黃長輝，屈念文，竇銘瑞，李 平，程強(qiáng)強(qiáng)

(1．江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院，南昌330029;2．南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院，南昌330063)

0 引言

在共享單車制造中，大部分單車支架都是以焊接的方式連接。焊接作為一種連接兩部分工件的基本工藝，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)，焊縫作為單車車架重要聯(lián)接部位，焊縫接頭處是單車焊縫中最復(fù)雜也是最脆弱的部位，因?yàn)楹附咏宇^處的應(yīng)力分布復(fù)雜，各項(xiàng)力學(xué)性能也不均勻，所以在制造和使用過程中極易產(chǎn)生缺陷。這些缺陷類型較多，而且會導(dǎo)致單車的承載能力下降，從而使單車存在不穩(wěn)定因素。尤其在目前共享單車被大量使用的背景下，若焊縫內(nèi)部缺陷沒有被排除，在夏天高溫暴曬、冬天低溫雨雪等環(huán)境下，共享單車焊接部位極易老化生銹，長期的應(yīng)力集中等還會導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)張到一定程度時(shí)，自行車會發(fā)生突然斷裂，對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成潛在的威脅［1-2］。

為了減少單車故障的發(fā)生率，排除單車焊縫的質(zhì)量問題，降低焊縫問題帶來的損失，研究焊縫檢測技術(shù)尤其是高效的檢測技術(shù)是相當(dāng)必要的。焊縫由于幾何上的不連續(xù)性和力學(xué)性能的復(fù)雜性，導(dǎo)致其成為缺陷產(chǎn)生的高發(fā)區(qū)［3］。其中一些外部缺陷容易用肉眼識別，如焊縫成型不良、焊縫凹陷、咬邊、焊瘤、表面裂紋、弧坑等。內(nèi)部缺陷通常位于焊接接頭的內(nèi)部，無法直接通過肉眼查看，需要特定的儀器設(shè)備(包括X射線機(jī)、超聲波發(fā)生器)等進(jìn)行缺陷檢測與表征［4］。

目前，國內(nèi)外對焊縫進(jìn)行檢測主要包括5大常規(guī)檢測方法［5-8］，即磁粉檢測(Magnetic testing，MT)、滲透檢測(Penetrant testing，PT)、射線檢測(Radiographic testing，RT)、渦流檢測 (Eddy current testing，ET)和超聲檢測(Ultrasonic testing，UT)。這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在各自的不足。MT和PT更適合檢測物體的表面或者近表面缺陷，無法對焊縫內(nèi)部做出檢測;RT能直觀地看到焊縫內(nèi)的缺陷，但是面對數(shù)量眾多的單車，會面臨效率及成本的壓力，所以也不適合檢測單車;ET雖然可以用于對焊縫中存在的缺陷進(jìn)行定位，但無法準(zhǔn)確地檢測出缺陷的類型和大小;UT雖然高效、成本低，但是要求與檢測工件表面耦合，導(dǎo)致它易受到工件的形狀和尺寸的影響。然而，單車車架的焊縫形狀較為復(fù)雜，表面較為粗糙，也不適合用超聲來檢測［9-10］。因此，本研究提出一種可以接觸焊縫復(fù)雜表面，能高效直觀地檢出焊縫缺陷的弱磁檢測新方法。弱磁檢測［11-12］是利用天然地磁場，無需激勵(lì)磁化的檢測方法，傳統(tǒng)的漏磁檢測方法需要強(qiáng)磁場對工件進(jìn)行磁化才可檢測，但弱磁檢測利用天然磁場和鐵磁性物質(zhì)的特性，可非常方便地對焊接工件實(shí)施檢測，對環(huán)境以及工件的要求不高，普遍性好，適用范圍廣。所以相比于其他檢測技術(shù)，不管在效率成本方面，還是缺陷檢測方面，弱磁檢測技術(shù)明顯更適合單車的焊縫檢測。

1 弱磁檢測焊縫檢測原理

被檢測工件的缺陷(不連續(xù))的磁學(xué)本質(zhì)是磁導(dǎo)率的變化［13］，所以可以將磁導(dǎo)率變化時(shí)引起的磁場變化歸納為:

式(1)類似光的折射定律，可假設(shè)磁力線發(fā)生了“折射”。工件表面為工件本身材質(zhì)和空氣的分界面，磁力線同樣會發(fā)生“折射”，在不考慮工件形狀等因素的影響下，均勻材質(zhì)處的折射規(guī)律一致，磁場強(qiáng)度保持不變。但是，若工件中存在缺陷時(shí)，由于磁導(dǎo)率的不同，磁力線將在缺陷位置形成“折射”，而且這種“折射”現(xiàn)象會受到缺陷形態(tài)的影響，磁力線的走向非常復(fù)雜，會導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，這種因缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化為弱磁檢測提供了可能［14］。從理論上看，只要兩種材質(zhì)的不同，磁力線就會發(fā)生“折射”。無論材料與空氣的磁導(dǎo)率差異是大還是小，在材料缺陷的位置磁力線都會產(chǎn)生“折射”現(xiàn)象，磁信號將發(fā)生畸變。因此，只要有能夠提取到該磁異常信號的傳感器，就能進(jìn)行弱磁檢測，從某種意義上說，弱磁檢測的適用范圍是很廣的［15-16］。

圖1為弱磁檢測示意圖。假定傳感器測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，地磁場強(qiáng)度為H1，工件材質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ1，工件的幾何形狀為V，則

圖1 弱磁檢測示意圖Fig．1 Sketch of weak magnetic detection

從式(2)可以看出，采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度同時(shí)受3個(gè)因素，即地磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和工件的幾何形狀共同影響。實(shí)際檢測時(shí)，對于平板型檢測對象，整個(gè)工件的尺寸相對于弱磁實(shí)時(shí)檢測區(qū)域是比較大的，除去端頭區(qū)域，可以認(rèn)為工件無限大，工件幾何形狀V的影響可以忽略。H1和μ1是不變的常量，因此在無缺陷處，磁感應(yīng)強(qiáng)度基本是不變的。假設(shè)缺陷的磁導(dǎo)率為μ2，缺陷幾何尺寸為Ω，埋藏深度為h，則

所以缺陷會導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，這就是弱磁檢測的基本理論依據(jù)，通過采集不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度就可以判斷工件是否存在缺陷。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2．1 試驗(yàn)工件及儀器

選取自行車常見的頭管與主梁的管焊接部位焊縫作為試驗(yàn)對象(圖2)，頭管壁厚1．25 mm，主梁管壁厚0．98 mm，焊縫周長220 mm。該焊縫材質(zhì)為鉻鉬鋼，焊接方式采用常見的非熔化極氣體保護(hù)電弧焊(Gas-shielded arc welding)的手工焊接。本試驗(yàn)檢測的焊縫范圍為連接2個(gè)管形金屬件的焊縫弧面區(qū)域?；∶?位于工件的正面，如圖2中所標(biāo)注的位置;弧面2位于該工件的背面。

試驗(yàn)所用的儀器是自主開發(fā)的高精度磁法共享單車焊縫檢測儀，如圖3所示。具體技術(shù)指標(biāo)如下:1)傳感器測量靈敏度:1 nT;2)缺陷分辨率:1 mm;3)電壓:220 V;4)電流:5 mA;5)測量范圍:－200 000～200 000 nT;6)溫度:－20～75℃;7)濕度:20%～80%;8)重復(fù)性:97．5%。

圖2 被檢工件Fig．2 Work piece

圖3 共享單車焊縫檢測儀Fig．3 Welding detector for shared bicycle

2．2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)是在天然地磁場環(huán)境下(即要求環(huán)境磁場相對穩(wěn)定，一般要求環(huán)境磁場的變化在0～20 nT之內(nèi))、采用共享單車焊縫弱磁檢測儀對自行車試件進(jìn)行檢測試驗(yàn)。特別要求的是，試驗(yàn)所使用的測試平臺應(yīng)為非鐵磁性材料，這是為了盡可能減少來自外界環(huán)境的噪聲磁場對試件自身的微磁信號的干擾。檢測開始后，操作者一手握住被檢工件，一手持探頭，沿著焊縫按照順時(shí)針和逆時(shí)針方向?qū)缚p進(jìn)行掃查，每次掃查一周。檢測時(shí)要求測磁傳感器垂直緊貼于工件的焊縫檢測表面，并且勻速地推動測磁傳感器。圖4為單車焊縫被檢工件弧面1和弧面2的掃查原始信號圖。

從圖4a中可以看出，信號在6～11、45～52、78～82、86～93 mm處出現(xiàn)了異常變化，但除了45～52 mm處信號變化較為明顯外，其他位置信號變化不大。有經(jīng)驗(yàn)的儀器使用者可以清楚地區(qū)分磁信號的畸變位置和非畸變位置，但一般的檢測人員則容易造成漏判和誤判。因此，為了提高缺陷檢測的準(zhǔn)確度，本研究引入了基于磁場梯度的缺陷識別方法，能更準(zhǔn)確地將缺陷畸變的磁信號提取出來。圖4b為自行車焊縫2號弧面的檢測原始信號，其信號特征與1號弧面信號類似，其信號異常位置為 26～32、76～81、100～105 mm 處，這同樣需要通過基于磁場梯度的缺陷信號識別方法來進(jìn)行缺陷的提取。

2．3 基于磁場梯度的缺陷信號識別

磁場強(qiáng)度是一個(gè)矢量，檢測時(shí)測磁傳感器采集的磁信號是垂直于焊縫表面的Z軸方向的磁場強(qiáng)度的大小。根據(jù)測磁傳感器所測磁場的特點(diǎn)可以看出，位于焊縫表面的磁場信號波動較大，與其他位置的磁信號不同。因此，借鑒數(shù)學(xué)中常用的梯度法對磁信號進(jìn)行處理，將焊縫表面的磁信號波動進(jìn)行放大，使缺陷區(qū)域更加明顯。數(shù)學(xué)中，磁場梯度可以表示為磁信號的微分，即

其中，B(x)表示TMR傳感器采集到的磁場強(qiáng)度信號，x為空間檢測路徑，ΔB為沿著某一檢測方向的磁場梯度。若工件不存在缺陷，在地磁場的作用下，磁力線在工件上均勻分布，磁場強(qiáng)度變化較小且連續(xù)，所以磁場梯度為一個(gè)近似的定值。而當(dāng)工件上某處有缺陷時(shí)，根據(jù)磁場梯度的定義可知該處的值將會發(fā)生一個(gè)較大的變化，而且這種變化與工件所處環(huán)境磁場強(qiáng)度的變化相比是巨大的，因此根據(jù)這一特性可有效地提取出工件中存在的缺陷。

圖4 被檢工件掃查原始信號Fig．4 Original magnetic signal of tested workpieces

對被檢工件1號弧面和2號弧面掃查采集到的原始信號進(jìn)行磁場梯度處理后得到工件磁信號的一次處理信號，如圖5所示。從圖5a中可以看出，在數(shù)據(jù)處理之后的信號圖中，可以比較明顯的看出在10、42、81、91 mm處均出現(xiàn)了超過閾值線的信號，可以判斷為缺陷信號。同理，從圖5b中可以看出，在30、80、102mm處出現(xiàn)了超閾值的缺陷磁信號。因此，采集的原始磁信號進(jìn)行求取梯度后可以很好的提取出缺陷的磁異常信號，準(zhǔn)確、直觀地找到缺陷所在的位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究所述弱磁檢測方法對于共享單車焊縫缺陷檢測結(jié)果的正確性，將試驗(yàn)結(jié)果與射線檢測的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。射線檢測對于焊縫內(nèi)部缺陷檢測具有直觀、可記錄、靈敏度高等特點(diǎn)。采用數(shù)字射線(Digital radiography，DR)的檢測方法對本研究使用的共享單車試件的1號弧面和2號弧面進(jìn)行射線照射并拍照。圖6a為1號弧面的射線檢測照片，從圖中可以看出，該弧面中存在4個(gè)缺陷:第一個(gè)缺陷判定為根部未熔合，長度為1．78 mm;第二個(gè)缺陷判定為金屬夾渣，缺陷長為4．61 mm;第三個(gè)缺陷判定為孔型缺陷，孔的直徑為1．13 mm;第四個(gè)缺陷判定為密集型缺陷(氣孔)，缺陷的總長為5．21 mm。圖6b是試件2號弧面的射線檢測照片，可以看出該弧面存在3個(gè)缺陷:2個(gè)為孔型缺陷，直徑分別為 1．67、2．67 mm;另一個(gè)為密集型缺陷(氣孔)，缺陷總長為4．31 mm。將該射線檢測結(jié)果與基于弱磁的共享單車焊縫缺陷檢測結(jié)果對比可知，兩種方法檢測出的缺陷對應(yīng)一致，充分說明本研究所述方法對于共享單車的焊縫檢測是有效、可行的。

4 結(jié)論

1)采用基于弱磁的方法對共享單車焊縫試件進(jìn)行檢測，通過與DR的檢測結(jié)果對比可以看出:弱磁檢測方法共檢測出焊縫中存在的7個(gè)缺陷(其中弧面1中有4個(gè)缺陷，弧面2中有3個(gè)缺陷)，與DR的檢測結(jié)果對應(yīng)一致，證明了基于弱磁的檢測方法運(yùn)用于共享單車焊縫檢測的可行性。

圖5 被檢工件一次處理信號圖Fig．5 Primary processed signal of tested workpieces

圖6 共享單車焊縫的DR檢測結(jié)果Fig．6 Digital ray testing results for bicycle welds

2)為了有效地提取微弱磁信號中由缺陷產(chǎn)生的異常磁信號，采用基于磁場梯度的缺陷信號識別方法對原始采集的磁信號進(jìn)行處理(一次處理信號)，使得缺陷的識別更加準(zhǔn)確，有效地提高了缺陷分辨率和對微小缺陷的檢測能力。