鄧志揚，楊　蕓，馮　搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

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表面粗糙度對裂紋漏磁檢測的影響

鄧志揚，楊蕓，馮搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

摘要：在裂紋漏磁檢測中尤其是微裂紋的檢測受多種因素影響，其中被檢測工件的表面粗糙度是主要因素。為探求表面粗糙度與裂紋檢測靈敏度間的關(guān)系，在表面粗糙度試塊上刻有不同深度的人工裂紋并進(jìn)行漏磁檢測試驗，得出了不同深度裂紋的檢測信號信噪比。結(jié)果表明，信噪比隨著表面粗糙度值的增大而減小，表面粗糙度一定時，深度小到一定程度的裂紋將不能被有效檢出。最后，以三角形鋸齒狀粗糙元模擬固體表面粗糙度模型中的上凸部分和下凹部分，從磁折射的角度分析了粗糙表面場強分布規(guī)律，通過仿真給出了粗糙表面裂紋的理論檢測靈敏度。

關(guān)鍵詞：表面粗糙度；漏磁檢測；信噪比；裂紋；靈敏度

漏磁檢測技術(shù)以其可靠性高、易于實現(xiàn)自動化的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鐵磁性材料的無損檢測與評估[1]中。由于加工等原因，被檢測材料的表面痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差異[2-3]。這些微觀和宏觀的幾何不平整在漏磁檢測中均會引起磁場泄漏，由此帶來的背景漏磁場和信號將對微小裂紋產(chǎn)生的漏磁場和信號測量造成影響，從而影響到漏磁檢測的可行性和檢測靈敏度。

文獻(xiàn)[4]概述性地以材料表面粗糙度為漏磁檢測的影響因素之一進(jìn)行了介紹，也有文獻(xiàn)從表面不平引起探頭提離值波動的角度進(jìn)行了試驗研究[5]。但對此類影響的定量化分析和評價的研究少有文獻(xiàn)報道。筆者首先通過試驗發(fā)現(xiàn)不同表面粗糙度下與不同深度裂紋的漏磁檢測信號特點和關(guān)系，分析在同一表面粗糙度下不同深度裂紋的檢測信號差異和檢測可行性；最后，通過選取合適的粗糙度元進(jìn)行工件粗糙表面建模，利用ANSYS軟件仿真分析表面粗糙度對磁場分布的影響，給出粗糙度表面的裂紋漏磁檢測的理論精度。

1粗糙表面和裂紋的漏磁檢測試驗

1.1　試驗裝置

試驗采用的整個檢測裝置主要由檢測探頭(傳感器)、磁化線圈、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機等幾部分組成。圖1所示為檢測裝置示意，其中，磁化器由2組線圈組成，檢測探頭安裝在兩組線圈中間以保證檢測元件所在的位置磁場分布均勻。對比感應(yīng)線圈、霍爾元件和集成磁頭對同一缺陷進(jìn)行檢測的效果，得到的信號特征極其相近，最后采用了靈敏度更高的磁頭作為傳感器。探頭由一T型支架固定，T型支架固定在兩組線圈上方，可保證檢測中探頭的穩(wěn)定性。被測鋼板由位于線圈兩側(cè)的一對支撐輪控制其沿磁化方向的勻速運動，在移動過程中，始終與探頭保持緊密的貼合，以得到均勻的掃查效果。試驗中傳感器將磁場信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，采集卡獲取的信號信息由上位機軟件進(jìn)行顯示。

圖1　試塊漏磁檢測裝置示意

1.2　試塊

試驗中采用的試塊材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，各試塊的尺寸均為長300 mm、寬100 mm、厚度14 mm，其中三塊試塊表面加工方式為飛刀銑，得到不同的粗糙度表面值(Ra),如圖2所示，粗糙度值采用粗糙度儀多次測量確定。第二組三塊試塊的加工方式為立銑，得到不同的粗糙度表面，如圖3。另外一塊對比試塊加工方式為平磨，表面光潔，粗糙度Ra=0.2 μm，編號7。所有試塊表面均刻有一組寬度20 μm，深度不同的人工線狀缺陷，圖4中從左到右深度依次為20，45，70 μm ，相鄰缺陷的間距為70 mm，這樣在一塊試塊上可進(jìn)行多個深度缺陷試驗。

圖2　飛刀銑加工得到的不同粗糙度表面

圖3　立銑加工得到的不同粗糙度表面

圖4　試塊缺陷位置示意

2表面粗糙度對裂紋檢測的影響

對平磨試塊進(jìn)行飽和磁化下的漏磁檢測試驗。試塊的磁化方向垂直于人工線狀缺陷，試塊以恒定的移動速度沿磁化方向運動，重復(fù)試驗并采集數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5　對比試塊檢測信號

由于平磨表面較光潔，并未帶來明顯的噪聲信號。試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，信號峰值與缺陷的深度大小成正相關(guān)，當(dāng)缺陷深度為20 μm左右時，所使用的探頭靈敏度已基本無法檢測出缺陷信號。

2.1　表面粗糙度對漏磁檢測信號的影響

保持試驗條件不變，對1～4號立銑試塊上深70 μm的缺陷進(jìn)行檢測，分析檢測數(shù)據(jù)并得到其信噪比與粗糙度的二維曲線，如圖6所示。

圖6　信號信噪比隨粗糙度的變化曲線

由圖6所示曲線的變化趨勢可知，對于試驗中深度為70 μm的缺陷，隨著粗糙度的增大，檢測信號的信噪比呈現(xiàn)減小趨勢，在表面粗糙度Ra為12.5 μm的1號試塊上，檢測信號的信噪比非常低，已經(jīng)不能清晰地從粗糙度引起的噪聲信號中分辨出缺陷信號；而在粗糙度Ra為3.2 μm的3號試塊上，檢測信號的信噪比較高，能夠較為清晰地分辨出缺陷信號，但是對比平磨試塊上同等深度的缺陷，信噪比有所降低。由此可見，對于微小缺陷的檢測，表

面粗糙度對檢測效果的直接影響是信號的信噪比降低，甚至不能檢出缺陷或者引起誤判。換言之，在表面粗糙度確定的情況下，試件上的可檢出缺陷深度受到限制，存在一檢測極限，即在確定的檢測條件下，檢測極限所對應(yīng)深度的缺陷已經(jīng)不能夠檢出，這為實際檢測中提高檢測精度和檢測靈敏度提供了試驗基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步探究一定粗糙度下的檢測極限，對不同深度的裂紋進(jìn)行試驗。

2.2　表面粗糙度對不同深度裂紋檢測的影響

保持試驗條件不變，探頭以相同速度沿試塊的磁化方向，分別掃查2組加工方式不同的試塊，對不同深度的裂紋進(jìn)行飽和磁化下的漏磁檢測，各試塊的檢測信號如圖7所示。

圖7　不同試塊的漏磁檢測信號

對實測信號(含噪聲)估計信噪比，首先要估計噪聲的方差，估計時所用的樣本數(shù)目越多，結(jié)果越準(zhǔn)確，實際情況中可用噪聲最大幅值代替。有用信號能量的估計理論上應(yīng)對含有噪聲的有用信號樣本去噪后進(jìn)行，但實際中常用含有噪聲的有用信號樣本的峰值點代替真實信號的幅度。由于在漏磁檢測中，關(guān)注的是信號的突變，周圍幅值上的任何突出部分都會影響實際缺陷信號的分辨，應(yīng)用信噪比公式：

(1)

式中：S為信號最大幅值；N為噪聲最大幅值。

重復(fù)試驗并采集數(shù)據(jù)，分析檢測結(jié)果，繪制不同表面粗糙度下信號信噪比隨裂紋深度的變化曲線，如圖8所示。

圖8　不同加工方式的試塊檢測信噪比隨裂紋深度變化曲線

分析圖8(a)所示曲線，對于同一Ra值的表面粗糙度，隨著人工裂紋深度的減小。缺陷信號的信噪比降低。對于3號試塊(檢測信號見圖7(c))，由2.1節(jié)中分析可知，70 μm深度的裂紋不能被檢出，因此對小于該深度的缺陷不加討論。試塊2中，如圖7(b)圈出區(qū)域所示，對于45 μm的缺陷深度，信號信噪比非常低，不能清晰地分辨出缺陷信號，而對于較大的70 μm深度的缺陷，檢測信號能夠滿足缺陷識別的信噪比要求。如圖7(a)所示1號試塊的檢測結(jié)果，能夠分辨出深度為70 μm和45 μm的缺陷，但信噪比相對于對比所用的平磨試塊，有所降低，對于20 μm缺陷，基本無法檢出。

分析立銑試塊的測試結(jié)果，一定粗糙度下，裂紋深度的變化引起的信噪比變化趨勢與第一組飛刀銑試塊基本一致，但是，由于表面加工方式的差異，兩組試塊表面峰谷不平的分布規(guī)律并非完全一樣(見圖2和圖3)；因此兩組試塊中，對于相同大小的表面粗糙度和相同的裂紋深度，檢測信號的信噪比并不一樣。5號立銑試塊和2號飛刀銑試塊具有相同的表面粗糙度值，但是對于深度為70 μm的裂紋，2號試塊具有較高的信噪比，如圖7(b),(e)的圈出區(qū)域。

以上試驗結(jié)果表明，在粗糙度確定的情況下，存在漏磁檢測極限深度，即能夠檢測到的缺陷深度下界，小于該范圍的缺陷深度，由于信噪比的降低，漏磁檢測的靈敏度降低。出現(xiàn)以上結(jié)果的主要原因在于，粗糙度引起表面微觀峰谷不平輪廓在兩種不同磁導(dǎo)率材料的分界面上，存在磁折射現(xiàn)象，上凸和下凹的輪廓引起了表面上方磁場的分布變化。

下面采用ANSYS軟件進(jìn)一步仿真分析表面粗糙度對磁場分布的具體影響，給出粗糙度表面的裂紋漏磁檢測的理論精度。

3粗糙表面的漏磁場建模分析

從磁折射的角度，缺陷附近的場強變化主要是界面兩側(cè)不同介質(zhì)的磁導(dǎo)率不同引起的，在凹型缺陷如裂紋或腐蝕下產(chǎn)生上凸的信號，而在小突起物存在的地方(代表凸?fàn)钊毕?則產(chǎn)生一個凹陷的信號。當(dāng)感應(yīng)單元沿著凹凸不平的表面進(jìn)行掃查時，捕獲到的信號由于這種凹凸信號的存在，必定影響最終檢測結(jié)果。在微尺度條件下，工件表面的粗糙度模型中，緊密相連的“上凸”部分和“下凹”部分均對于磁折射效應(yīng)具有影響，故采用這種完整的漏磁檢測機理。

工件無論采用哪種加工方法，受刀具與零件間的運動、摩擦，機床的振動及零件的塑性變形等因素的影響，所獲得的表面都存在微觀的不平痕跡，即為表面粗糙度；工件在使用過程中的磨損、腐蝕介質(zhì)的侵蝕消耗也會造成表面粗糙，這種較小間距和峰谷所組成的微觀幾何輪廓構(gòu)成表面紋理粗糙度[7]，通常采用二維表面粗糙度評定標(biāo)準(zhǔn)即能基本滿足機加工零件要求，常用評定參數(shù)優(yōu)先選用輪廓算術(shù)平均偏差Ra，能夠直接反應(yīng)工件表面說明峰谷不平的狀態(tài)，Ra定義常通過圖9表示。Ra可通過式(2)近似計算。

圖9　表面粗糙度常用參數(shù)Ra的定義

(2)

式中：yi為輪廓偏距，l為取樣長度，x軸為測量的取樣基準(zhǔn)線。

由Ra的定義示意圖可知，其主要表征工件表面這種峰谷不平的狀態(tài)，同時Ra反映的是一個垂直于工件表面方向的高度變化，而漏磁檢測中的垂直于工件表面方向?qū)?yīng)缺陷的深度方向，故運用ANSYS軟件建立粗糙度元的簡化模型可以分析工件粗糙表面的漏磁場分布規(guī)律。

通常采用規(guī)則的三角形鋸齒狀粗糙元來進(jìn)行粗糙表面建模，便于仿真中定性和定量分析[8-9]。三角形鋸齒狀粗糙元特點是三角形粗糙元的緊密相連，其間無間隙。若材料表面的粗糙度分布均勻且間隔較為緊密，就可利用三角形鋸齒狀粗糙元模型研究粗糙元對平板粗糙表面場強分布的影響。三角形鋸齒狀粗糙元模型如圖10所示，圖中平板厚度為D，粗糙元的高度為e，上下三角形粗糙元間隔排列，每個小三角形粗糙元的底邊恒定為0.1 mm。由選用的粗糙度表征參數(shù)Ra的定義可知，該三角形粗糙元高度與Ra的對應(yīng)關(guān)系為：2Ra=e。

圖10　三角鋸齒狀粗糙元建模

圖11給出了同種表面粗糙程度、相同寬度、不同深度表面裂紋缺陷條件下，SNR值與裂紋深度的關(guān)系曲線。仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)為：粗糙元高度為0.1 mm，提離值為0.15 mm，缺陷寬度分別為0.6,0.4,0.2 mm共三組。每種缺陷寬度情況下，缺陷深度為0.1～0.3 mm每次間隔0.025 mm的共9個深度值進(jìn)行建模分析。

圖11　理論信噪比與裂紋深度的關(guān)系

圖11中三條曲線分別代表缺陷寬度為0.6,0.4,0.2 mm下的信噪比變化趨勢。由圖可知，對于相同的表面粗糙程度，隨著裂紋深度的減小，漏磁信號的信噪比呈現(xiàn)降低趨勢，同種缺陷寬度下，缺陷深度小于0.25 mm(即5倍Ra)值后，信噪比幾乎是呈現(xiàn)線性下降的，并且下降速度較深度值較大時快；而深度減小至2倍Ra值時，信噪比約為1左右，此時缺陷信號已難以分辨。因此，一定表面粗糙度下的理論檢測極限深度dmin可由仿真結(jié)果中的信噪比極限確定，即：

(3)

式中：e為仿真模型中粗糙元高度。

由仿真分析可得，一定粗糙度下的工件表面，對于微小裂紋的檢測變得非常敏感，信噪比的大小較大程度上決定了微小裂紋能否被檢出。將仿真分析與試驗結(jié)果對比分析，兩者信噪比隨缺陷深度的曲線的變化趨勢都呈現(xiàn)良好一致性。

4結(jié)論

(1) 隨著表面粗糙度的增大，同一裂紋缺陷下的檢測靈敏度呈降低變化趨勢。對Ra=6.3 μm的表面粗糙度，漏磁檢測對深度為45 μm的裂紋缺陷具有較高的靈敏度，其對應(yīng)的信噪比較大;而對于深度更小的表面裂紋缺陷，或者是對于表面粗糙度值更大的試件，裂紋信號較難分辨，甚至?xí)鹫`判。表面粗糙度值與產(chǎn)生的噪聲信號之間的定量關(guān)系有待進(jìn)一步探討。

(2) 由ANSYS軟件仿真分析給出了一定表面粗糙度下的檢測極限裂紋深度值dmin與表面粗糙度Ra的對應(yīng)關(guān)系，滿足于limdmin=2Ra關(guān)系，低于該極限深度，無法檢出裂紋。

(3) 由紋理粗糙度與漏磁檢測的關(guān)系可知，可通過紋理消除來改善由粗糙度引起的噪聲信號對漏磁檢測靈敏度的影響。

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Influence of Surface Roughness on MFL Inspection of Cracks

DENG Zhi-yang, YANG Yun, FENG Bo, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science& Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In magnetic flux leakage testing (MFL), test result was affected by various factors. Surface roughness was the main factor influencing the sensitivity of detection. The aim of this paper is to analyze the effect of surface roughness on crack detection sensitivity by an experiment on surface roughness reference block with artificial groove injury in different depth, and to analyze detection results of different rough surface by comparing the SNR. The results showed that the SNR value decreased as the surface roughness increased, and a certain depth of the crack could not be clearly distinguished at a determined roughness, moreover, triangular serrated roughness elements were taken to simulate the convex portion and the concave portion in surface roughness model of solid, and analyzed distribution of magnetic field intensity from the perspective of the magnetic refraction, the simulation results gave a theoretical detection sensitivity of crack on rough surface.

Key words:Surface roughness; Magnetic flux leakage testing; SNR; Crack; Sensor

中圖分類號：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0040-05

DOI:10.11973/wsjc201602010

作者簡介：鄧志揚(1991- )，男，碩士研究生，主要從事無損檢測技術(shù)及儀器方面的研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475194，51275193)

收稿日期：2015-02-05