旋轉磁場激勵下激光焊接裂紋磁光成像規律研究

杜亮亮，高向東，周曉虎，王春草

(廣東工業大學 廣東省焊接工程技術研究中心，廣州 510006)

引 言

激光焊接技術能將激光束集中于非常狹小的區域，從而產生高能量密度的熱源，已廣泛應用于制造業和航空業[1]。為保證焊接產品的質量，需對激光焊接缺陷進行精確有效的檢測。目前國內外檢測焊接缺陷的方法主要有射線檢測、超聲檢測、滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、漏磁檢測以及結構光視覺檢測等[2-3]。雖然這些方法在保證焊接產品質量方面起到了重要作用，但是它們也存在一定的局限性，例如射線檢測的光源對人體有輻射[4]；超聲檢測需要耦合劑，并且和渦流成像一樣難以對焊接缺陷直接成像[5-6]；滲透檢測的顯像劑對人體有害；磁粉檢測對工件表面要求嚴格，主要用于表面缺陷的檢測[7]；漏磁檢測只適用于磁性焊接材料的檢測，并且檢測結果不直觀，無法可視化顯示[8]。激光焊接過程中，可見光信號對焊接缺陷具有較強的識別度，可以作為焊接質量的檢測對象[9]。而基于法拉第磁致旋光效應的磁光成像(magneto-optical imaging,MOI)無損檢測新方法，根據磁場激勵使焊件缺陷處產生漏磁，通過成像裝置探測缺陷漏磁處的垂直磁場變化，獲取包含缺陷信息的磁光圖像[10]。磁光成像方法具有靈敏度高和檢測圖形可視化的特點，可用于微小缺陷和亞表面缺陷的檢測[11]。

目前焊接缺陷磁光成像檢測基本上是基于恒定磁場勵磁，磁場的大小和方向恒定[12]，難以實現多方向缺陷和亞表面缺陷的檢測，并且磁光傳感器對缺陷處磁場的變化過于靈敏容易飽和，丟失缺陷信息[13]。近年來國內外也有基于交變磁場勵磁下的磁光成像研究[14]，例如用交變磁場激勵被測試件，通過感應線圈獲取試件信號[15]，或者用磁光傳感器在一個周期下可以采集到不同磁感應強度下缺陷的漏磁場分布情況[16]，但是該方法仍然難以實現多方向焊接缺陷的檢測。

為實現多方向缺陷和亞表面缺陷的檢測，提高缺陷無損檢測效率，研究基于旋轉磁場激勵的磁光成像無損檢測新方法。用兩相交流電相位角和交叉角都為90°的旋轉磁場發生器給焊件勵磁，通過磁光傳感器獲取缺陷磁光圖，以3幀磁光圖為一組對所獲得的磁光圖進行排列，分析全部組中第1幀磁光圖的變化，研究旋轉磁場工頻勵磁下的成像規律，為后續研究旋轉磁場下不可見缺陷的檢測、旋轉磁場的場能堆積和磁力線分布情況提供實驗依據。

1 磁光成像原理及旋轉磁場理論

1.1 磁光成像

圖1為磁光傳感器工作原理。光源LED發出的光經起偏器變成線偏振光并通過磁光薄膜，經反射鏡片反射再次通過磁光薄膜，這時反射鏡片下方裂紋處的垂直磁場分量發生了變化[17]，根據法拉第效應，線偏振光的偏振方向會發生一定角度的偏轉，檢偏器探測包含焊接裂紋信息的線偏振光的變化后被成像元件接收，形成裂紋磁光圖像[18]。

Fig.1 Working principal of magneto-optical sensor

1.2 旋轉磁場

一個磁場可由其大小和方向表示，當兩個磁場同時作用時，其合磁場符合矢量疊加的平行四邊形法則。當兩個交變磁場復合時，能形成圓形或橢圓形的旋轉磁場[19]。這里只討論圓形旋轉磁場的情況。設兩相磁場幅值相等的正弦交變磁場分別為H1與H2，且H1與H2的交叉角為α，其表達式[20]分別為：

H1=Hmsin(ωt)

(1)

H2=Hmsin(ωt-φ)

(2)

式中，Hm為交變磁場的幅值，ωt為激磁電流的相位角，φ為兩磁場的相位差。通過簡單的合成計算，可得：

(3)

式中，Hx和Hy分別為水平方向和豎直方向上的磁場強度分量。

當cos(α/2)cos(φ/2)=sin(α/2)sin(φ/2)，即α+φ=180°且φ=π/2時，兩正弦交變磁場在O點相疊加形成的合磁場H1,2如圖2所示。此時形成的合磁場為圓形旋轉磁場，H1,2隨著相位角ωt的改變沿著圓形軌跡旋轉，由交流電源頻率為50Hz可知,此旋轉磁場20ms旋轉1圈。

Fig.2 Schematic diagram of rotating magnetic field

1.3 旋轉磁場磁光成像分析

在旋轉磁場工頻勵磁實驗中，磁光傳感器采樣頻率為75Hz，即磁光傳感器每13.3ms采集1幀磁光圖。由圖3可知，在旋轉磁場兩個勵磁周期(40ms)內，磁光傳感器采集連續3幀動態磁光圖像，圖3a、圖3b和圖3c為幀磁光圖像，每一幀磁光圖采集時勵磁電壓方向和大小都是不同的，形成的合磁場也會有變化，磁光圖像的對比度也隨之變化。

Fig.3 Dynamic MOI induced by rotating magnetic field

2 焊接裂紋檢測系統設計

如圖4所示，實驗系統主要由YAG激光器、旋轉磁場發生器、磁光傳感器及計算機組成。圖5為焊件裂紋實物圖。由于實際激光焊接實驗中難以獲得裂紋，所以本實驗中利用YAG激光器焊接兩塊低碳鋼板模擬裂紋，用兩相交流電相位角和交叉角都為90°的旋轉磁場發生器對圖5中的感興趣區域進行勵磁，由磁光傳感器采集包含裂紋信息的動態磁光圖，通過分析所獲磁光圖中第1幀磁光圖的變化來研究旋轉磁場工頻激勵下的成像規律。激光焊接工藝實驗參量如表1所示。低碳鋼板參量為200mm×80mm×2mm；旋轉磁場發生器勵磁電壓為150V，頻率為50Hz，提離值為3mm；磁光傳感器的采樣頻率為75Hz，圖像大小為400pixel×400pixel。

Fig.4 Experimental setup of magneto-optical imaging of weldment under the excitation of rotating magnetic field

Fig.5 Physical diagram of weld cracks

defect typewelding peak power P/kWwelding speedv/(mm·s-1)pulse widthS/mmgas flow Q/(L·min-1)crack12.5615

3 實驗結果與分析

3.1 旋轉磁場勵磁裂紋磁光圖像

實驗分析過程中將采集到的1200幀磁光圖以3幀一個組依次分成400組，每組中的3幀磁光圖分別定義為第1幀、第2幀、第3幀，以第1組的3幀磁光圖作為初始3幀磁光圖，把這400組磁光圖按順序排列，對比分析所有組中第1幀磁光圖的變化，按次序提取當中第1幀變化最明顯的7組磁光圖,如圖6所示。

Fig.6 MOI of cracks under the excitation of rotating magnetic field

3.2 旋轉磁場磁光成像規律

由圖6可知，旋轉磁場工頻勵磁下所采集到的裂紋第1幀磁光圖并非一成不變，而是隨著采集時間的推移呈現規律性的變化。由于本實驗焊件裂紋區域分布平緩，每一列的灰度值分布基本相同，所以提取任意一列進行灰度值分析都不會影響實驗結果。提取第1組第1幀和第7組第1幀的第200列灰度值作灰度分布圖，如圖7a所示。第7組第1幀和第1組第1幀灰度值相近，說明第7組第1幀和第1組第1幀是相同的，即旋轉磁場工頻勵磁下第1幀磁光圖經過一系列變化又回到了初始圖像，亦即磁場強度和磁場位置也回到了初始值和初始位置。同樣從圖6看出，第1組第2幀和第3幀磁光圖也會隨著時間而變化最終回到初始狀態。第1組第1幀到第7組第1幀共885幀磁光圖，磁光傳感器采樣時間約為12s。由此得到工頻旋轉磁場勵磁下磁光成像第1個規律：任意一幀磁光圖隨著勵磁時間的推移都會發生變化，經過885幀磁光圖后回到初始狀態。

Fig.7 Contrast of grayscale curves in the 200th column of each group

a—the 200th column of the 1st frame in group 1 and the 1st frame in group 7 b—the 200th column of the 2nd frame in group 1 and the 1st frame in group 3 c—the 200th column of the 3rd frame in group 1 and the 1st frame in group 5

結合圖3旋轉磁場激勵下的動態磁光成像圖，旋轉磁場每20ms旋轉一圈，磁光傳感器約13.3ms采集一幀磁光圖，旋轉磁場旋轉兩個周期時可采集到一組即3幀連續的磁光圖，采集每一幀的位置分別對應圖8中第1組、第3組、第5組的位置。而圖8所示的是所有磁光圖中第1幀的變化，可以明顯看出,第1幀的變化經歷了變為初始第2幀、初始第3幀的過程，即隨著采集時間的推移，旋轉磁場的勵磁強度和勵磁位置也在發生周期性的改變。

Fig.8 Change process of the 1st frame magneto-optical image

提取第3組第1幀和第1組第2幀的第200列灰度值、第5組第1幀和第1組第3幀的第200列灰度值作對比，結果如圖7b和圖7c所示，兩對曲線近似，說明工頻旋轉磁場激勵下，初始第1幀的變化經過了初始第2幀、初始第3幀的過程，最后變回初始第1幀。從圖6還可以看出，初始第2幀的變化經歷了初始第3幀、初始第1幀的過程，初始第3幀也有類似變化。由此得到工頻旋轉磁場勵磁下磁光成像第2個規律：每1幀磁光圖的變化都可以定義為以初始3幀磁光圖為一個循環周期，依次向下一幀轉換，回到初始的這一幀后，又繼續按循環周期依次向下一幀變換，在采樣時間內，一直以此規律重復進行。

實驗中參照旋轉磁場磁光成像的兩個規律，可以有效減少勵磁時間，達到最佳勵磁效果，有利于提高旋轉磁場無損檢測效率，為研究旋轉磁場激勵下的缺陷磁分布情況和磁光成像機理提供實驗依據。

3.3 旋轉磁場磁光圖像規律分析

旋轉磁場在兩個勵磁周期內可以采集到一組包含缺陷信息的磁光圖，按照此特性每一組第1幀的采集位置和勵磁強度都相同，每一組第1幀的磁光圖像也是相同的。對于圖6中第1幀的變化，是由于旋轉磁場勵磁過程中存在磁滯效應。圖9中的閉合曲線ACDEFGA為焊件的磁滯回線，在工頻旋轉磁場勵磁下，磁場幅值不會足夠大到使焊件經歷完整的磁滯回線[21]。被測焊件未到達飽和磁化強度OA，旋轉磁場在P點、M點突然改變方向，焊件的磁化狀態并不沿原路折回，而是在PQ之間、MN之間形成一個小的磁滯回線，沿這條新的局部小磁滯回線移動。

Fig.9 Magnetic hysteresis loop of the weldment under the excitation of rotating magnetic field of frequency 50Hz

旋轉磁場在一個勵磁周期后，其起點并不是原來的位置，勵磁強度方向和大小也會不同，導致磁光傳感器采集到的每一組磁光圖也有差異。如圖9中P點采集的是圖6中第1組磁光圖，Q點采集的是圖6中第2組磁光圖，隨著采集時間的推移，這種差異也會越來越明顯。

4 結 論

在工頻旋轉磁場勵磁下，任意一幀缺陷磁光圖隨著勵磁時間的推移都會發生變化，以初始3幀磁光圖為一個循環周期依次向下一幀轉換，經過885幀磁光圖后回到初始狀態。局部小磁滯回線的形成使得旋轉磁場每個勵磁周期的起點發生周期性變化，導致采集到的磁光圖像也隨之交替變化。實驗中參照旋轉磁場磁光成像的兩個規律，可以有效減少勵磁時間，達到最佳勵磁效果，提高了旋轉磁場無損檢測效率，為研究旋轉磁場激勵下的缺陷磁分布情況和磁光成像機理提供了實驗依據。