基于红外热波无损检测技术的汽车零部件制造工艺稳健性能

康帆，蔚亚，张强

(西安航空职业技术学院 a. 汽车工程学院； b. 航空制造工程中心，陕西 西安 710089)

0 引言

对汽车零部件制造行业而言，从某种发展趋势上看，零部件开发成功或失败的关键因素不在于企业自身的产业结构，而在于项目开发过程中行之有效、符合实际的技术创新能力。在汽车零部件制造加工过程中，采用计算机辅助的设计方法，进行汽车零部件制造工艺设计，可以降低汽车零部件的设计和加工误差。汽车零部件设计因受到小扰动和非线性力学特征的影响，导致汽车零部件设计的定位误差较大，加工的非线性小扰动作用特征明显。汽车零部件制造工艺技术创新是同领域中其他企业难以复制和模仿的，也不是简单地依靠加大投入资金、购买更多先进设备就能够做到的。由此可见，通过稳定性能更强的制造工艺制造性能生产出更好的零件，才是汽车零部件行业发展的方向[1]。

红外热波无损检测技术在检测的过程中不会损坏被检测对象，对产成品的安全可靠保证、特殊设备的使用等方面均有保障，在提高劳动生产效率的同时，节约了制造成本、降低企业制造费用[2]。随着汽车性能的不断提升，零部件结构日趋复杂，功能要求越来越高，常规的红外热波无损检测技术已经不能满足现阶段的检测要求，因此提出全新的红外热波无损检测技术，实现对汽车新型零部件制造工艺稳健性能的精准检测。所提出的红外热波无损检测方法以常规方法为基础，将高频电磁波作为媒介信息交换的基本工具，根据零件结构的特殊性、材料的自身属性设置检测节点，检测零件表面粗糙度、裂纹深度、划痕宽度等数据，以此实现其稳定性能的检测[3]。所提出红外热波无损检测方法，对于常规汽车零件和复杂汽车零件同样适用，为促进零件制造行业的发展，提供了更加精准的检测技术支持。

1 汽车零部件制造工艺稳健性能红外热波无损检测

汽车是由大型框架梁结构、发动机、底盘以及其他电器设备构成，通过制动系统驱动而行驶的车辆。

1.1 建立红外热波无损检测模型

红外热波无损检测以热传导效应机制为核心，存在一维传导效应模型，在红外热波传导脉冲热源表面施加一定传感压力，同时通过红外热波方式向实验试件内部依次连续传播，且随着时间的变化而改变。当与不同介质相遇时，透过所接触介质边缘继续传播。红外热波无损检测具有如下特点：

1) 研究了多种方便、精确的热激励方式；

2) 现已由定性研究向定量研究发展；

3) 缺陷可自动识别等；

4) 红外线情报处理的智能化发展；

5) 对材料内部热红外无损检测技术进行深入研究；

6) 研究自动检测系统及便携式检测系统。

光谱分析技术可以实现对汽车零件的性能检测，因此以光谱传输特性为依据，建立红外热波无损检测模型。已知零件构成材料有散射的特性，满足辐射方程的散射近似条件，因此可根据洛伦兹函数基本原理，计算零件的散射光强度，函数公式为：

(1)

式中：P表示所求的散射光强度值；k表示洛伦兹曲线分布的渐进值；s表示检测光入射点处洛伦兹曲线的最大峰值；d表示距离入射点即曲线中心点的水平距离；c表示散射曲线的半波带宽。已知汽车零件的光传输路径如图1所示，计算洛伦兹拟合系数，获取零部件在三维空间内的散射规律[4]。

图1 零件光传输路径示意图

图1中，L1,L2,…,Ln表示零件上任意一个检测节点与光谱检测仪之间的距离。通过变换光源和仪器距离得到深度不同的汽车零部件组织信息。根据高斯函数计算拟合系数：

(2)

式中：H表示拟合系数；a表示拟合可靠程度；e表示指数；ε表示固定常数指标。结合式(1)和式(2)，同时根据图2中的传输路径，可得拟合相关系数。当系数H>0.99时说明拟合结果可靠，经计算H=0.999 4，可利用分布函数描述光在零部件组织内的空间散射规律[5]，空间分辨曲线如图2所示。

图2 拟合的空间分辨曲线

假设规律约束条件为λ，则建立的红外热波无损检测模型可用下列函数描述：

(3)

式中：Ev表示体积为v的零部件红外热波无损检测结果；ω表示光谱分析强度；n表示检测次数；i表示检测节点数量；f(*)表示被约束的分布函数[6]。至此红外热波无损检测模型建立完毕，可进行下一步检测工作。

1.2 可靠性分析法获取零件拓扑结构

基于上述建立的检测模型，利用可靠性分析算法获取零部件的拓扑结构，该算法可描述为：

(4)

图3 随机变量空间

由于汽车零部件拓扑结构是多层嵌套式结构，因此根据可靠度指标的几何定义，结合图3中的区域划分，获取拓扑结构约束条件：

(5)

式中:u表示零部件最可能失稳的位置节点；γ表示可靠度指标[8-9]。基于红外热波无损检测的汽车零部件超临界的损伤特征原因分布如图4所示。

图4 红外热波无损检测损伤特征原因分布

综合上述特征原因分布，通过功能函数得到零部件的拓扑结构，该结构中的关键数据如表1所示。

表1 零部件拓扑结构参数信息表

根据表1中的参数与标准值进行对比，若满足制造工艺标准，则证明得到的结构与零件实际情况吻合。

1.3 补偿检测灵敏度

根据拓扑结构可知零部件的详细几何结构，可知关联的零部件集成之间的厚度不一，利用红外热波无损检测模型检测稳定性能时会出现检测误差，因此需要对检测灵敏度进行补偿，以保证光谱检测过程中发射器可以自动调整入射声压，控制检测结果精度[10]。灵敏度补偿示意图如图5所示。

图5 灵敏度补偿要求

已知被检测汽车零部件对超声信号的衰减量，主要与零件集成的厚度变化有关。图5中黑点代表采样位置，为了实现零件集成中接收各个部位检测信号的幅值保持一致，对每个采样点对应的不同厚度值，补偿不同的灵敏度，因此得到灵敏度与零件厚度之间关系的增益函数为：

f(i,j)=g(r,φ)

(6)

式中：f(i,j)表示第i行j列内所有节点之间关系的增益函数函数；r表示零部件厚度值；φ表示零部件的曲率；g(*)表示比较函数。由于零部件集成相较于单独的零部件而言，集成内部超声信号的传播途径和传播方式更为复杂，对于红外热波无损检测来说难度极大[11]，因此设置一个底波位置替换厚度参数r，存在r′=s(x,y,z)，x、y、z为采样点曲面的三维坐标值。已知曲率的表达式为φ=c(x,y,z)，联立上述公式可得新的增益函数：

f(i,j)=g′[s(x,y,z),c(x,y,z)]

(7)

改写上述公式，得到：

f(i,j)=g′(x,y,z)

(8)

可见只要获取检测采样点位置的具体坐标信息x、y、z与增益值的函数g′，就可以实现对红外热波无损检测灵敏度的补偿[12]。

1.4 小波多尺度分析零件稳健性能

假设φ(z)表示任意正交小波，{φa,m(z)}是根据该小波生成的M2(S)空间正交基，任意f(z)∈M2(S)可被表示为小波级数：

(9)

则根据上式可推导出：

(10)

式中：a表示固定正交线性参数；n表示小波正交次数。由于零部件边缘与表面的成像性质不一致，因此设置平滑函数，通过控制零部件成像的边缘连续程度，满足小波基的容许性条件[13]。该平滑函数为：

(11)

方程组中β(x,y)表示平滑函数。根据所获结果调整光谱仪器，运行红外热波无损检测模型，通过判别函数得到稳定性能判别结果[14]。已知判别函数结构如图6所示。

图6 判别函数分层结构

图6中n表示结构层数；D1,D2,…,Dn表示每一层内的判别子集。由此得到汽车零部件的失稳指标为：

(12)

式中ST表示失稳判断指标。将该指标与标准许用应力指标对照，得出零部件制造工艺的稳健性能，实现对零部件的红外热波无损检测[15]。

2 实验测试与数据分析

提出对比实验方案，测试基于红外热波无损检测以及常规红外热波无损检测的汽车零部件制造工艺稳健性能，分析两种检测技术影响下零部件的许用应力，得出有关制造工艺稳健性能的测试结果。

2.1 实验准备

搭建测试平台，导入红外热波无损检测系统，实验测试环境如图7所示。

图7 实验测试环境

按照图7所示连接测试硬件，将谐振器探头紧贴待检测零件表面，将同轴线连接在频谱仪上接收回波信号；再将回波信号接入控制主板，与计算机串口相连，建立完整的汽车零部件制造工艺稳健性能红外热波无损检测系统。此次测试分两组进行，一组为所提出红外热波无损检测方法的实验测试组；另一组为常规红外热波无损检测方法的对照测试组，实验测试选取的汽车零部件如图8所示。

图8 实验测试对象

已知选取的第1组和第2组待测零件中，#1为稳健性较差的零部件。实验对象选取结束后测试关键检测硬件的运行状态。经由30min系统测试，探头与其他硬件均正常工作，频谱仪可以输出稳定的3.5GHz频率信号，运作检测示意图如图9所示。

图9 信号源运作监测图像界面

图9界面中，频谱仪显示的中心频点在3.5GHz上，说明测试系统处于正常工作状态，可以开始实验。

2.2 结果分析

记录两种检测技术下，汽车零部件的电平数据，分析零部件的许用应力，测试出实验对象的稳健性能。测试过程中，在测试对象上分别设置若干个检测节点，将谐振器探头与这些节点相连，得到不同零部件结构表面的介电特性，其中常规无损检测标准值如表2所示，所提出红外热波无损检测方法下的实验组测试结果与常规红外热波无损检测下的对照组测试结果，分别如表3、表4所示。

表2 标准值结果 单位：mV

表3 实验组测试结果 单位：mV

表4 对照组测试结果 单位：mV

由表2、表3和表4的实验测试结果可知，所提出的红外热波无损检测技术得到的应力值与标准值相近，而对照组测试结果和标准值相差较大。4个测试样本的反射波值均从小增大到最大值，然后再降低，可见两种检测技术下的测试结果可信。根据上述检测技术的测试数据，计算汽车零件许用应力的计算模型为：

(13)

已知最大许用应力为1 MPa。经计算，所提出红外热波无损检测技术得到稳定性好的零件最大应力结果为0.962 5 MPa；得到稳定性差的零件最大应力结果为1.412 2 MPa。传统红外热波无损检测技术得到稳定性好的零件的最大应力结果为0.944 7 MPa；得到稳定性差的零件的最大应力结果为1.126 5 MPa。综合上述实验结果，可知所提出的红外热波无损检测技术对汽车零部件制造工艺稳定性的检测更加贴合实际。

3 结语

目前，汽车零件生产企业，以新产品开发为载体，增强企业的自主开发能力和创新技术，通过红外热波无损检测技术，对汽车零部件进行可靠检测，对被检测对象的稳定性能做出有效评价。基于红外热波无损检测提出的汽车零部件制造工艺稳定性检测方法，通过分析零件拓扑结构、汽车运行状态下的振动幅值等参数，得到零件的最大许用应力。根据零件的最大应力值，判断汽车零件在投入使用过程中的运转是否安全，以此得出制造工艺的稳定性能。该技术弥补常规红外热波无损检测技术的缺陷，实现对零件性能的精准检测。但该检测在计算步骤上相对复杂，易产生误差，因此在计算过程中要注意数据的真实性和可靠性。