文丨奇怪的玛丽莲

编辑丨奇怪的玛丽莲

前言

焊接接头通常用于部件的机械、不可拆卸连接，焊接接头的性能会受到多种因素的影响，包括焊接参数选择不当、准备工作不正确以及焊缝破口清洁不充分等。

孔隙或裂纹等缺陷的存在会显著影响焊接接头的机械性能，包括疲劳寿命和拉伸强度，因此对其进行检测和评估非常重要，导致缺陷形成的机制众多且复杂。

焊接头技术的提升及其研究

近年来，焊接研究领域在提高焊接接头质量方面取得了重大进展，尽管取得了这些进步，焊接接头中缺陷的形成仍然是一个重大挑战。

焊接是一个复杂的过程，受各种物理和化学现象的影响，即使与最佳条件的微小偏差也可能导致缺陷的形成。

因此了解缺陷形成的机制对于制定有效的缺陷预防策略至关重要，我们已经进行了多项研究来调查焊接参数与焊接接头缺陷形成之间的关系。

在文章中，我们介绍了电弧不稳定对管道焊接缺陷形成的影响，显示了地形图，将缺陷与电弧中断区相关联。

强调了熔池动态现象与焊道中存在的异常之间的密切关系，中的形貌是熔池不稳定凝固的结果。

我们的研究提出了一种视觉传感算法，应用于爬升氦弧焊工艺中的焊道图像，熔池凝固和缺陷产生之间存在相关性。

在我们的研究中，还提出了另一种焊池动态和缺陷分析，通过分析熔体流动，可以检索焊道尺寸、未焊透、烧槽和驼峰。

由不规则电弧、焊接坡口准备不当、不正确的前后热处理或更普遍地由不正确的工艺参数设置引起的工艺中的不连续性都可能导致导致缺陷的形成。

在工业方法中，通常在不同的加工步骤中，使用无损测试来检查接头的质量，要监测的最重要的参数是微观结构和残余应力。

评估焊接程序至关重要，以避免马氏体或高应力等脆性相，这些脆性相可能导致焊接接头过早失效。

在技术文献中，一些研究人员将精力集中在热成像测试和监测方法上，热成像技术是一种非接触式技术，可用于在观察期间获取部件表面的热图。

在其最新应用中，一种称为主动热成像的新方法提供了有趣的结果，主动热成像是一种诊断工具，通过外部热源对部件进行热刺激，以表征热特性或检测缺陷。

从这个方法中可知，有缺陷的元件体积的热响应与健全区域的热响应不同，热刺激可分为两类：光热刺激和体积刺激。

这些技术非常适合焊接微观结构和缺陷检测的离线研究，并广泛应用于复合材料和层压板，从该方法中可知，有缺陷的元件体积的热响应与健全区域的热响应不同。

热刺激可分为两类：光热刺激和体积刺激，这些技术非常适合焊接微观结构和缺陷检测的离线研究，并广泛应用于复合材料和层压板。

从该方法中可知，有缺陷的元件体积的热响应与健全区域的热响应不同，热刺激可分为两类：光热刺激和体积刺激。

这些技术非常适合焊接微观结构和缺陷检测的离线研究，并广泛应用于复合材料和层压板，使用超声波刺激来加热部件以检测裂纹。

还可以使用超声热成像技术检测异种金属焊缝中的微裂纹，主动热成像不仅用于缺陷检测，还可以提供有关焊接区域的重要信息。

使用激光刺激来测量电阻凸焊中的焊接面积，使用相同的刺激来评估热处理钢的微观结构性能，另一种体积刺激技术是电磁感应。

使用感应系统加热不锈钢焊缝，我们提出了感应热成像技术用于多重退化下堆焊部件的状态监测。

该技术的主要优点之一是，通过适当的信号处理，它可以给出异常的视觉指示，激光、感应和热风枪刺激被用来检测镍高温合金焊缝中的缺陷。

我们提出了一种利用激光刺激的裂纹检测方法，但仅检测到表面裂纹，实验中使用了相同的方法，除了使用二阶时间导数进行额外的后处理以标记图像中的裂纹。

激光还被用于评估点焊接头中的熔核延伸，使用激光和灯刺激的主动热成像技术也用于铜焊接连接。

在热成像测试中，考虑了主动热成像，它包括研究部件在外部热源作用下的热响应，相应的技术称为激光主动热成像。

更传统的方法是被动热成像技术，该技术通过机械刺激产生材料的热响应，这种激励会产生耗散现象，并获取和处理它们对部件表面的热效应。

该技术已成功应用于弹性和塑性领域机械疲劳情况下的渐进损伤检测以及疲劳强度评估，热成像技术在焊接过程中的应用和应用出现在上世纪80年代左右。

我们通过专门讨论红外热成像的段落，对通过不同技术进行的焊缝几何测量，进行了广泛的回顾。

PT用于实时监测GTAW和GMAW焊缝金属的冷却速率，在这些初步结果中，观察到发射率对温度测量精度的影响最小化，因为焊缝金属上的氧化物涂层相当均匀。

因此表现出均匀的发射率，我们还提出了冷却速率全场研究作为缺陷检测、无损检测和过程控制的技术。

在计算激光焊接中焊道上及其焊道附近经受移动热源的均质板的温度场，将结果与热成像和热电偶测量结果进行比较。

该研究的目的是通过热成像监测来控制焊接过程，并通过分析模拟的方式进行设计，通过AT，特别是带有光刺激的脉冲和调制热成像技术对三种类型的关节进行了评估和比较。

特别是比较了不同类型接头的相位角随激励频率的变化，显示了焊接接头中材料结构和热信号相位之间的关系。

试样制备

我们这次的研究对象是两个钢焊接接头，其几何形状如图所示，焊接板由C30制成，在30mm厚的板上开出60°角的焊接坡口。

为了在两个焊道中实现广泛的微观结构和机械性能，在加工时采用了不同的程序，选择焊接参数以获得不同的微观结构、残余应力和HAZ的变形。

使用两种不同的焊接技术来生产两个接头：弦焊技术和波焊技术，ST涉及自耗电极沿着焊接路径的线性移动，而WT使用不同的填充技术，其中电极在波状路径上移动。

当ST珠已预热，而WT珠未预热的时候，这使得WT珠具有更陡峭的冷却瞬态，ST焊道进行了焊后热处理和保温冷却，而WT焊道在焊后进行了水洗。

WT焊道的根部间隙更大，以获得进一步增加的热输入，以及由于不对称晶粒生长而导致的焊道更高的变形和各向异性。

微观结构分析

由于焊道中测量的不同热性能与不同的微观结构相关，因此进行微观结构分析以验证热成像结果。

使用1m金刚石研磨膏对焊缝横截面样本进行抛光，然后用2%的硝酸乙醇溶液蚀刻抛光表面。

在焊道中心切割显微样品，并在垂直于接头轴线的表面上进行分析，在试件上设置参考系，其中X为焊接轴线方向，Y为垂直方向。

热成像分析是在粗糙的样品表面上进行的。目前的研究考虑使用激光主动热成像技术，实验设备由热像仪、激光激发源和PC控制单元组成。

红外热像仪为FLIRA6751sc，灵敏度低于20mK，光谱范围为3–5m，而激光源可产生最大功率50W，集中在直径为100微米的圆形光斑中2毫米。

实验配置设置为反射模式，锁定热成像涉及应用以特定调制频率调制的重复步进脉冲，即锁定频率μμ。

这个技术允许在相位和频率方面进行更先进的信号处理，从而获得更加一致和准确的结果，在本研究中，应用了一次锁定频率和25个脉冲，激光功率相当于7.5W。

根据标准ASTME1933-18，使用热像仪、热电偶和热风枪测量发射率，实验在室温26.0°C、相对湿度30%、激光源与目标之间的距离为530mm的条件下进行。

热成像数据后处理

至于样品表面发射率，根据标准ASTME1933-18进行主动热成像测试评估，用热风枪加热样品表面，直到达到稳定温度并用热电偶监测。

因此设置热像仪软件中的发射率，以便读取热像仪获取的表面温度，等于用热电偶读取的表面温度。

当在钢表面观察到发射率变化时，允许温度增量低于400°C，通常与表面状态相关，在本例中，热风枪产生的增量为80°C，通过3次重复测试获得的发射率为0.55。

为了进一步确保结果的准确性和一致性，特别关注激光功率和采集帧率，按照文献中的建议仔细调整激光功率，以避免表面温度升高，这可能导致非线性在热扩散现象中。

还对采集帧速率进行了优化，以获得每次测试的最少帧数，同时仍保持较高的时间分辨率，特别是在本例中，热像仪帧速率设置为60Hz。

下面介绍理论和信号处理过程，对锁定测试期间获得的热轮廓序列进行后处理，以及时获得热轮廓的相位和幅度图。

在处理相关信息之前，使用奇异值分解去噪算法对数据进行去噪，该算法降低了低热幅度像素的相位信号中的噪声。

热信号的相位和幅度数据通过专用Matlab例程通过快速傅里叶变换进行提取，对与每个像素相关的温度与时间信号进行一维傅里叶变换。

数据被格式化为3D张量，其中前两个维度是空间维度，第三个维度是时间维度，对于每个像素，沿时间轴执行傅里叶变换分析，以推断其幅度和相位贡献。

该程序通常用于指出组件中的次表面缺陷，因为缺陷会扰乱热扩散，虽然对于幅度意义，有详细的描述，但在这种特殊情况下，相位图有不同的应用。

沿着以目标点为中心，任意轴的相位值图预计是线性的，并且相位图的线性部分对应于锁定脉动期间的热扩散区域。

一些额外的探讨

焊缝横截面的微观结构分析揭示了对焊接过程热行为的重要见解，焊道的显微组织与焊接过程中的冷却速度和热量输入直接相关。

微观结构分析还可以提供有关焊道机械性能的信息，例如ST焊道的劣质贝氏体显微组织以其优异的韧性而闻名，而WT焊道的马氏体显微组织则提供高强度和较低的韧性。

在基材和焊道中观察到的不同微观结构特征清楚地表明了焊接过程中发生的变化，基材的微观结构主要是珠光体和铁素体，正如层压材料所预期的那样。

另一方面，焊道的微观结构高度依赖于焊接工艺规范，例如ST焊道呈现出典型的劣质贝氏体显微组织，而WT焊道完全由马氏体组成。

焊道微观结构成分的差异表明焊接过程的冷却速率和热输入不同，例如ST焊道的冷却速度比WT焊道慢，热输入也低。

这些观察结果对于了解焊接过程的热行为具有重要意义，并且可用于优化特定应用的焊接程序。

进行不同的测量来评估两个焊道和基材的性能变化，通过热成像技术获得的测量热性能在微观结构分析方面进行了讨论。

通过相位热成像测量获得的热扩散率的结果，各列表示每个样本沿每个轴的三次测量重复以及三次测量的相应平均值以及方差。

这些行表示沿X方向、Y方向测量的扩散率、X和Y测量的平均值以及沿X和Y轴的线性拟合的R平方。

结论

本研究旨在探讨通过非破坏性技术测量焊道的热性能来检测焊道微观结构的可能性，此类研究已在其他报告中进行过研究，本文的新颖性在于应用于原始焊接表面的技术。

特别是所提出的主动热成像方法用于评估通过多道技术在板上制成的焊道的热性能，即使在粗糙表面上，所提出的方法也可以区分与微观结构变化相关的热性能差异。

具有马氏体微观结构的波珠与弦、贝氏体、以及母材、珠光体和铁素体，考虑复杂几何形状中的几何形状和微观结构的无损检测研究可以在机械和航空航天领域呈现有趣的应用。