文摘

快速和准确的损伤检测镁铝的合金,是汽车轻量化的重要材料,具有十分重要的意义。脉冲涡流(压电)是一种有效的电磁无损检测和评估(取决于)技术对金属材料。金属损失评估和成像质量最重要的步骤之一,控制和维护汽车的关键部件。压电陶瓷的方法基于一个矩形激励线圈和一个轴向平行提出了传感器线圈和追究金属损失评估和成像的目的。金属损失缺陷类型的不同部分的设计和检测使用线扫描技术和C-scan成像在两个扫描方向。实验结果说明,金属损失峰值振幅的深度可以有效地估计压电陶瓷的a的反应。然后,金属损失的量化信息深度初步获得基于线性拟合方程。因此,金属损失评估是实现了直线扫描峰波和C-scan伪3 d图像。最后,灵敏度比较表明,金属损失可以检测到两个方向。该方法是一种有效的方法来评估图像surface-breaking金属损失在汽车轻质合金材料。

1。介绍

研究表明,一种轻型车辆是一种最有效的措施减少能源消耗和排放。轻质材料的开发和应用是汽车轻量化的主要研究方向之一。轻量级的和非常高的特定刚度为车辆减重提供巨大的潜力(1,2]。铝合金和镁合金材料的特点是重量轻,耐腐蚀,容易的过程。它是一个轻量级材料目前广泛使用的(3]。然而,这些新材料可能维持损害由于疲劳和机械碰撞,如携入的氧化膜,它总是不利于疲劳性能(4]。铸造缺陷,如气孔、缩孔和气孔容易发生在汽车铝合金铸件。图1描绘了空气孔(0.5 ~ 5毫米3在汽车空调使用x射线和切片检测铸件,分别为(5]。的影响使其缺陷的应力-应变曲线上的铝结构部分和一个冲击塔部分小型电动汽车是定量调查(6]。因此,它是很有价值的研究无损检测和评估(取决于)方法来评估和量化这些材料的缺陷7]。


图1
汽车铝合金铸件气孔(5]。

无损检测是一个很好的方法来评估物理和机械性能8)、各种缺陷,和其他技术参数对象的内部或外部的9,10]。目前,许多方法,如x射线检测、渗透测试(PT),涡流检测(ECT),磁粉检测(MT),超声检测(UT),声发射测试(让),和IR-thermography(红外热成像),在汽车行业使用。其中,焊点和结构部分的研究是在大多数11- - - - - -17]。脉冲涡流(压电)是一种有效的无损检测方法,导电材料(18- - - - - -20.]。首先,压电陶瓷测试不需要一个声波耦合剂与超声检查。其次,压电陶瓷比摄影更经济和更少的危险。此外,压电陶瓷传统涡流检测测试拥有许多优势,包括扩展探测深度和更容易生成和控制。脉冲涡流检测可以广泛用于测量厚度和压力(21)和描述裂纹、金属损失和腐蚀的金属材料和碳纤维增强塑料(22]。

脉冲涡流检测技术也允许测量时间响应信号(a反应)和分析在不同时间点的响应脉冲后关闭为了获得深度信息(23]。对压电陶瓷的衰变速率的a扫描瞬态依赖于结构的总厚度和独立发射和结构中的任何差距,正如参考建议(24]。我们都知道发射中最大的一个问题等缺陷检测。压电陶瓷技术可以用来描述物质损失与差距和发射变化。这种技术有潜力成为检测腐蚀在多层结构的主要方式25]。2002年,Lepine等人利用发射的十字路口(法)和gap的反应来消除发射效应和层间间隙效应在两层结构26]。近年来,一些从频率响应特性被用来减少这些影响;他从压电陶瓷等人用FFT振幅频率响应特性分类的第一层第二层缺陷和缺陷在2010年的两层结构(27,28]。主成分分析(PCA)和独立分量分析(ICA)也已经与发射脉冲涡流缺陷分类使用效果(29日,30.]。锅等人研究了优化频率响应的特征提取结合主成分分析技术来克服缺陷分类的各种空气间隙和发射效应在两层结构31日]。

在脉冲涡流检测中,探头通常是由励磁单元和检测单元。励磁装置诱导涡流在材料测试通常是一个圆柱形线圈。与圆柱形线圈,一个矩形线圈可以产生一个统一的涡流在标本32)和特别设计了交流电现场测量(ACFM)测试33)和脉冲涡流检测(34]。检测单位检测磁场干扰的存在一个缺陷是多方面的和多样的,不仅在其检测原理,如magneto-resistive传感器(35),一个巨大的magneto-resistive (GMR)传感器36),采用霍尔传感器(37超导量子干涉器件),或(鱿鱼)磁强计(38),而且在它的结构,如一个差动线圈39),多个传感器传感器(40),或三维线圈41]。先前的研究表明,三维线圈可以提供更多信息缺陷大小和传感器线圈轴向平行于励磁线圈可以量化缺陷的深度(41]。因此,本文的主要目的是探讨基于矩形脉冲涡流检测励磁线圈的轴向平行耦合线圈金属损失评估和成像的目的。

目前,没有公共工程矩形脉冲涡流检测方法应用于汽车行业。讨论了脉冲涡流检测的新方法。本研究说明了形状金属损失的可能性评估使用脉冲涡流。因为汽车的充满敌意的环境,腐蚀经常发生在金属组件,并将导致损失和在许多条件下壁变薄。有很大的区别和机械损失这些腐蚀。因此,金属损失评估和成像是最重要的步骤之一。论文的其余部分安排如下。首先,压电陶瓷矩形激励线圈和轴向平行耦合线圈介绍部分2。接下来,实验装置和样品部分所示3。然后,线scanning-based金属损失评估是进行的部分4和金属损失评估和基于C-scan成像灵敏度比较研究部分5。最后,结论部分中概述6。

2。矩形压电陶瓷探头

如图2,压电陶瓷探头工作由一个矩形激励线圈和一个圆柱形传感器线圈。也叫小线圈Bx传感器线圈,因为它通常是平行的x设在。矩形激励线圈可以诱导均匀涡流标本,与传感器线圈轴向平行矩形激励线圈位于底部中心的矩形激励线圈测量磁场的变化率。矩形激励线圈是50毫米长,45毫米宽,45毫米高42]。探测器的发射是0.5毫米,根据传感器核心的维度。励磁线圈和传感器线圈的其他特征如表所示1。在以往的研究中,压电陶瓷传感器扫描在两个方向,一个是磁感应通量,另一个是励磁电流(43]。在图2,建立了笛卡儿坐标系统。磁感应通量的方向平行的x设在叫做 在接下来的工作方向,而励磁电流的方向平行的y设在叫做 方向。金属损失评估在未来工作的实验在两个方向上进行。


图2
矩形激励线圈和轴向平行耦合线圈。
表1
励磁线圈和传感器线圈的参数。

3所示。实验设置和标本

压电陶瓷在这项工作包含一个励磁实验装置卡,信号调节卡,和一个模拟数字转换器卡。激励脉冲生成激发和增强的卡片是一个矩形的励磁线圈驱动。响应信号的测量Bx传感器线圈是由信号放大的条件由数据采集卡和采样模块形成了a在时域响应。在这部作品中,激发脉冲振幅为7.5 V, 100赫兹的频率,在脉冲持续时间和5 ms。在实验中,只有从a响应峰值振幅测量,因为这是最简单的方法。在未来,其他功能包括,它还高峰时间,零时间在时域和零点交叉频率在频域中将用于缺陷检测(23]。此外,广为人知的是发射的最大问题之一是脉冲涡流传感器在应用程序25]。在这部作品中,发射距离总是保持最小的消除尽可能发射效应的影响。

6铝标本和200毫米的长度,宽度200毫米,厚度5毫米用于提供surface-breaking金属损失缺陷类型。标本的材料是一个3 a21 Al-Mn合金(一种广泛使用的防锈铝合金材料,用于汽车燃料罐和管道),其电导率IACS 50 - 55%。表面上的每一个样品,一个电子放电加工(EDM)槽制造模拟金属损失有不同的部分。每个槽是40毫米的长度和12毫米宽。图3显示了所有6个缺陷的剖视图(单位为毫米)。缺陷1是矩形截面;2和3的缺陷是走;4是楔形的缺陷;缺陷5和6是三角形的。


图3
6个缺陷的剖视图。

4所示。行Scanning-Based金属损失评估

4.1。波在两个方向上达到顶峰

压电陶瓷的a反应可以得到,然后可以提取振幅峰值。沿着一条线,当压电探针扫描峰波可以由所有的a的峰值振幅响应。磁感应强度的方向变化,传感器是没有缺陷时,感应涡流制服,峰波测量的传感器线圈是固有的。如图4(一),当涡流标本中被一个缺陷的阻力大于样品的材料,他们会流向两端,底部的缺陷。因此,涡流在缺陷的密度大于没有缺陷。涡流的密度小于底部的缺陷,没有缺陷,因为皮肤的效果。沿着缺陷,因此,作为探针扫描一个波峰出现在缺陷的结束,会出现一个低谷缺陷的底部。不同传感器扫描时励磁电流的方向。如图4 (b),没有缺陷的感生涡流区域是均匀的。涡电流时被一个缺陷的阻力大于标本,他们将流向两侧和底部的缺陷。由于集肤效应、涡流缺陷面密度较大,而缺陷底部上的涡流密度小于没有缺陷。因此,当传感器扫描缺陷的两面,一个波峰出现在峰波。相反,当传感器扫描缺陷的中心,一个广泛的低谷出现在峰波。

(一)
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(b)
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图4
两个方向的涡流被一个缺陷。(一)磁感应通量的方向。(b)励磁电流的方向。

缺陷1 - 3在实验中使用简单的形状。一波又一波的峰值传感器扫描缺陷1到3的中心两个方向如图5和6。水平轴代表压电陶瓷传感器的位置;纵轴代表了峰值振幅。缺陷的位置从80毫米到120毫米。从故事情节可以看出,波失真的缺陷是接近峰值。


图5
线扫描峰波的缺陷1到3磁感应通量的方向。

图6
线扫描峰波的缺陷1到3励磁电流的方向。
4.2。深度与峰值振幅

在两个方向上,峰波宽槽沿中心的缺陷,这可能是相对于缺陷的深度。表2显示了峰值振幅对应于在两个方向上的缺陷深度。实验值在表2绘制在图7,纵轴代表了缺陷深度和水平轴代表峰值振幅。显然,随着缺陷深度的绝对值的增加,峰值振幅降低线性,它提供了一个有效的手段,来评估surface-breaking缺陷的深度。线性拟合线也显示在图7。善良的R2对拟合线 方向是0.9777,和善良R2对拟合线 方向是0.9565。缺陷深度的线性公式来衡量这个实验定量地给出 在哪里d缺陷深度, 峰值振幅在吗 方向, 峰值振幅在吗 方向。

表2
峰值振幅对应于金属损失深度。

图7
测量值和拟合线的峰值振幅和缺陷深度在不同的方向。
4.3。深度评估

在本节中,峰值振幅转换显示缺陷深度(1)实现缺陷的评估。缺陷深度资料,当传感器扫描缺陷1到6的中心 方向如图所示8,而缺陷深度资料 方向如图所示9。水平轴代表的位置传感器;纵轴代表了估计缺陷深度。从数据可以看出8和9缺陷深度评估在两个方向上都可以实现。

(一)
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(b)
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(f)
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图8
的深度评价6个缺陷 方向。(a)缺陷1、2 (b)缺陷,缺陷(c) 3、4 (d)缺陷,缺陷(e) 5、6 (f)缺陷。
(一)
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(b)
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(e)
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(f)
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图9
的深度评价6个缺陷 方向。(a)缺陷1、2 (b)缺陷,缺陷(c) 3、4 (d)缺陷,缺陷(e) 5、6 (f)缺陷。

5。C-Scan-Based金属损失成像

成像技术可以帮助我们获得缺陷的形状,比传统的无损检测方法更直观。近年来,一些涡流(EC)成像方法研究了在金属结构检测和评价的缺陷,如C-scan成像、磁光成像(44),感应温度记录45- - - - - -47),电磁感应断层扫描(EMT) (48]。在本节中,缺陷评估基于C-scan成像。

C-scan成像的操作是由国内基于windows的软件,这是由参数设置、数据采集、特征提取、数据流程和C-scan形象展示。首先,激发脉冲的参数配置的参数设置。然后,瞬态响应信号测量使用Bx在数据采集传感器线圈是采样。接下来,在特征提取中,瞬态响应的振幅峰值信号提取的特征C-scan成像。在数据过程中,扫描点的坐标确定和峰值振幅转换为深度和颜色根据峰值振幅之间的关系和缺陷深度。因此,扫描区域的图像得到的步骤中C-scan图像显示的量化和分级或执行缺陷获得检测缺陷的严重程度的信息。

5.1。在两个方向C-Scan轮廓图像

缺陷4的C-scan轮廓图像的方向磁感应通量图所示10,而C-scan轮廓的图像缺陷4励磁电流的方向图所示11。水平轴代表扫描路径和两个相邻扫描路径之间的距离是1毫米;纵轴代表了扫描时间;颜色条代表估计缺陷深度。我们可以发现一个槽将出现在缺陷上的缺陷,将会出现一个峰值结束磁感应通量的方向图10,会出现一个低谷的缺陷和缺陷方面会出现一个峰值在励磁电流的方向图11。实验结果与分析部分一致4所示。1。


图10
C-scan轮廓的图像缺陷4方向磁感应通量。

图11
C-scan轮廓的图像缺陷4励磁电流的方向。
5.2。金属损失评估基于C-Scan成像

在本节中,C-scan成像缺陷评估根据(1)实现。图12C-scan成像结果显示四个缺陷的方向磁感应通量,同时图13C-scan成像结果显示四个缺陷在励磁电流的方向。的x设在表示扫描路径;的y设在代表了扫描时间;的z设在代表估计缺陷深度。颜色条代表估计深度,从−5毫米到3毫米。从数据可以看出12和13C-scan图像的缺陷出现类似的形状与真正的缺陷。换句话说,金属损失评估中可以实现两个方向的传感器扫描。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图12
四C-scan 3 d图像的缺陷 方向。(一)缺陷1,(b)缺陷2 (c)缺陷4,(d)缺陷5。
(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图13
四C-scan 3 d图像的缺陷 方向。(一)缺陷1,(b)缺陷2 (c)缺陷4,(d)缺陷5。
5.3。敏感性比较

实验结果说明,不同部分的缺陷可以在两个方向上重建。评估方法的性能在两个方向,C-scan导致两个方向进行了比较。表3显示缺陷的最小振幅在不同扫描方向。显然,金属损失百分率的变化在励磁电流方向比相同的金属损失大一点的磁感应通量方向。换句话说,金属损失缺陷类型可以检测到两个方向。

表3
最小峰值振幅在两个方向上的缺陷。

6。结论

总之,本文研究了压电测试基于矩形激励线圈和Bx传感器的线圈磁感应通量方向和励磁电流方向为目的的金属损失评估。实验结果说明,金属损失深度可以有效地估计的峰值振幅小线圈。金属损失深度量化初步获得基于拟合方程,和金属损失评估实现峰波和C-scan 3 d图像在两个方向。此外,检测灵敏度不同方向的比较,结果说明励磁电流方向的灵敏度是一个小比磁感应通量的方向。有美中不足之处,电火花腐蚀槽模拟金属损失的这项工作在尺寸相对大的裂纹缺陷。尽管如此,该方法基于矩形激励线圈和轴向平行耦合线圈是一种有效的方法来评估和图像金属损失。此外,传感器和样品之间的导电性和发射并没有考虑目前的工作。我们将进一步研究电导率的影响和发射探头和方法。缺陷检测和量化的铝合金材料,广泛应用于汽车和飞机,是一个重要的问题需要解决,这种方法有可能成为未来的应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是深圳科技项目(基础研究,批准号JCYJ20170306144608417),中国国家自然科学基金(批准号61501483),深圳市基础研究项目(批准号JCYJ20160523113817077)。