何溪明
(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)
汽車輕量化能夠有效節(jié)約油耗和減少排量,鋁及鋁合金的材料特點(diǎn)以及性能優(yōu)勢使其成為當(dāng)今社會(huì)汽車輕量化的首選材料,在汽車制造和結(jié)構(gòu)部件中有廣泛應(yīng)用[1]。電阻點(diǎn)焊(resistance spot welding,RSW)在薄板金屬的連接中具有明顯優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等制造業(yè)[2],每輛汽車上的焊點(diǎn)數(shù)量約3 000~7 000個(gè)[3]。電阻點(diǎn)焊是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及到電、熱、機(jī)械和冶金現(xiàn)象的相互作用,而且鋁合金的電阻小、傳熱快,使得鋁合金點(diǎn)焊的難度較大,更容易產(chǎn)生不合格焊點(diǎn)。美國焊接協(xié)會(huì)(American welding society,AWS)在2012年發(fā)布的關(guān)于點(diǎn)焊質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,評(píng)估點(diǎn)焊焊點(diǎn)是否合格依據(jù)是焊點(diǎn)熔核直徑的大小[4],因此,熔核尺寸是決定焊點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。目前,運(yùn)用于點(diǎn)焊質(zhì)量檢測的方法有可視化檢測、X射線檢測及超聲檢測技術(shù)等[5],與其他無損檢測方法相比,超聲檢測具有低成本、高效率、無污染、便于操作等特點(diǎn),近些年,有許多學(xué)者進(jìn)行了常規(guī)超聲檢測點(diǎn)焊質(zhì)量的相關(guān)研究,但是常規(guī)超聲的檢測依賴耦合劑,因此對(duì)耦合條件、焊點(diǎn)表面質(zhì)量、零件表面形狀要求嚴(yán)格,致使常規(guī)超聲檢測無法廣泛采用。針對(duì)這些問題,利用電磁超聲無需耦合劑、非接觸、對(duì)零件表面狀態(tài)要求低等特點(diǎn)[6],筆者提出了一種采用電磁超聲Lamb波檢測點(diǎn)焊熔核直徑的新方法
電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)是電磁超聲檢測系統(tǒng)的核心部分,它由磁鐵、被測試件和線圈組成。被測試件按自身的屬性可分為鐵磁性材料(鋼、鎳)和非鐵磁性材料(銅、鋁)。電磁超聲的換能機(jī)理有3種:洛倫茲力機(jī)理、磁致伸縮機(jī)理以及磁化力機(jī)理。在鐵磁性材料中,以磁致伸縮機(jī)理為主;在非鐵磁性材料中,洛倫茲力機(jī)理占主導(dǎo)地位;一般情況下磁化力作用較小,在研究中可忽略不計(jì)[7]。
鋁合金薄板為非鐵磁性材料,主要以洛倫茲力機(jī)理激發(fā)出超聲波為主。激發(fā)過程為:高頻率、大功率的交變電流通入曲折線圈,在線圈周圍激發(fā)出交變電磁場,交變電磁場在鋁合金薄板的集膚深度內(nèi)感生出與線圈電流方向相反的感應(yīng)渦流。集膚深度內(nèi)的感應(yīng)渦流與永磁體提供的靜磁場相互作用,產(chǎn)生與磁場方向以及渦流方向垂直的洛倫茲力,洛倫茲力方向隨感應(yīng)渦流方向變化而變化,在交變洛倫茲力作用下,鋁板近表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng),這種質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在板內(nèi)形成超聲波的波源,洛倫茲力產(chǎn)生過程如圖1所示。
圖1 洛倫茲力產(chǎn)生過程
根據(jù)物理學(xué)中的電磁場理論,洛倫茲力在板內(nèi)的作用過程可以表示為[8]:
J=▽×H交
(1)
B渦=μ×H交
(2)
J渦=γE渦
(3)
f渦=f交+f靜
(4)
(5)
式中:▽為哈密爾頓算子;H交為交變電磁場強(qiáng)度;μ、γ為被測導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率;E渦為渦流產(chǎn)生的電場強(qiáng)度;f交、f靜分別為交變電磁場和靜磁場與渦流相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力密度;f洛是f交和f靜的合力密度;F洛為給定體積V內(nèi)的洛倫茲力。
鋁合金薄板中洛倫茲力是彈性介質(zhì)的聲源,在介質(zhì)中形成超聲波。介質(zhì)中任意質(zhì)點(diǎn)的位移均滿足彈性動(dòng)力學(xué)方程[9]:
ρ?2μ?t2=(λm+2μm)▽(▽·μ)-
μm▽×▽×μ+f洛
(6)
式中:λm、μm為拉密常數(shù);μ為質(zhì)點(diǎn)位移矢量;ρ為鋼板密度。
超聲波的接收過程其實(shí)就是發(fā)射過程的逆過程,鋁板中渦流的帶電粒子受到洛倫茲力的作用產(chǎn)生位移,當(dāng)發(fā)射的超聲波傳播到接收探頭下方時(shí),運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在外加偏置磁場作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電流,電流密度為:
J=σ(υ×B)
(7)
式中:σ為被測導(dǎo)體電導(dǎo)率;υ為被測導(dǎo)體中帶電粒子的移動(dòng)速度;B為永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
動(dòng)態(tài)電流會(huì)在鋁板內(nèi)部及周圍產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場,處于此動(dòng)態(tài)磁場中的接受探頭的接收線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,即為接收線圈內(nèi)的電壓信號(hào)。
基于洛倫茲力機(jī)理的Lamb波激發(fā)過程涉及穩(wěn)態(tài)磁場、動(dòng)態(tài)磁場、固體力學(xué)場和聲場的多場耦合,采用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)電磁超聲Lamb波檢測焊點(diǎn)熔核直徑進(jìn)行數(shù)值仿真分析。
因所建模型較大,幫選用二維建模,研究需要用到的物理場有: AC/DC模塊中的靜磁場、AC/DC模塊中的磁場、結(jié)構(gòu)力學(xué)中的固體力學(xué)以及聲學(xué)模塊中的壓力聲學(xué)(瞬態(tài))。電磁超聲Lamb波模型主要由永磁鐵、回折線圈、鋁板、空氣層組成,建立圖2所示的X-Y平面的幾何模型,右側(cè)為發(fā)射探頭,左側(cè)為接收探頭,兩探頭中心與焊點(diǎn)中心距離均為23 mm,所用鋁板牌號(hào)為5 182,具體尺寸和參數(shù)如表1所示。
圖2 EAMT幾何模型
表1 被測鋁板尺寸和參數(shù)
永磁鐵為銣鐵硼,寬和高均為30 mm,矯頑力為915 KA/m,其磁場方向垂直于鋁板;曲折線圈由4匝銅導(dǎo)線制作而成,導(dǎo)線寬1 mm,厚0.1 mm,線圈的提離距離為0.2 mm,從右往左對(duì)發(fā)射探頭的8根導(dǎo)線從1~8依次編號(hào),給第1、3、5、7根導(dǎo)線施加電流i(t),給第2、4、6、8條導(dǎo)線施加方向相反的電流-i(t)。電磁超聲換能器的激勵(lì)信號(hào)一般為窄帶或調(diào)制tone burst信號(hào),調(diào)制的tone burst信號(hào)利用式(8)來表征:
i(t)=Isin(ωt)×(1-cos(ωt/n))
(8)
式中:n為脈沖信號(hào)周期數(shù);ω=2πf;f為激勵(lì)電流頻率;I為激勵(lì)電流大小。仿真時(shí)采用的頻率f=1 MHz,周期數(shù)n=5,激勵(lì)電流I=50 A。激勵(lì)信號(hào)的波形如圖3所示。
圖3 激勵(lì)信號(hào)的波形圖
研究的鋁板厚度為1 mm,激勵(lì)電流的頻率為1 MHz,頻厚積為1 MHz·mm,根據(jù)Lamb波的頻散曲線圖可知,板中會(huì)產(chǎn)生兩種模態(tài)的Lamb波:A0和S0模式,且A0模式Lamb波對(duì)應(yīng)的相速度和群速度分別為2 300 m/s和3 100 m/s;S0模式Lamb波對(duì)應(yīng)的相速度和群速度分別為5 400 m/s和5 200 m/s。為了盡量減小兩種模態(tài)波形對(duì)檢測結(jié)果的干擾,需要抑制其中一種模態(tài)的產(chǎn)生,可通過改變曲折線圈的間距達(dá)到增強(qiáng)S0模態(tài)Lamb波、抑制A0模態(tài)Lamb波的效果。根據(jù)2L=λ=c/f,按照S0模式Lamb波的波長設(shè)計(jì)線圈間距,計(jì)算得到線圈間距為2.7 mm。在此條件下,激發(fā)出的S0模態(tài)的信號(hào)幅值比A0模態(tài)大的多。
為了更加直觀地分析所得到的計(jì)算結(jié)果,設(shè)置觀察區(qū)域A,A為一長度為50 mm的線段,該區(qū)域位于發(fā)射探頭下方、上層鋁板表面0.01 mm處。對(duì)靜磁場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解,得到圖4所示的永磁鐵周圍的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,從圖4可知永磁鐵邊緣產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大,中間部分較弱。
圖4 永磁鐵周圍的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖
激勵(lì)線圈通入高頻電流后,鋁板的集膚深度內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流,圖5(a)為2.3 μs時(shí)刻鋁板集膚深度內(nèi)的感應(yīng)渦流分布云圖,圖5(b)為對(duì)應(yīng)的A區(qū)域Z方向上的渦流密度分布云圖,從圖5可以看出:由于線圈相鄰導(dǎo)線通入的電流方向相反,鋁板集膚深度內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)渦流方向也相反。
圖5 某時(shí)刻鋁板集膚深度內(nèi)的渦流分布和渦流密度圖
由于電磁超聲Lamb波的發(fā)射涉及多個(gè)物理場的耦合,因此要設(shè)置相關(guān)的耦合變量。將磁感應(yīng)強(qiáng)度與鋁板內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密度的乘積作為鋁板內(nèi)部受到的體力,在靜態(tài)偏置磁場與感應(yīng)渦流的相互作用下,鋁板內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的洛倫茲力,并作用于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)上使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),形成超聲波聲源。
為了更直觀地觀察Lamb波在鋁板內(nèi)部的傳播狀態(tài),選取3 μs、10 μs、26 μs和35 μs時(shí)刻鋁板內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)位移X分量的云圖來反映波在被測鋁板內(nèi)部的傳播過程,如圖6所示。3 μs時(shí)刻,激勵(lì)線圈下方的鋁板內(nèi)部發(fā)生質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),形成超聲波聲源,其激發(fā)的Lamb波主要為S0模式和A0模式,由于A0模式的信號(hào)幅值較小,在云圖中難以觀察到,因此圖6中所示主要為S0模式的Lamb波的傳播情況;10 μs時(shí)刻,通入線圈的激勵(lì)電流已經(jīng)結(jié)束,鋁板內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生的超聲波開始向兩側(cè)傳播,向左側(cè)傳播的S0模式的Lamb波記為S0L,向右側(cè)傳播的S0模式的Lamb波記為S0R,因?yàn)辄c(diǎn)焊會(huì)使上下兩層板的焊接位置接合在一起,所以S0L傳播到焊點(diǎn)的焊接部位時(shí),有部分超聲波會(huì)通過焊點(diǎn)從上層板進(jìn)入下層板,另一部分則繼續(xù)沿著上層板傳播,此時(shí),S0L第一次傳播到接收探頭下方;26 μs時(shí)刻,S0RL剛好經(jīng)過接收線圈下方,S0RL為S0R經(jīng)過鋁板右端面反射后的Lamb波;35 μs時(shí)刻,S0RL到達(dá)到接收探頭下方,S0RL為S0L經(jīng)過鋁板左端面反射得到的Lamb波。
圖6 不同時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位移X分量云圖
選取接收線圈中心點(diǎn)正下方、上層鋁板表面0.1 mm處作為觀察點(diǎn)C,用來反映接收線圈下方質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況如圖7(a)所示,第1個(gè)波為接收線圈接收到的S0L,第2個(gè)波為S0RL,第3個(gè)波為S0RL。為了得到線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓,將靜態(tài)偏置磁場求得的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度、鋁板的電導(dǎo)率以及質(zhì)點(diǎn)速度的乘積作為接收線圈下方的鋁板內(nèi)部的源電流密度,通過仿真計(jì)算得到圖7(b)所示的接收線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的曲線,從圖7可以看出,質(zhì)點(diǎn)在X方向上的振動(dòng)情況可以反映出探頭接收到的電壓信號(hào)的變化趨勢。
圖7 C處質(zhì)點(diǎn)位移X分量與線圈內(nèi)電壓的變化曲線
為了研究不同尺寸的熔核直徑引起的電壓信號(hào)的變化,建立了熔核直徑偏小模型(熔核直徑2 mm)和漏焊模型(無熔核),得到C處的質(zhì)點(diǎn)位移X分量如圖8(a)所示。漏焊的情況下,兩層板未焊透,Lamb波只能在上層鋁板中傳播,因此漏焊情況下C處的質(zhì)點(diǎn)位移X分量遠(yuǎn)大于合格焊點(diǎn);當(dāng)熔核直徑偏小時(shí),C處的質(zhì)點(diǎn)位移X分量處于合格焊點(diǎn)與漏焊焊點(diǎn)中間。由此可知,熔核直徑的大小直接影響接收探頭下方質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的幅值大小,而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的幅值大小也反映了Lamb波的信號(hào)強(qiáng)弱。從圖8(b)也可以看出,電壓信號(hào)變化情況可以很好地反映鋁板內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況。直觀的分析電壓信號(hào)的變化情況就可以判斷出此焊點(diǎn)的熔核直徑是否合格,通過仿真結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:存在漏焊焊點(diǎn),即無熔核情況時(shí),接收到的電壓信號(hào)幅值最大;當(dāng)存在熔核,但熔核直徑偏小時(shí),有一部分Lamb波在經(jīng)過焊點(diǎn)時(shí)會(huì)傳播到下層板,因此接收到的電壓信號(hào)幅值有所減小;當(dāng)熔核直徑合格時(shí),進(jìn)入下層板的Lamb波增加,電壓信號(hào)幅值進(jìn)一步減小。因此,不同直徑焊點(diǎn)信號(hào)幅值大小對(duì)比:漏焊焊點(diǎn)>熔核偏小焊點(diǎn)>合格焊點(diǎn)。
圖8 不同熔接直徑下,C處質(zhì)點(diǎn)位移X分量及線圈內(nèi)電壓信號(hào)對(duì)比圖
本研究中建立了電磁超聲Lamb檢測鋁合金點(diǎn)焊熔核直徑的二維有限元模型,研究結(jié)果為非接觸、高效率和低成本的車身焊點(diǎn)熔核直徑檢測提供了理論依據(jù)和新方法。主要的研究工作和結(jié)論如下:
(1)通過對(duì)EMAT的二維有限元分析,得到永磁鐵的磁場分布以及感應(yīng)渦流在鋁板集膚深度內(nèi)的分布規(guī)律。
(2)在COMSOL有限元分析軟件中建立不同熔核直徑的點(diǎn)焊模型,分析不同熔核直徑焊點(diǎn)的信號(hào)差異,根據(jù)回波信號(hào)可以判斷焊點(diǎn)的熔核直徑是否合格。