)聯(lián)性更強(qiáng),是缺陷深度定量評(píng)估的優(yōu)選圖像特征。由圖15可知,掃查曲線谷值與缺陷深度負(fù)相關(guān),關(guān)聯(lián)曲線近似呈線性,利用所獲谷值-缺陷深度關(guān)聯(lián)曲線及其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù),可對(duì)搭接式銅鋁過渡線夾焊接界面金屬層減薄缺陷深度實(shí)現(xiàn)量化評(píng)估。

3 結(jié)語

文章聚焦于雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件界面損傷的無損定量檢測(cè),深入探究銅鋁線夾焊接界面金屬層減薄缺陷的暫態(tài)渦流可視化定量檢測(cè)技術(shù)關(guān)鍵。建立了銅鋁過渡線夾暫態(tài)渦流檢測(cè)的二維有限元模型,通過分析檢測(cè)信號(hào)及掃查曲線對(duì)缺陷的響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)掃查曲線與無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)PV值的交點(diǎn)和缺陷寬度具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,掃查曲線的谷值和缺陷深度間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。在仿真分析的同時(shí),搭建了雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件暫態(tài)渦流檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)開發(fā)了基于FPC的暫態(tài)渦流檢測(cè)探頭。通過試驗(yàn)研究,在驗(yàn)證仿真分析結(jié)論的同時(shí),進(jìn)一步探究雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件界面損傷暫態(tài)渦流檢測(cè)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明,暫態(tài)渦流檢測(cè)可對(duì)銅鋁線夾焊接界面金屬層減薄缺陷實(shí)現(xiàn)成像及形貌辨析,所提檢測(cè)信號(hào)/圖像特征與缺陷寬度和深度具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,綜合利用這些信號(hào)/圖像特征可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層異質(zhì)金屬構(gòu)件界面損傷參數(shù)的定量評(píng)估。