胡德洲，左憲章，王建斌，張玉華

（軍械工程學(xué)院無人機(jī)工程系，河北石家莊050003）

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基于脈沖渦流熱成像的金屬材料裂紋檢測研究

胡德洲，左憲章，王建斌，張玉華

（軍械工程學(xué)院無人機(jī)工程系，河北石家莊050003）

摘要：脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)可以對金屬材料的表面裂紋進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，通過比較鐵磁性的45#鋼和非鐵磁性的不銹鋼感應(yīng)加熱時(shí)渦流場和溫度場的不同分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)由于二者趨膚深度相差很大，45#鋼試件表面和裂紋底部感應(yīng)電流密度基本相等，不銹鋼裂紋邊緣感應(yīng)電流密度較小、底部角落處感應(yīng)電流密度較大，感應(yīng)電流密度分布和裂紋對熱擴(kuò)散的阻礙作用共同決定裂紋附近的溫度變化規(guī)律。結(jié)合實(shí)驗(yàn)對結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，為金屬材料裂紋的定量檢測提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；熱成像；金屬材料；渦流場；溫度場

0　引言

機(jī)械設(shè)備中的許多關(guān)鍵部件都由金屬材料制成，部分設(shè)備由于經(jīng)常運(yùn)行在高溫、高壓、高速或高負(fù)載等惡劣條件下，在其表面或內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生腐蝕、裂紋、坑洞等缺陷，影響設(shè)備的正常使用、給人員的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，對設(shè)備進(jìn)行無損檢測，判定其質(zhì)量狀態(tài)，對于保證設(shè)備安全運(yùn)行和提高生產(chǎn)效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，具有非接觸測量、靈敏度高、反應(yīng)速度快、信號處理速度快、檢測面積大、直觀和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，非常適合現(xiàn)場以及在線檢測[1-3]。

目前，國內(nèi)對于脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)的研究尚處于起步階段，多側(cè)重于定性分析，研究了檢測機(jī)理以及材料缺陷附近的溫度分布規(guī)律[4-8]。奧地利學(xué)者Beate等[9-10]比較了鐵磁性和非鐵磁性材料感應(yīng)加熱時(shí)裂紋附近溫度分布的差異。感應(yīng)加熱過程涉及渦流場和溫度場兩個(gè)方面，受材料的物理特性影響明顯。但是在實(shí)際檢測中,材料電磁特性、熱特性等參數(shù)千差萬別，導(dǎo)致不同材料感應(yīng)加熱現(xiàn)象相差很大，需要進(jìn)一步研究不同材料參數(shù)在感應(yīng)加熱時(shí)裂紋附近的渦流場和溫度場分布規(guī)律及其產(chǎn)生的原因，便于對實(shí)際檢測中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋。因此，本文選取45#鋼、不銹鋼兩種典型材料，比較了鐵磁性材料和非鐵磁性材料感應(yīng)加熱時(shí)渦流場和溫度場分布規(guī)律，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為下一步裂紋的定量檢測提供指導(dǎo)。

1　脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)原理

線圈中通入交變電流時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在導(dǎo)線附近的導(dǎo)電試件中會(huì)有感應(yīng)電流（渦流）產(chǎn)生，由于導(dǎo)體本身存在電阻，將在導(dǎo)體中產(chǎn)生焦耳熱。試件中的缺陷（如裂紋、腐蝕等）將會(huì)對感應(yīng)電流的分布造成影響，進(jìn)而引起試件表面溫度的變化。利用紅外熱像儀將試件表面的溫度分布記錄下來，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對溫度圖像處理，即可實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別、分類、定量檢測等。

趨膚效應(yīng)是影響感應(yīng)加熱時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部渦流分布的一個(gè)重要現(xiàn)象，即產(chǎn)生的渦流集中在導(dǎo)體表面，渦流密度在深度方向上由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)渦流密度降低為表面渦流密度的1/e時(shí)距離表面的深度稱為趨膚深度，趨膚深度與激勵(lì)電流頻率和材料的電導(dǎo)率有關(guān)，其計(jì)算式為

其中：δ——趨膚深度；

f——激勵(lì)電流頻率；

μ——磁導(dǎo)率；

σ——電導(dǎo)率。

由于鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率較大，而非鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率為1，在相同激勵(lì)條件下，二者的趨膚深度相差很大，導(dǎo)致感應(yīng)加熱現(xiàn)象存在明顯差異。因此，本文以45#鋼和不銹鋼兩種典型材料進(jìn)行仿真分析，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究鐵磁性材料和非鐵磁性材料的感應(yīng)加熱規(guī)律。

2　感應(yīng)加熱仿真研究

2.1仿真模型建立

利用有限元仿真分析軟件COMSOL Multiphysic 3.5a建立如圖1所示的二維模型，其中試件尺寸為100 mm×40 mm×10 mm；矩形感應(yīng)線圈位于試件中央，線圈截面3mm×3mm，長21mm，距離試件2mm；缺陷為淺槽型（slot）裂紋，寬3 mm，深5 mm，位于試件上表面中心，與試件長度方向垂直；激勵(lì)電流幅值為350 A，頻率為256 kHz，加熱時(shí)間為200 ms，初始溫度為293K。仿真所用材料參數(shù)見表1。經(jīng)計(jì)算可得45#鋼和不銹鋼的趨膚深度分別為0.03 mm、0.83mm。

圖1　仿真模型

表1　仿真參數(shù)

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1渦流場和溫度場比較

加熱200 ms后兩種材料渦流分布和溫度分布如圖2所示。從圖2（a）、圖2（b）中可以看出，對于45#鋼，趨膚深度很小，渦流緊貼著裂紋流動(dòng)；對于不銹鋼，趨膚深度較大，渦流被推離裂紋邊緣，靠近邊緣處的渦流密度低于其他位置。渦流分布的差異導(dǎo)致兩種材料溫度分布出現(xiàn)明顯差異，如圖2（c）、圖2（d）所示，45#鋼裂紋邊緣溫度明顯高于其它區(qū)域，而不銹鋼裂紋邊緣溫度相對較低，遠(yuǎn)離邊緣以及裂紋底部出現(xiàn)高溫分布。

2.2.2感應(yīng)電流密度比較

為分析兩種材料感應(yīng)加熱溫度分布差異產(chǎn)生的原因，分別觀察了試件表面和裂紋底部的感應(yīng)電流密度大小，如圖3所示（L=0 mm對應(yīng)裂紋中心位置）。由于45#鋼渦流緊貼裂紋流動(dòng)，試件表面和裂紋底部感應(yīng)電流在裂紋附近基本相等；不銹鋼渦流被推離裂紋邊緣，因此靠近裂紋邊緣時(shí)感應(yīng)電流密度較小，而裂紋底部角落處感應(yīng)電流出現(xiàn)聚集。由于兩種材料趨膚深度相差很大，45#鋼的感應(yīng)電流密度遠(yuǎn)大于不銹鋼。

圖2　加熱200ms時(shí)渦流分布和溫度分布

圖3　裂紋附近感應(yīng)電流密度分布

圖4　試件表面溫度分布

2.2.3裂紋附近溫度分布規(guī)律比較

為進(jìn)一步分析兩種材料裂紋附近的溫度變化規(guī)律，分別觀察了試件表面和裂紋底部在不同加熱時(shí)間的溫度分布情況。

首先討論試件表面的溫度分布，如圖4所示。對于45#鋼，裂紋附近感應(yīng)電流密度均勻分布，但是裂紋邊緣會(huì)對熱量的擴(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，隨著加熱時(shí)間的增加，邊緣處熱量聚集會(huì)更加顯著，與周圍無缺陷處溫差逐漸增大。對于不銹鋼，靠近裂紋邊緣感應(yīng)電流密度逐漸降低，因此裂紋邊緣出現(xiàn)低溫分布，其溫度分布規(guī)律與圖3（b）中對應(yīng)的感應(yīng)電流密度相一致；當(dāng)加熱時(shí)間＞100 ms時(shí)，裂紋邊緣與附近區(qū)域之間溫差減小，這是由于長時(shí)間加熱，熱量的不均勻分布逐漸被熱擴(kuò)散所削弱。

圖5　裂紋底部溫度分布

圖6　感應(yīng)加熱紅外熱圖

圖7　裂紋附近的溫度分布

裂紋底部的溫度分布規(guī)律如圖5所示。可以看出，45#鋼裂紋中心位置溫度較高，裂紋底部角落處溫度略低，隨加熱時(shí)間增加溫度上升速率逐漸減?。ㄗ⒁鈺r(shí)間間隔不均勻）。這是由于45#鋼裂紋底部感應(yīng)電流密度均勻分布，但是裂紋底部靠近中心位置對熱量擴(kuò)散阻礙能力較強(qiáng)，因此溫度上升較快。不銹鋼由于裂紋底部角落處感應(yīng)電流密度較高，加熱初期呈現(xiàn)明顯的高溫分布，隨著加熱時(shí)間的增加，由于裂紋底部靠近中心位置對熱擴(kuò)散的阻礙作用和角落處向周圍熱量的擴(kuò)散，溫度差異逐漸減小。與45#鋼不同的是，不銹鋼在200ms內(nèi)底部溫度上升速率隨加熱時(shí)間增加逐漸增大；結(jié)合圖3可知，是由感應(yīng)電流分布和材料物理屬性的差異引起。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，對兩種材料的表面人工裂紋進(jìn)行檢測，裂紋和激勵(lì)條件與仿真中參數(shù)相同。兩種材料感應(yīng)加熱200ms時(shí)的紅外圖像和不同觀察時(shí)間的表面溫度分布分別如圖6、圖7所示。其中，圖7（a）、圖7（b）分別表示圖6（a）、圖6（b）中沿紅線的溫度分布情況，為減小誤差，取加熱區(qū)域附近5行像素點(diǎn)的平均值。圖中橫軸為位置坐標(biāo)，取裂紋中心位置為L=0mm，縱軸為歸一化溫度。

從兩種材料的裂紋附近（裂紋邊緣在橫坐標(biāo)±1.5mm處）的溫度分布可以看出，對于45#鋼，由于趨膚深度較小，感應(yīng)加熱時(shí)裂紋邊緣溫度明顯高于附近區(qū)域，隨著加熱時(shí)間增加，邊緣溫度迅速升高，而裂紋底部溫度上升速率逐漸降低；而對于不銹鋼，趨膚深度較大，裂紋邊緣低于附近區(qū)域，遠(yuǎn)離裂紋邊緣位置為高溫分布，裂紋底部溫度上升速率逐漸增加。

4　結(jié)束語

1）由于45#鋼和不銹鋼趨膚深度相差很大，感應(yīng)加熱時(shí)的渦流場和溫度場呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律：45#鋼渦流緊貼裂紋流動(dòng)，加熱后裂紋邊緣為高溫分布；不銹鋼渦流被推離裂紋邊緣，加熱后裂紋邊緣為低溫分布。

2）感應(yīng)電流密度分布和裂紋對熱擴(kuò)散的阻礙作用共同決定了感應(yīng)加熱時(shí)的溫度變化規(guī)律：45#鋼試件表面和裂紋底部感應(yīng)電流密度基本相等，裂紋對熱擴(kuò)散的阻礙導(dǎo)致裂紋邊緣和底部中心位置附近熱量迅速積累；不銹鋼裂紋邊緣感應(yīng)電流密度較小，裂紋底部角落處感應(yīng)電流密度較大，因此加熱初期邊緣溫度較低而底部角落處溫度較高，隨著加熱過程的持續(xù)，熱量的不均勻分布逐漸被熱擴(kuò)散所削弱。

3）加熱過程中，由于感應(yīng)電流分布規(guī)律和材料物理屬性的差異，45#鋼裂紋底部溫度上升速率逐漸減小，而不銹鋼裂紋底部溫度上升速率逐漸增加。

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（編輯：劉楊）

Study on the crack detection of metallic materials based on pulsed eddy current thermography

HU Dezhou，ZUO Xianzhang，WANG Jianbin，ZHANG Yuhua
（Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract:The surface cracks of metallic materials can be detected efficiently and accurately by pulsed eddy current thermography，The different distribution patterns of temperature and eddy current fields between magnetic 45#steel and non-magnetic stainless steel are compared in this paper，It shows that，because of significant differences in skin depth，the induced current density is substantially equal on the crack surface and bottom of 45#steel，but it is smaller in the crack edge and larger at the crack bottom of the stainless steel，The temperature variation is determined by the distribution of induced currents and the inhibiting effect of cracks on thermal diffusion，The conclusions have been experimentally verified and have provided a guide for quantitative measurement of metallic material cracks，

Keywords:inductive heating；thermography；metallic material；eddy current field；temperature field

作者簡介：胡德洲（1990-），男，湖北襄陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姶艧岢上駸o損檢測。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51307183）

收稿日期：2015-03-20；收到修改稿日期：2015-05-10

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.006

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0028-05