張繼楷， 康宜華， 李冬林， 鄧志揚(yáng)

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

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有色金屬通電測(cè)磁探傷方法可行性研究*

張繼楷， 康宜華， 李冬林， 鄧志揚(yáng)

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

有色金屬零部件應(yīng)用廣泛，但已有的磁性檢測(cè)方法均不能對(duì)其有效探傷。提出一種基于磁場(chǎng)測(cè)量的有色金屬電磁探傷方法，在有色金屬中通以直流電流，其體表會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，當(dāng)有色金屬表面或內(nèi)部存在裂紋等缺陷時(shí)，有色金屬體內(nèi)電流分布發(fā)生變化，引起外部磁場(chǎng)變異，利用高靈敏度梯度磁場(chǎng)傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的畸變，可檢出表面微小裂紋和內(nèi)部缺陷。以銅板為例，建立了仿真模型，分析表面各個(gè)方向磁場(chǎng)分量的特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裂紋特征參數(shù)與測(cè)量磁場(chǎng)最大變化量間存在線性關(guān)系的結(jié)論，對(duì)有色金屬探傷提供了新的方法。

有色金屬； 裂紋； 直流電； 磁場(chǎng)傳感器； 探傷

0　引　言

有色金屬是非鐵磁性材料，針對(duì)鐵磁性材料的磁粉探傷、漏磁檢測(cè)方法均不適用，一般針對(duì)有色金屬的常用無(wú)損檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)。超聲檢測(cè)對(duì)薄板、帶材檢測(cè)有難度；渦流檢測(cè)僅能探測(cè)表面及近表面刻槽；射線檢測(cè)成本高、速度慢；滲透檢測(cè)僅能探測(cè)表面開(kāi)口裂紋。而磁檢測(cè)具有探傷速度快、探傷深度厚、設(shè)備簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速自動(dòng)化探傷，在鐵磁性金屬探傷中已廣泛應(yīng)用。

目前，建立在有色金屬導(dǎo)電性基礎(chǔ)上的無(wú)損檢測(cè)方法有直流電位降法(DCPD)、交流電位降法(ACPD)、交流場(chǎng)測(cè)法(ACFM)、電流擾動(dòng)(ECP)、電場(chǎng)測(cè)量法(EFM)等。其中，電位降法需要檢測(cè)被測(cè)工件的電位變化[1,2]，無(wú)法做到非接觸測(cè)量；交流場(chǎng)測(cè)法是以交流電為激勵(lì)，利用線圈將交流電引入被測(cè)工件，測(cè)量工件外空間磁場(chǎng)變化[3]，與渦流檢測(cè)一樣受到趨膚效應(yīng)的影響，只能檢測(cè)表面?zhèn)徒砻鎮(zhèn)?；電流擾動(dòng)法是通過(guò)線圈將交流電導(dǎo)入到工件，再利用與激勵(lì)線圈垂直的差分線圈來(lái)檢測(cè)外磁場(chǎng)信號(hào)[4，5]，同樣收到趨膚效應(yīng)的限制。電場(chǎng)測(cè)量法是通過(guò)檢測(cè)通電試件外電場(chǎng)變化來(lái)探傷，需要高電壓激勵(lì)[6，7]。

本文基于計(jì)算機(jī)仿真分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)給銅板直接加載直流電，觀察因銅板上裂紋對(duì)電流的影響導(dǎo)致的外部磁場(chǎng)的變化，判別裂紋特征。

1　通電測(cè)磁探傷原理

當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體表面空氣中的磁場(chǎng)分布是均勻的。如圖1所示，當(dāng)電流流經(jīng)裂紋等刻槽時(shí)，電流的流動(dòng)和電流密度發(fā)生改變，該處空氣中的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化。用高靈敏度磁場(chǎng)傳感器探測(cè)因電流擾動(dòng)導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化，可對(duì)導(dǎo)體上的刻槽作出表征。

圖1　有色金屬通電測(cè)磁探傷原理Fig 1　Theory of non-ferrous metal defect inspection by introducing direct current

穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可由畢奧薩伐爾定律描述

式中B→ 為場(chǎng)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，j→ 為電流密度，r→ 為源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)向量。

可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)體中的電流密度有關(guān)，且電流密度的方向與磁場(chǎng)方向滿(mǎn)足右手螺旋法則。以銅板寬度方向?yàn)閤、電流加載方向?yàn)閥(與x垂直)、銅板表面法向?yàn)閦，在沒(méi)有刻槽的位置，電流均勻分布，導(dǎo)體外存在Bx,Bz兩個(gè)方向與電流方向垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量，與電流方向平行的By分量為0。當(dāng)有刻槽時(shí)，由于導(dǎo)體橫截面積發(fā)生改變，電流會(huì)從刻槽兩端及上、下方繞過(guò)，電流密度發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)擾動(dòng)。

刻槽處j→y的減少使得刻槽上方Bx信號(hào)存在一個(gè)波谷，而在刻槽兩端，j→y的增加使得Bx信號(hào)存在一個(gè)波峰。且j→x的方向決定刻槽處By的方向，j→x在刻槽兩端反向，對(duì)By的影響體現(xiàn)在By信號(hào)為一峰一谷。

2　仿真計(jì)算與分析

使用Comsol軟件進(jìn)行建模仿真，模型選擇20 mm×100 mm×4 mm的銅板，銅板上有一10 mm×2 mm×2 mm的刻槽，在銅板兩端通1A的直流電。在距離銅板表面0.1 mm的平面上，設(shè)置如圖2所示的3個(gè)探頭掃查路徑，提取磁場(chǎng)信號(hào)。其中，路徑1,3在靠近刻槽兩端的位置，路徑2在刻槽正中間。

圖2　探頭掃查路徑Fig 2　Scanning path of probe

分別觀察每個(gè)路徑上兩個(gè)方向磁場(chǎng)分量Bx,By的大小。仿真計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　磁場(chǎng)分量Bx信號(hào)Fig 3　Signal of magnetic field component Bx

圖4　磁場(chǎng)分量By信號(hào)Fig 4　Signal of magnetic field component By

由磁場(chǎng)分量Bx信號(hào)圖可以看出：在刻槽上方，信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)單谷，且越靠近刻槽中間位置，磁場(chǎng)分量最大變化量ΔBx越大。

由磁場(chǎng)分量By信號(hào)圖可以看出：僅在刻槽正中間位置信號(hào)恒為零，其余部分均出現(xiàn)一峰一谷或者一谷一峰的信號(hào)；在刻槽兩端對(duì)稱(chēng)的位置上，信號(hào)波形反相。

為進(jìn)一步研究不同刻槽特征對(duì)外磁場(chǎng)信號(hào)的影響，從刻槽的幾何尺寸以及延伸方向幾個(gè)方面仿真計(jì)算。

2.1刻槽寬度對(duì)外磁場(chǎng)信號(hào)的影響

仿真模型選取深度為2 mm、長(zhǎng)度10 mm、寬度依次為1,1.5,2,2.5,3 mm的刻槽，記錄探頭掃查路徑1上Bx的最大變化量ΔBx，以及探頭掃查路徑2上By的最大變化量ΔBy。結(jié)果如表1所示。

表1　不同刻槽寬度下ΔBx和ΔBy值

根據(jù)表1，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合可以得到：ΔBx=0.072 4w+0.300 4,擬合優(yōu)度R2=0.996;ΔBy=0.004 9d+0.027 24, 擬合優(yōu)度R2=0.989。可認(rèn)為ΔBx，ΔBy與刻槽寬度線性相關(guān)。

由仿真結(jié)果可以看出：刻槽寬度越寬，變化量ΔBx，ΔBy越大，且在其他條件一定的情況下，ΔBx，ΔBy與刻槽寬度存在一個(gè)線性關(guān)系。

2.2刻槽深度對(duì)外磁場(chǎng)信號(hào)的影響

仿真模型選取寬度為2 mm，長(zhǎng)度10 mm，在不同時(shí)刻刻槽深度，記錄探頭掃查路徑1和路徑2上Bx，By的最大變化量ΔBx，ΔBy。結(jié)果如表2所示。

表2　不同刻槽深度下ΔBx和ΔBy值

根據(jù)表2，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合可以得到：ΔBx=0.323 2w-0.175 8,擬合優(yōu)度R2=0.993;ΔBy=0.025 14d-0.011 56, 擬合優(yōu)度R2=0.995?？烧J(rèn)為ΔBx,ΔBy與刻槽寬度線性相關(guān)。

仿真結(jié)果可以看出：隨著刻槽深度加深，ΔBx，ΔBy均增大，且在其他條件一定的情況下，ΔBx，ΔBy與刻槽深度存在線性關(guān)系。

2.3刻槽方向與電流方向夾角θ對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的影響

為簡(jiǎn)化分析，僅對(duì)比在不同θ角情況下，掃查路徑2上的By磁場(chǎng)信號(hào)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同θ角度下By信號(hào)Fig 5　Signal of By in different θ

由圖4、圖5可以看出，當(dāng)刻槽延伸方向與電流加載方向不垂直時(shí)，信號(hào)特征有了顯著的變化，由一峰一谷2個(gè)極值點(diǎn)變?yōu)橐环鍍晒?個(gè)極值點(diǎn)。由圖5中的數(shù)據(jù)可得：隨著θ的減小，兩個(gè)波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選取5 mm×20 mm×1 000 mm的銅板作為載流導(dǎo)體，載流大小為1 A，銅板上分別有不同特征的刻槽，其中，刻槽參數(shù)如表3所示(長(zhǎng)度均為10 mm，夾角θ指電流方向與刻槽延伸方向的夾角)。

實(shí)驗(yàn)采用江蘇多維公司生產(chǎn)的隧道磁阻(TMR)傳感器，具有靈敏度高以及磁滯低等特性，適合微弱磁場(chǎng)檢測(cè)。

表3　人工刻槽參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量并記錄了探頭按路徑1掃查1#～6#刻槽的Bx信號(hào)、按路徑3掃查1#～9#刻槽所得By信號(hào)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6。

圖6　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig 6　Diagram of experimental device

為方便觀察，將各信號(hào)平移到同一基準(zhǔn)點(diǎn)，得到信號(hào)圖如圖7～圖9所示。

圖7　不同深度刻槽磁場(chǎng)信號(hào)Fig 7　Signal of magneticfield in different depths of groove

圖8　不同寬度刻槽磁場(chǎng)信號(hào)Fig 8　Signal of magneticfield in different widths of groove

由圖7可以看出，刻槽深度越深，ΔBx,ΔBy值越大。由圖8可以看出，刻槽寬度越寬，ΔBx,ΔBy值越大。由圖9可以看出，隨著θ的減小，兩個(gè)波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。實(shí)驗(yàn)信號(hào)圖與仿真結(jié)果一致。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果列出不同情況下ΔBx和ΔBy值，結(jié)果如表4所示。由于ΔBy較小，所以，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探測(cè)By信號(hào)時(shí)，增大了電路放大倍數(shù)，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果中ΔBy比ΔBx大。

由表3和表4數(shù)據(jù)可得：ΔBx，ΔBy隨著刻槽深度的增加而增大，且與刻槽深度呈近似線性關(guān)系；ΔBx，ΔBy隨著刻槽寬度的增加而增大，且與刻槽深度呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖9　不同θ角度磁場(chǎng)信號(hào)Fig 9　Signal of magneticfield in different angles of θ

編號(hào)ΔBxΔBy編號(hào)ΔBxΔBy10.01540.032340.01840.027620.03290.057350.03870.062030.04790.075960.06260.1214

4　結(jié)　論

1)有色金屬通電測(cè)磁探傷方法可行，以銅板為例，不同特征的刻槽均能檢出；2)刻槽越深，ΔBx，ΔBy值越大，且與刻槽深度線性相關(guān)；3)刻槽越寬，ΔBx，ΔBy值越大，且與刻槽寬度線性相關(guān)；4)當(dāng)刻槽延伸方向與電流加載方向夾角θ減小時(shí)，兩個(gè)波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。

[1]LeeJH,SakaM,AbeH.LoadingeffectonACPDofacrackinferromagneticmaterial[J].ExperimentalMechanics,1997,32(2):132-136.

[2]YuJ,BarkerJC,BrookR.OptimizationofcracklengthmeasurementbyDCPDinDCBSpecimens[C]∥ProceedingsoftheThirdInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,Singapore,1993:6-11.

[3]KnightMJ,BrennanFP,DoverWD.EffectofresidualstressonACFMcrackmeasurementsindrillcollarthreadedconnection-s[J].NDT&EInternational,2010,43(4):348-353.

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[5]BeissnerRE,SablikMJ,TellerCM.Reviewofprogressinquantitativenondestructiveevaluation[M].Berlin/Heidelberg:Springer,1983:1237-1254.

[6]李冬林，康宜華，孫燕華，等.一種基于電場(chǎng)測(cè)量的無(wú)損檢測(cè)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2015,26(13):1810-1814.

[7]YeZhijian,SunYanhua,KangYihua,etal.Noncontactsurfacediscontinuitydetectionformetalmaterialusingadisplacementcurrentsensor[J].MaterialsEvaluation,2015,73(4):513-518.

Feasibility study of non-ferrous metal defect inspection by electrified magnetic measuring*

ZHANG Ji-kai, KANG Yi-hua, LI Dong-lin, DENG Zhi-yang

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

Non-ferrous metal components have been widely used,but present magnetic detection methods are not effective for their detection.A method for non-ferrous metal electromagnetic defect inspection based on magneticfield measurement is put forward.By introducing direct current to non-ferrous metal,a constant magnetic field will be excited on surface of non-ferrous metal.As cracks exist on surface or inside of non-ferrous metal,current distribution inside non-ferrous metal changes,which causes heteromorphosis of external magnetic field,so that tiny cracks on surface and inside defects can be detected by using gradient magnetic field sensor with high sensitivity.Taking copperplate as an example,simulation models are set up to analyze characteristics of magnetic field on surface in all directions.Results of experiment indicate that the maximum variation of measured magnetic field is linear relation to characteristic parameters of crack,which provides a new method for non-ferrous metal detection.

non-ferrous metal; crack; direct current;magnetic field sensor; defect inspection

2015—11—05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475194，51275193)

TG 115.28

A

1000—9787(2016)08—0047—04

張繼楷(1992-),男，湖北武漢人，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶藕凸鈱W(xué)自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0047—04