焊接缺陷磁光成像机理有限元分析

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工件在焊接过程中,因焊接设备与工艺条件的偏差,冶金因素变化和残余应力状态的影响等,往往会产生气孔、夹渣、凹陷与未融合以及凹坑等缺陷。焊接缺陷的产生严重威胁焊件的性能,引起焊件的局部应力集中、断裂等,甚至导致焊件的报废,缩短焊件使用寿命,导致产品存在质量隐患,大大影响焊接质量和经济效益。  目前用于焊接缺陷的无损检测方法,主要分为常规无损检测和非常规无损检测。其中常规无损检测包括超声波检测、射线检测、涡流检测、渗透检测等,非常规无损检测包括漏磁检测、微波检测、磁光检测等。磁光检测以其不需要清除油漆等覆盖物,可实现表面及亚表面缺陷的实时成像等优点成为本文研究焊接缺陷的方法。本论文从以下几方面研究利用磁光检测技术检测焊接后的焊接缺陷的机理及其应用:  首先,在分析现今无损检测的特点及应用现状和国内外磁光传感器应用现状及漏磁概况的基础上,研究了磁光的基础理论,搭建出磁光检测焊接缺陷装置,针对不同的焊接缺陷,获得对应的磁光图像。  其次,利用漏磁理论,分析了焊件无缺陷时及有缺陷时的磁路,说明了有缺陷时焊接缺陷处会形成漏磁场。结合光学理论和法拉第磁致旋光效应理论,研究了磁光传感器成像的机理:偏振光通过磁光介质时,由于缺陷漏磁场的作用偏振方向会发生偏转,从而在成像元件上形成缺陷的磁光图像。其中磁光图像中较明亮部分及较暗区域分别为焊接缺陷在磁场N极和S极所感应形成的。再说明研究缺陷上方的漏磁场是研究磁光成像原理的重点,为深入研究焊接缺陷磁光成像机理及应用打下基础。  再次,利用磁荷理论建立了凹坑缺陷的磁偶极子模型,并利用磁光传感器采集凹坑的磁光图像,将磁光图像的灰度图与凹坑磁偶极子模型的垂直磁感应强度分布进行对比来验证建立的磁偶极子模型的可靠性。  最后,为了深入研究铁磁性焊接缺陷上方的漏磁场情况,利用ANSYS软件建立凹陷模型、凹坑模型、未熔合模型、无缺陷模型。利用仿真结果,说明焊件有缺陷与无缺陷的磁路情况与漏磁理论中基本上是一致的,并利用磁光成像试验中采集的缺陷的磁光图像的灰度图与仿真结果中的对应模型的磁感应分布进行对比来验证建立的四种有限元模型的可靠性。结合磁光成像理论、光学理论说明提离度越小,磁光成像试验采集的磁光图像越清晰。然后,在同一提离度下,研究不同缺陷模型缺陷上方的磁感应强度分布规律。发现同一提离度下,距焊件中心距离相同时,缺陷模型的磁感应强度的绝对值要大于无缺陷模型。且同一提离度下,缺陷形状开口大很多或者深度深很多的缺陷的磁光图像将会更清晰。较小的提离度下,且距焊件中心距离相同时,开口大的缺陷的磁感应强度的绝对值要比深度深的缺陷的大,而提离度超过一定值时,则反之。
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