交变磁场下焊接缺陷磁光成像特征分析

李彦峰 季玉坤 高向东 张艳喜 孙友松 肖小亭 潘春荣

1.广东工业大学广东省焊接工程技术研究中心，广州，5100062.江西理工大学机电工程学院，赣州，341000

0 引言

激光焊接作为工业制造重要的加工技术，已广泛应用于汽车制造、石油化工、冶金机械和核站电力等工业领域[1-3]。由于焊接速度、激光功率、保护气流量以及焊件表面状况等因素的影响，激光焊接过程有时不稳定，会导致焊缝产生未熔合、裂纹、凹坑、飞溅等缺陷，从而直接影响焊接质量[4-5]。这些质量问题直接威胁到产品安全，并可能导致严重事故，因此，实时准确检测焊接缺陷的类型和危害程度十分重要。

目前焊接缺陷无损检测方法主要包括射线检测[6]、超声检测[7]、磁粉检测[8]、漏磁检测[9-10]和涡流检测[11]等。上述无损检测方法都有其各自优势及一定的局限性，如射线检测对人体有害，实验设备昂贵；超声检测对使用人员有较高的要求并且在应用期间需要耦合介质；磁粉检测要求焊件表面光滑且很难检测出亚表面缺陷；漏磁检测难以检测出焊接缺陷形状；涡流检测则需要复杂的信号处理技术。

基于实际检测需要，本文研究了一种基于法拉第旋转效应的磁光成像新型无损检测方法，与传统检测方法相比，磁光成像技术简单快捷、无辐射且无需复杂的信号处理即可实现缺陷的可视化，该方法已应用于微间隙焊缝的识别与跟踪[12]，在交变磁场激励下，获取了不同焊接缺陷的成像规律[13]。然而，焊接缺陷的磁光成像机理仍在研究阶段中，缺陷漏磁场特征与相应磁光图像之间的关系尚未完全清楚，因此限制了磁光成像技术在焊接缺陷检测中的应用。

本文采用三维有限元仿真模型，研究了焊接缺陷漏磁场对磁光成像的影响，并分析了该无损检测方法的成像机理。通过磁光成像试验验证了有限元仿真模型的有效性，结合焊接缺陷漏磁信号和磁光图像的灰度分布规律，研究了不同类型和宽度焊接缺陷的磁光图像特征，为提高焊接缺陷分类精度奠定基础。

1 焊接缺陷磁光成像检测原理

1.1 磁光成像原理

基于法拉第旋转效应[14-15]，磁光成像原理如图1所示，LED光通过起偏器生成线偏振光，并经过物镜聚焦在磁光介质上，被介质下方的镜面涂层反射，包含焊接缺陷信息的偏振光通过检偏器由CMOS相机接收，并实时成像[16]。

图1 磁光成像原理图Fig.1 Magneto-optical imaging schematic

随着磁场的变化，偏振光的偏振面会产生不同角度的旋转，旋转角度θ主要取决于线偏振光通过磁光介质的有效长度L和磁感应强度B。该旋转角可表示为[17-18]

θ=VBL

(1)

式中，V为磁光介质的费尔德常数。

若磁光介质材料和厚度确定，则旋转角θ的偏转方向仅与外加磁场相关，磁光介质可将磁场的变化转变为光强变化。

1.2 磁光成像分析

焊接缺陷实物和相应磁光成像如图2所示，可以看出，通过磁光成像可显示出焊接缺陷的位置和大小。图2a中焊件中有缺陷，在缺陷处的材质为空气，其磁导率较小，磁阻较大，磁感应线会发生畸变，一部分磁感应线从缺陷表面逸出，形成漏磁场。由于磁畴的作用，在缺陷的边缘形成N极和S极磁场，如图2b所示，磁光图像中从亮到暗的过渡区域包含着焊接缺陷信息。

(a) 焊接缺陷实物图 (b) 焊接缺陷磁光图图2 焊接缺陷实物图与磁光图像Fig.2 Physical and magneto-optical images of weld defects

如图2b所示，磁光介质不被磁化时，光强计算公式为

I1=A2cos2φ

(2)

磁光介质被磁化后N极或S极作用下，相应的光强分别定义为

I2=A2cos2(φ-θ)

(3)

I3=A2cos2(φ+θ)

(4)

式中，A为线性偏振光振幅；φ为未加外磁场下的线性偏振光旋转角度。

磁光成像光强Ii(i=1，2，3)如图2b所示，光强I2区域的灰度值最大，对应于N极的磁场强度，I3区域的灰度值最小，对应于S极的磁场强度，因此，上述光强的大小关系为I3

焊接缺陷的存在使得焊件表面产生了漏磁场，由磁光成像原理可知，漏磁场是造成线性偏振光偏转和实现焊接缺陷实时成像的前提条件，因此研究缺陷上方漏磁场的分布十分重要。

2 焊接缺陷漏磁场有限元仿真研究

2.1 焊接缺陷三维有限元仿真模型

为了研究不同类型和宽度缺陷漏磁场对磁光成像的影响，采用ANSYS-Maxwell的涡流场分析方法建立焊接缺陷的三维有限元模型。该有限元模型由低碳钢板(Q235)上方的电磁铁和激励线圈组成，如图3所示。每个激励线圈由φ0.5 mm漆包铜线绕制，匝数N=700。交变激励源的电压为200 V，频率为50 Hz，加载气球边界条件。低碳钢的相对磁导率为210，电阻率为1.43×10-7Ω·m；电磁铁为锰锌铁氧体，其相对磁导率为5500，电阻率为1.5×104Ω·m。为了模拟真实的检测环境，有限元模型的计算场设置为空气，同时将交流电加载到激励线圈中以产生交变磁场，从而得到Q235钢板的磁场分布。为了在三维有限元模型中获得更准确的模拟结果，在感兴趣区域(缺陷)中生成更精细的网格。

图3 焊接缺陷漏磁场检测三维有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model for magnetic leakage field detection of weld defects

Maxwell方程是分析电磁场的理论基础，通过在给定边界条件下求解Maxwell方程来解决电磁场问题，其微分形式如下：

(5)

式中，H为磁场强度；E为电场强度；D为电位移；ρ为电荷密度；Je为电流密度。

将三种焊接缺陷用于有限元模拟和试验验证， 在尺寸为100 mm×100 mm×2 mm(长×宽×厚)的Q235钢板中模拟不同类型的焊接缺陷，其详细参数如表1所示。

表1 焊接缺陷模型参数表

2.2 焊接缺陷宽度与漏磁场的关系

采用2.1节建立的缺陷三维有限元模型进行仿真，缺陷长度l为20 mm，缺陷宽度w分别为0.01 mm、0.05 mm和0.1 mm，漏磁场检测的提离值设为0.5 mm(即x=0.5 mm为缺陷的中心)。不同类型缺陷的漏磁场分布情况如图4所示，可以看出，未熔合、表面和亚表面裂纹的磁感应强度垂直分量By随着宽度的增大而增大，无缺陷的By值趋于0。不同缺陷宽度的漏磁场信号峰谷差值Byp-v的分布情况如图5所示，可以看出，磁感应强度垂直分量By的峰谷差值Byp-v随着焊接缺陷宽度的增大而增大，无缺陷的Byp-v值趋于0。漏磁场信号峰谷差值Byp-v与缺陷宽度具有良好的线性关系，当缺陷宽度相同时，未熔合的Byp-v值大于表面裂纹、亚表面裂纹和无缺陷的Byp-v值，因此，Byp-v可作为评价焊接缺陷类型和缺陷宽度的一种特征参数。

(a) 未熔合

2.3 不同类型焊接缺陷的漏磁场分布

为了研究不同类型焊接缺陷的漏磁场分布，对所建立的焊接缺陷的三维有限元模型进行仿真。焊接缺陷位于两磁极中心，长度为20 mm，宽度为0.05 mm，深度分别为2 mm(未熔合)、1 mm(表面裂纹)、1 mm(亚表面裂纹)和0 mm(无缺陷)。漏磁场检测的提离值设为0.5 mm， 并设置扫查路径为沿X轴0～1 mm范围内，x=0.5 mm为焊接缺陷的中心。不同类型焊接缺陷的漏磁场分布模拟结果如图6所示。仿真结果表明，表面裂纹的磁感应强度垂直分量By峰值大于亚表面裂纹的By峰值；未熔合缺陷的磁感应强度垂直分量By峰值最大，这是由于未熔合缺陷上下通透，沿磁化方向的缺陷两侧会有大量的磁力线泄漏，从而使未熔合缺陷处的漏磁通密度增大，因此漏磁场的磁感应强度高于表面裂纹和亚表面裂纹的磁感应强度。若焊件表面没有缺陷，则焊件中的磁感应线将被约束在焊件中，磁通是平行于焊件表面的，几乎没有磁感应线从表面穿出，焊件表面没有磁场，因此无缺陷的By峰值最小(趋于0)。从图6中可以看出，在微小焊接缺陷下(宽度为0.05 mm)，根据缺陷处漏磁场磁感应强度的大小可以判断出焊接缺陷的类型。

图5 不同宽度的焊接缺陷漏磁场信号峰谷差值Byp-v分布图Fig.5 Peak-valley difference Byp-v distribution diagram of leakage magnetic field signal for weld defects with different widths

图6 不同焊接缺陷漏磁场的磁感应强度垂直分量By分布图Fig.6 Vertical component By distribution diagram of magnetic induction intensity of leakage magnetic field for different weld defects

3 试验验证

3.1 磁光试验装置

如2.2节所述，采用有限元方法模拟焊缝上方漏磁场的分布，得到不同焊接缺陷漏磁场的变化规律， 然后通过磁光成像试验来验证这种变化规律的正确性。图7为焊接缺陷磁光成像试验装置图，主要由YAG激光焊接机、磁光传感器、U形电磁铁、保护气体(氩气)和三轴运动控制平台组成。电磁铁材料为锰锌铁氧体，激励线圈由φ0.5 mm漆包铜线绕700匝制成，线圈由电压为200 V、频率为50 Hz的交流电源供电。焊件选用尺寸为100 mm×50 mm×2 mm(长×宽×厚)的低碳钢板。通过磁光传感器对钢板上的焊接缺陷进行检测以获得相应的磁光图像，磁光传感器CMOS相机分辨率为400 pixel×400 pixel，采样频率为每秒75 帧，提离值设为0.5 mm，像素当量为102 pixel/mm。

图7 焊接缺陷检测试验装置Fig.7 Weld defect detection test device

3.2 不同宽度焊接缺陷磁光成像规律

为了研究不同宽度焊接缺陷的磁光成像特征，采用YAG激光焊机在对接钢板上模拟未熔合、表面裂纹和亚表面裂纹，缺陷的宽度分别为0.01 mm、0.05 mm和0.1 mm。为了使钢板表面达到无油污、无氧化物和无铁锈，采用钢丝刷在对接钢板表面上刷洗，并使用丙酮仔细清洗。采用激光对接焊在钢板两端进行点焊来模拟未熔合缺陷；在对接钢板的上表面和下表面进行焊接来模拟表面裂纹，上表面的焊缝要短于下表面的焊缝；同样在钢板的上下表面进行焊接来模拟亚表面裂纹，上下表面焊缝长度相同且保证在焊缝中部未焊接。焊接缺陷的宽度、截面示意图、实物图和连续三帧磁光图像如表2所示，为了更好地研究焊接缺陷漏磁场分布对磁光成像的影响，选取第一帧的部分磁光图像作为感兴趣区域。提取表2中红色框标记的不同宽度下焊接缺陷磁光图像的灰度值，如图8所示。

(a) 未熔合

表2 交变磁场激励下不同宽度的焊接缺陷磁光图像

从图8中可以看出，未熔合、表面裂纹和亚表面裂纹的磁光图像灰度值峰值随着宽度的增大而增大。当缺陷宽度相同时，未熔合磁光图像的灰度值峰值大于表面和亚表面裂纹图像的灰度值峰值，与图4中的模型计算结果进行对比可知，焊接缺陷磁光图像灰度值分布特征与其漏磁场变化规律一致。不同宽度的焊接缺陷磁光图像灰度峰谷差值Gp-v的分布情况如图9所示，可以看出，不同焊接缺陷磁光图像的灰度峰谷差值Gp-v随着缺陷宽度的增大而增大，无缺陷图像的Gp-v值基本不变。当缺陷宽度相同时，未熔合磁光图像的灰度峰谷差值Gp-v大于表面裂纹、亚表面裂纹和无缺陷图像的Gp-v值，与图5中相应曲线进行对比可以看出，有限元模型分析结果符合试验磁光图像灰度值的分布特征。

图9 不同宽度的焊接缺陷磁光图像灰度峰谷差值Gp-v分布图Fig.9 Gray-scale peak-valley difference Gp-v distribution diagram of magneto-optical images of weld defects with different widths

3.3 不同类型焊接缺陷磁光成像规律

为了研究不同类型焊接缺陷的磁光成像特征，采用YAG激光焊机在对接钢板上模拟未熔合、表面裂纹和亚表面裂纹，缺陷的宽度均为0.05 mm，如表2所示。从表2中可以看出，未熔合图像的灰度值分布范围最广，表明未熔合的漏磁场强度最大；无缺陷图像的灰度值分布比较均匀一致，表明无缺陷的漏磁场强度最小；表面裂纹图像的灰度值分布范围相比亚表面裂纹更广，表明表面裂纹的漏磁场强度大于亚表面裂纹的漏磁场强度。

本文采用中值滤波方法对磁光图像进行预处理，提取表2中红色框标记的不同类型焊接缺陷(宽度为0.05 mm)的磁光图像灰度值，如图10所示。图中灰度值的拐点表明磁力线在缺陷边界处溢出，未熔合区域的灰度值分布在55～194范围内，表面裂纹区域灰度值分布在74～154范围内，亚表面裂纹灰度值分布在86～131范围内，这表明未熔合的漏磁场强度大于表面和亚表面裂纹的漏磁场强度。无缺陷区域的灰度值趋于一致，表明该处的漏磁场强度最小。从图10中不同类型焊接缺陷磁光图像的灰度值提取结果可以看出， 磁光图像灰度值的分布特征与有限元仿真模型分析结果(图6) 基本符合。

图10 不同焊接缺陷磁光图像灰度值Fig.10 Gray values of magneto-optical images with different weld defects

从表2中可以看出，未熔合、表面和亚表面裂纹磁光成像具有相同的规律，即不同宽度缺陷的连续三帧磁光图像包括半亮和半暗图像、全亮和全黑图像，这表明缺陷的类型和宽度不影响磁光图像中明暗区域的分布，仅改变磁光图像的亮度，也说明不同焊接缺陷的磁光成像有其不同的特征。

由于焊接缺陷的磁光图像可通过不同亮度变化来反映漏磁场磁感应强度的大小，并且磁光图像的灰度值可以匹配相应的漏磁场强度，因此本文提取焊接缺陷磁光图像灰度值的最大差值来分析检测效果，提取表2中不同类型和宽度焊接缺陷磁光图像第350列的灰度值并计算最大差值。表3所示为不同类型和宽度焊接缺陷磁光图像灰度值的最大差值，其中，|F1|、|F2|、|F3|分别为第一帧、第二帧和第三帧磁光图像第350列像素点的最大灰度值与最小灰度值差值的绝对值。

表3 比较不同宽度焊接缺陷灰度曲线的最大差值

在同一类型焊接缺陷检测中，缺陷宽度越大，磁光图像灰度值的最大差值越大，表明缺陷漏磁场强度越大。从表3中可以看出，在相同宽度情况下，每帧未熔合磁光图像的灰度值最大差值大于表面和亚表面裂纹图像的灰度值最大差值，表明磁光传感器更容易检测到未熔合缺陷。表面和亚表面裂纹图像的灰度值最大差值大于无缺陷图像的灰度值最大差值，这意味着磁光传感器可以检测到不同类型和宽度的微小焊接缺陷。

4 结论

(1)基于法拉第旋转效应和磁光图像明暗机理，分析了焊接缺陷的磁光成像规律，表明缺陷漏磁场是研究的重点。通过三维有限元模型分析焊接缺陷漏磁场分布，验证了焊接缺陷位置(不同类型缺陷)和宽度是影响缺陷上方漏磁场分布的主要因素。在缺陷宽度相同的情况下，可根据缺陷处漏磁场磁感应强度的大小，判断焊接缺陷的类型。

(2)建立了交变磁场下焊接缺陷磁场成像检测系统，试验结果表明，缺陷磁光图像中存在明显的线性边界线，焊接缺陷宽度越大，磁光图像亮区域越大，漏磁场强度越强。在相同缺陷宽度下，磁光图像灰度值分布范围从大到小的缺陷类型依次为：未熔合，表面裂纹，亚表面裂纹，无缺陷。

(3)焊接缺陷磁光图像可通过不同的亮度反映漏磁场磁感应强度的大小，磁光图像的灰度值可与相应的漏磁场强度相匹配。通过有限元模型仿真结果和磁光图像灰度值分布特征，可判断出缺陷的类型和宽度。