分享：基于感應(yīng)渦流磁場(chǎng)的裂紋缺陷定量檢測(cè)

現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)零部件缺陷檢測(cè)作為確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻[1]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠在不破壞被檢測(cè)對(duì)象的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部及表面缺陷的精確檢測(cè)[2]。目前，無(wú)損檢測(cè)常規(guī)方法包括超聲檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。其中，渦流檢測(cè)以檢測(cè)速度快、靈敏度高、非接觸式檢測(cè)等特點(diǎn)，在金屬材料的缺陷檢測(cè)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。盡管渦流檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)與局限性。一方面，渦流檢測(cè)的結(jié)果往往需要復(fù)雜的信號(hào)分析處理，檢測(cè)結(jié)果直觀性不足，難以直接用于缺陷的定性與定量評(píng)估；另一方面，針對(duì)鐵磁性材料，渦流檢測(cè)需考慮磁化狀態(tài)的影響，增加了檢測(cè)的復(fù)雜性與成本。此外，渦流檢測(cè)在缺陷定性與定量方面的精度有限，特別是在處理小型或復(fù)雜形狀缺陷時(shí)，存在局限性。同時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的選擇與設(shè)置對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有顯著影響，需根據(jù)具體材料特性進(jìn)行定制化選擇[5]。 

文章利用渦流檢測(cè)技術(shù)中渦流磁場(chǎng)的特性，通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了裂紋缺陷的定量檢測(cè)，可用于檢測(cè)飛機(jī)和航天器的關(guān)鍵部件，以及汽車(chē)零部件、機(jī)械設(shè)備、金屬管道等產(chǎn)品，以期為推動(dòng)渦流檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考與借鑒。 

1.   感應(yīng)渦流磁場(chǎng)檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)方法將渦流產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)再次感應(yīng)到激勵(lì)線(xiàn)圈中，從而形成反作用電流，通過(guò)測(cè)量反作用電流的變化獲得渦流的變化情況，進(jìn)而判斷導(dǎo)體中是否存在缺陷[6]。文章在傳統(tǒng)渦流檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)在被測(cè)物體表面施加交變電磁場(chǎng)，測(cè)量其產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)來(lái)分析和診斷材料內(nèi)部的缺陷情況。 

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)通有交變電流的線(xiàn)圈靠近被測(cè)金屬時(shí)，交變電場(chǎng)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬表面感應(yīng)出電流，當(dāng)被測(cè)金屬表面沒(méi)有缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)和電流分布；當(dāng)被測(cè)金屬表面有缺陷時(shí)，電阻率的變化會(huì)對(duì)電流分布產(chǎn)生影響，從而造成電流線(xiàn)在缺陷邊緣處發(fā)生偏轉(zhuǎn)和匯聚，進(jìn)而擾亂磁場(chǎng)分布。感應(yīng)渦流磁場(chǎng)檢測(cè)原理示意如圖1所示，缺陷造成了電流偏轉(zhuǎn)，在電流最密集處z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bz產(chǎn)生峰值，為缺陷檢測(cè)提供了依據(jù)。通過(guò)研究Bz的變化曲線(xiàn)，可以對(duì)缺陷的長(zhǎng)度、深度和位置等信息進(jìn)行分析。 

圖  1  感應(yīng)渦流磁場(chǎng)檢測(cè)原理示意

2.   仿真分析

2.1   建立模型

使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真建模，得到的結(jié)果可以為后續(xù)的實(shí)物搭建提供參考。假設(shè)激勵(lì)電流在截面上均勻分布，電流密度可視為恒定值。采用U形寬磁芯纏繞多圈漆包線(xiàn)，試件選用鋁合金材料，并在其表面開(kāi)設(shè)多條長(zhǎng)度、寬度和深度不同的缺陷，仿真模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。線(xiàn)圈與傳感器的間距設(shè)置為1 mm，在避免與試件摩擦的同時(shí)能保證較好的檢測(cè)效果。 

圖  2  仿真模型結(jié)構(gòu)示意

2.2   仿真結(jié)果

文章采用U形寬磁芯進(jìn)行了線(xiàn)圈電流、磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及試件表面電流的仿真模擬，無(wú)缺陷及含裂紋的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，線(xiàn)圈正下方的試件表面形成了范圍較大的均勻平行激勵(lì)電流，與普通U形磁芯相比，U形寬磁芯具有更廣泛的激勵(lì)范圍，效果更好。使用1 kHz頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行通電，持續(xù)移動(dòng)線(xiàn)圈和探頭進(jìn)行單方向掃描，求解探頭位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度在z方向上的分布。當(dāng)工件表面存在裂紋缺陷時(shí)，電流密度在缺陷處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，缺陷左右兩側(cè)的偏轉(zhuǎn)最為顯著，且偏轉(zhuǎn)方向不相同，符合檢測(cè)技術(shù)的原理。因此，可以通過(guò)此特性來(lái)確定缺陷的位置和尺寸等信息。 

圖  3  無(wú)缺陷及含裂紋的仿真結(jié)果

沿缺陷延伸方向由左至右進(jìn)行掃描，不同裂紋的尺寸示意及掃描結(jié)果如圖4所示。 

圖  4  不同試件的裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz曲線(xiàn)

由圖4可知，試件左右邊緣處的Bz呈現(xiàn)出峰值，且左邊緣為極大值，右邊緣為極小值；缺陷兩端位置也對(duì)應(yīng)z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值，缺陷左端為極小值，缺陷右端為極大值，以上現(xiàn)象完全符合檢測(cè)的機(jī)理。試件2中缺陷深度分別為2，3，4 mm時(shí)，相應(yīng)缺陷兩端處的z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值隨深度增加而增大。 

試驗(yàn)結(jié)果表明，缺陷兩端位置與z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)峰值位置對(duì)應(yīng)，可以定量分析缺陷長(zhǎng)度；缺陷深度也會(huì)影響磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，深度越深，磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。 

3.   試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1   探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)了一種將線(xiàn)圈纏繞在U形錳鋅鐵氧體磁芯上的探頭。線(xiàn)圈與TMR傳感器距工件表面1 mm，漆包線(xiàn)直徑為0.15 mm，匝數(shù)為300匝。傳感器用于檢測(cè)工件表面法向的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖5所示，模型各部件尺寸如表1所示。 

圖  5  探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物

3.2   整體試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)由激勵(lì)部分、檢測(cè)部分、運(yùn)動(dòng)控制部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。 

圖  6  試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在激勵(lì)部分，信號(hào)發(fā)生模塊采用ICL8038型芯片作為信號(hào)源。該芯片具有廣泛的頻率范圍，可以從0.001 Hz到300 kHz自由調(diào)節(jié)，并且輸出的正弦波失真度較低，僅為1%。信號(hào)發(fā)生模塊通過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器控制正弦信號(hào)的直流偏置和振幅，可以實(shí)現(xiàn)頻率在100 Hz到30 kHz之間的調(diào)節(jié)。功率放大模塊采用TDA2030型芯片對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行放大。TDA2030功放芯片可在±6 V至±22 V的電源電壓下工作，輸出功率較高。 

檢測(cè)部分采用了TMR2584型線(xiàn)性磁傳感器，該傳感器采用了推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)含4個(gè)非屏蔽高靈敏度的TMR傳感器元件，能夠感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場(chǎng)。 

傳感器輸出的是微弱差分信號(hào)，系統(tǒng)采用AD620型芯片放大信號(hào)。然后，通過(guò)采樣獲取電壓數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)串口將電壓數(shù)據(jù)和相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。探頭運(yùn)動(dòng)采用 CoreXY結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩組滑輪和皮帶，共同控制探頭在x軸和y軸上的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高效、精確的二維平面定位，該結(jié)構(gòu)使探頭能夠準(zhǔn)確快速地定位至所需位置。試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖7所示。 

圖  7  試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

3.3   測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真模型的精確性，文章依據(jù)所構(gòu)建的仿真模型，精確加工出了對(duì)應(yīng)的鋁合金試件。試件采用CNC數(shù)控機(jī)床技術(shù)制造，試件實(shí)物如圖8所示。 

圖  8  被測(cè)鋁合金試件實(shí)物

試驗(yàn)過(guò)程中，由于采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)顯著偏離正常范圍的誤差點(diǎn)。為有效抑制并消除誤差點(diǎn)的不良影響，采用高斯濾波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。鋁合金試件裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz曲線(xiàn)如圖9所示。 

圖  9  鋁合金試件同深度裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz曲線(xiàn)

對(duì)比圖9結(jié)果與仿真結(jié)果，觀察到兩者結(jié)果基本一致，測(cè)量結(jié)果分別為19.435 1，19.366 4 mm。測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足精度需求，同時(shí)驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。 

為驗(yàn)證缺陷深度與z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的相互關(guān)系，文章進(jìn)行了如下試驗(yàn)。鑒于趨膚效應(yīng)對(duì)感應(yīng)電流分布的顯著影響，即電流密度隨深度的增加而逐漸衰減，筆者實(shí)際設(shè)置了深度分別為2，3，4 mm的3種缺陷，同時(shí)確保所有缺陷在長(zhǎng)度與寬度上保持一致，均為10 mm×2 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。 

圖  10  鋁合金試件不同深度裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz曲線(xiàn)

可見(jiàn)，圖10所示數(shù)據(jù)與先前的仿真結(jié)果呈現(xiàn)出高度的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的有效性與準(zhǔn)確性。通過(guò)儀器測(cè)量獲取的3個(gè)缺陷的長(zhǎng)度值分別為9.901 5，9.835 4，9.825 5 mm，反映了測(cè)量系統(tǒng)的高分辨率與穩(wěn)定性。由于實(shí)際加工過(guò)程中的工藝限制，缺陷邊緣未能形成理想的直角，而是呈現(xiàn)出圓弧過(guò)渡形態(tài)。這解釋了為何實(shí)測(cè)的缺陷寬度略小于預(yù)設(shè)的10 mm，但測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足精度需求。文章試驗(yàn)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷深度的定量評(píng)估，分析圖形中所示缺陷特征的極值變化趨勢(shì)（由缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值從左到右分別為0.3215 86，0.381 215，0.451 251 T）可知，在相同裂紋長(zhǎng)度的情況下，隨著裂紋深度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。 

4.   結(jié)語(yǔ)

文章探討了基于感應(yīng)渦流磁場(chǎng)的裂紋缺陷檢測(cè)方法，通過(guò)理論建模與試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)地分析了渦流檢測(cè)在裂紋缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用與效果。通過(guò)仿真揭示裂紋所引發(fā)的電磁特性變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷長(zhǎng)度的定量評(píng)估。獲取的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz在一定范圍內(nèi)與表面裂紋深度呈正比關(guān)系；缺陷深度影響Bz的大小，深度越深，Bz越大。并且，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，渦流檢測(cè)能夠準(zhǔn)確識(shí)別并量化導(dǎo)體表面的裂紋缺陷，且測(cè)量結(jié)果精度高。

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