焊缝显微组织磁光成像检测方法

摘要

随着工业技术的发展与变革，具有高能量密度、成型质量好、热影响区窄的激光焊接技术得到了广泛的应用，而焊接后材料的质量直接决定了焊接的成功与否。焊缝显微组织的差异一直以来是焊后质量检测必不可少的一部分，显微组织的差异影响着焊后工件的性能：拉伸强度、韧性、断裂性能等。传统的显微组织检测方法：金相显微分析和电子显微分析需要金相制备而破坏工件的完整性，X-ray显微分析中的射线对人体有害，超声波显微分析得到的图像清晰度较差。因此，针对铁磁性材料-低碳钢平板YAG对接激光焊，研究一种基于磁光成像的显微组织检测新方法。
　　本文通过磁光成像传感器来采集焊缝显微组织的磁光图，综合利用法拉第磁光效应中偏振光偏振角与磁化强度的关系以及铁磁性材料的磁化特性，得出磁化强度与磁光成像图中光强的关系，定性的分析由于焊缝显微组织分布和类型的不同而导致的磁光成像差异，并与传统金相显微组织分析结合探讨磁光成像显微组织差异检测的机理特性。
　　首先选用剩磁状态下的低碳钢激光堆焊焊件和高强钢激光对接焊焊件为研究对象，探索在剩磁状态下焊缝显微组织磁光成像差异。对于低碳钢焊件，利用磁光传感器采集其焊缝正面以及断面的磁光图加以分析，并与焊缝金相显微组织分析联系在一起，得出了焊缝区域按显微组织晶粒大小分为焊缝区（WZ）、热影响区（HAZ）、母材区（BM），并且不同的显微组织大小其剩余磁场强度Br不同，而使得磁光图的光强I分布不一样，提取的磁光图灰度值分布也有差异，其主要关系为：焊缝显微组织越小，剩余磁场强度越强，偏振光的偏振角越大，光强越暗。对于高强钢焊件，对采集到的在不同焊接条件下的焊缝磁光图灰度值分布情况进行分析，得出：焊接间隙和焊接速度越小，焊缝熔深越大，材料越难被磁化，剩磁强度越小，磁光图灰度值越大；并且当材料在焊透状态时，剩磁状态下的磁光图灰度值曲线无焊缝中心线两侧的过渡带。
　　接着选用直流磁场激励下的低碳钢激光对接焊焊件为研究对象，探索在直流磁场激励下的焊缝显微组织磁光成像差异。采集焊缝正面和背面的磁光图，构建其磁化的模型，并提取正背面磁光图感兴趣区域的灰度变化值加以分析得出：焊缝正面磁光图划分“WZ”“HAZ”“BM”三个区域，同时焊缝中心线左侧的WZ的亮度要高于HAZ的亮度，右侧焊缝区域内WZ的亮度要高于HAZ的亮度，左右两侧的BM都介于WZ和HAZ之间；焊缝背面磁光图分为“空气间隙”“受热影响区域”“母材区”，且磁光图的灰度值分布与正面分布相似。
　　最后将显微组织磁光图的差异性与焊接状态（“未焊透”“过熔透”“焊透”）联系在一起，研究不同焊接状态下的磁光图差异。结果表明三种状态下的焊缝正面磁光图的灰度值沿焊缝中心线呈“中心对称”分布，左侧为“凹坑状”分布，右侧为“凸起状”分布，但不同的是中心线相邻区域的曲线斜率不一样。焊缝背面磁光图“空气间隙”区域曲线宽度较窄，并且在不同的焊接状态下会有“拐点”的出现。
　　磁光成像技术是一种新的显微组织检测方法，能清晰的成像焊缝显微组织磁光图，从焊缝磁光图中不同的颜色分布和灰度值分布，以及磁光图正面和背面的灰度值分布情况能判别显微组织的差异和焊件的焊接状态。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2激光焊接概述

1.3材料显微组织的检测方法研究进展

1.4 磁光成像国内外现状

1.5选题意义及主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 磁光成像焊缝显微组织检测试验系统

2.1激光焊接试验平台

2.2磁光成像检测试验平台

2.3 本章小结

第三章 磁光成像检测原理

3.1 法拉第磁旋光效应

3.2磁光传感器检测原理

3.3铁磁性材料的磁化原理

3.4 本章小结

第四章 剩磁态下激光焊接焊缝显微组织磁光差异

4.1剩磁态下的低碳钢焊缝显微组织磁光图差异

4.2 剩磁态下高强钢焊缝显微组织磁光差异

4.3 本章小结

第五章 直流磁场激励下激光焊接低碳钢焊缝显微组织差异

5.1 直流磁场激励下的低碳钢焊缝磁光图差异

5.2不同直流激励下的焊缝正背面磁光图的变化

5.3本章小结

第六章 不同焊接状态对应的磁光图特性

6.1未焊透状态下的焊缝显微组织磁光图特性

6.2过熔透状态下的焊缝显微组织磁光图特性

6.3焊透状态下的焊缝显微组织磁光图特性

6.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

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致谢