胡 江，任尚坤，祖瑞麗

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063)

鋼板近表面缺陷的交流電磁場檢測

胡 江，任尚坤，祖瑞麗

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063)

將金屬薄片覆蓋在含有人工裂紋的鋼板上來模擬近表面缺陷，通過搭建交流電磁場檢測的試驗平臺來提取近表面缺陷的磁場信號。試驗得出了近表面裂紋交流電磁場檢測的最佳激勵頻率、最大埋深厚度及影響近表面裂紋檢測的因素，以為近表面裂紋的實際檢測提供參考。

交流電磁場檢測;近表面裂紋;激勵頻率

大多數(shù)疲勞裂紋基本都是從工件外部開始萌生，少數(shù)是從工件內(nèi)部開始萌生的。表面裂紋的檢測方法有很多，如磁粉、滲透、超聲和渦流等，但近表面裂紋的檢測方法卻很少，對復(fù)雜的工件進行檢測時，由于受到檢測條件和檢測環(huán)境的限制，常規(guī)檢測方法難以滿足近表面裂紋的檢測需求。為了提高檢測效率和檢測靈敏度，有必要研究新的無損檢測方法。交流電磁場檢測技術(shù)是近年來應(yīng)用于表面及近表面裂紋的新型電磁無損檢測技術(shù)，具有操作簡單、檢測靈敏度高、能夠直觀顯示缺陷信息等特點，可應(yīng)用于鐵路交通、石油化工和航空航天等行業(yè)，在近表面裂紋檢測方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。筆者將金屬薄片覆蓋在含有人工裂紋的鋼板上來模擬近表面缺陷，通過搭建交流電磁場檢測的試驗平臺來提取近表面缺陷的磁場信號。試驗得出了近表面裂紋交流電磁場檢測的最佳激勵頻率、最大埋深厚度及影響因素，可為近表面裂紋的實際檢測提供參考。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測技術(shù)(Alternating Current Field Measurement)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理的主動式掃描檢測技術(shù)，其將被測工件在空間域上的磁場變化轉(zhuǎn)換為傳感器輸出的時間域上的電壓變化[1]。具體檢測原理是：通以交變電流的矩形激勵線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，通過U型磁芯將交變磁場引入被測工件；交變磁場在被測工件表面感應(yīng)出交變電場[2]，交變電場會在被測試件表面感應(yīng)出均勻分布的交變電流，當(dāng)被測試件表面不存在缺陷時，交變電流分布均勻且平行；當(dāng)存在缺陷時，由于缺陷處阻抗變大，感應(yīng)電流在缺陷處發(fā)生偏轉(zhuǎn)和聚集并產(chǎn)生磁場。檢測傳感器提取的磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出，進行放大、濾波等處理后傳給上位機來判定缺陷的大小[3]。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場有3個方向的分量，其中，平行于裂紋方向和垂直于檢測平面方向的磁場會發(fā)生變化，將平行于裂紋方向的磁場分量稱為Bx，垂直于檢測平面方向的磁場分量稱為Bz[4]。當(dāng)存在裂紋時，以Bz檢測信號為橫坐標、Bx檢測信號為縱坐標可以畫出一個封閉的缺陷環(huán)，稱為蝶形圖，根據(jù)蝶形圖來判斷是否存在裂紋。由于裂紋中間的感應(yīng)電流向裂紋兩端和底部繞行，因此，Bx方向的磁場分量在接近裂紋兩端的磁場比無裂紋處高，裂紋中間的磁場較無裂紋處低；由于感應(yīng)電流在裂紋兩端發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此Bx方向的磁場分量在裂紋兩端處產(chǎn)生垂直于工件表面的峰值，根據(jù)Bx或Bz的信號變化趨勢來判斷裂紋的長度與深度等信息[5]。

當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，隨著頻率的增加，導(dǎo)體截面上的電流分布越來越向?qū)w表面集中。隨著激勵源提供交變電流頻率的提高，交流電磁場檢測技術(shù)對于表面及近表面裂紋的檢測有巨大優(yōu)勢[6]。相反，隨著激勵頻率的提高，其檢測深度降低，可以通過對含有人工缺陷槽的金屬鋼板進行試驗，來確定近表面裂紋埋深和激勵頻率的關(guān)系。使用金屬薄片覆蓋在標準人造裂紋的鋼板上，改變激勵頻率以及中心濾波頻率來確定交流電磁場能夠檢測近表面裂紋的最大埋深，區(qū)分表面缺陷和近表面缺陷檢測信號，對于實際檢測具有重要的參考作用。

2 近表面裂紋的交流電磁場檢測方案

交流電磁場檢測平臺主要包括正弦激勵源、檢測探頭、儀表放大器、帶通濾波器及示波器等。根據(jù)交流電磁場的檢測原理可知，正弦激勵源給被測工件提供激勵場，由于需要調(diào)節(jié)激勵頻率和濾波器的時鐘頻率，因此，正弦激勵源使用信號發(fā)生器來代替。濾波器輸出的信號可以選擇示波器顯示，觀察記錄檢測信號的頻率和幅值。

交流電磁場檢測探頭由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，線圈骨架采用U型磁芯，磁芯的材料選用錳鋅鐵氧體。激勵線圈由繞制在U型磁芯兩腳中間的導(dǎo)線組成，導(dǎo)線線徑為0.67 mm，共計200匝，激勵線圈的尺寸(長×寬×深)為34 mm×22 mm×26 mm；Bx檢測線圈由密繞在圓柱形鐵氧體上的細導(dǎo)線組成，圓柱形鐵氧體直徑為1 mm、長為7 mm，細導(dǎo)線線徑為0.07 mm，共計200匝，Bx檢測線圈水平放置；Bz檢測線圈由密繞在直徑為1 mm、長為7 mm的圓柱形鐵氧體上的細導(dǎo)線組成，線徑為0.07 mm，共計300匝，Bz檢測線圈垂直放置，探頭結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。選用含有表面開口裂紋的45號鋼作為被測工件，裂紋的尺寸(長×寬×深)為40 mm×0.5 mm×3 mm，金屬覆蓋層選擇厚度為0.3 mm的奧氏體不銹鋼，將不銹鋼薄片覆蓋到45號鋼板表面，確定探頭掃描基準線，探頭的檢測方向與裂紋延伸方向重合，利用信號發(fā)生器調(diào)節(jié)不同頻率的正弦波作為激勵信號。試驗方案設(shè)計如下：首先選擇激勵頻率和濾波器的時鐘頻率，然后將探頭從0 mm(起點)移動到80 mm(終點)，如圖1(b)所示，每隔2 mm記錄一次數(shù)據(jù)，試驗過程中保證探頭與檢測平面垂直。當(dāng)一次檢測完成后，重復(fù)上述步驟，當(dāng)對一層不銹鋼片完成不同激勵頻率的檢測后，在原來的檢測基礎(chǔ)上增加一層0.3 mm厚的不銹鋼片(見圖1(c))，重復(fù)上述試驗。

圖1 交流電磁場檢測的探頭結(jié)構(gòu)與被測工件結(jié)構(gòu)示意

3 近表面裂紋的交流電磁場檢測試驗

交流電磁場對于表面開口裂紋檢測的激勵頻率在6 kHz～50 kHz之間[7]，當(dāng)被測試件含有金屬覆蓋層的時候，由于趨膚效應(yīng)的影響需要降低激勵頻率，因此對于近表面裂紋的檢測，選用激勵頻率范圍為1 kHz10 kHz，變化量為1 kHz，激勵源信號的峰峰值為5 V。改變被測工件表面的金屬薄片厚度，記錄相應(yīng)厚度的檢測數(shù)據(jù)，每次增加一層金屬薄片，確定交流電磁場檢測的最大裂紋埋深。圖2為含有表面開口裂紋的45號鋼試塊上覆蓋0.3 mm厚不銹鋼片的交流電磁場檢測信號。

圖2 含有表面開口裂紋的45號鋼試塊上覆蓋0.3 mm厚不銹鋼片的交流電磁場檢測信號電壓

由圖2(a)可知，在表面開口裂紋的試件上加0.3 mm厚的金屬薄片后，激勵頻率在1 kHz～2 kHz時，Bx檢測信號變化較小，激勵頻率在大于3 kHz時，Bx檢測信號變化趨勢與表面開口裂紋Bx檢測信號保持一致。由圖2(b)可知，Bz檢測信號在檢測頻率范圍內(nèi)的變化趨勢與表面開口裂紋Bz檢測信號保持一致。其中，Bx信號變化較明顯，激勵頻率為8 kHz以上時，靠近裂紋兩端Bx信號的最大值逐漸與無裂紋處信號一致，與表面開口裂紋的交流電磁場Bx檢測信號變化趨勢不同。在上述試驗條件不變的情況下，增加一層0.3 mm厚的不銹鋼薄片，記錄交流電磁場的檢測信號，如圖3所示。

圖3 含有表面開口裂紋的45號鋼試塊上覆蓋0.6 mm厚不銹鋼片的交流電磁場檢測信號電壓

由圖3可知，同一激勵頻率在金屬覆蓋層厚度為0.6 mm和0.3 mm時的無缺陷處檢測信號一致，隨著金屬覆蓋層厚度的提高，Bx信號峰峰值明顯減小，Bz信號基本不發(fā)生變化。結(jié)合圖2可得，0.6 mm與0.3 mm的Bx信號有相同的變化趨勢，靠近裂紋兩端口處的磁場最大值逐漸消失，并且裂紋中間處的磁場值與無裂紋處保持一致。

綜上所得，與表面開口裂紋的交流電磁場檢測信號相比，近表面裂紋的交流電磁場檢測可以通過Bz信號來判斷近表面裂紋長度及深度等信息。由于Bx信號發(fā)生明顯改變，其可以用來輔助判斷裂紋尺寸以及區(qū)別表面裂紋與近表面裂紋。

圖4(a)為不同金屬覆蓋層厚度下，Bx檢測信號峰峰值與激勵頻率的關(guān)系曲線；圖4(b)為不同金屬覆蓋厚度下，Bz檢測信號峰峰值與激勵頻率的關(guān)系曲線。

圖4 不同金屬覆蓋層厚度下，交流電磁檢測信號峰峰值與激勵頻率關(guān)系曲線

圖5 激勵頻率5 kHz時，選擇不同激勵電壓下的近表面裂紋深度與Bz信號峰峰值關(guān)系曲線

由圖4(a)可知，隨著激勵頻率的提高，Bx信號的峰峰值雖然會提高，但是Bx變化趨勢也會發(fā)生改變。由圖4(b)可知，激勵頻率一定時，隨著金屬覆蓋層厚度的增加，Bz檢測信號顯著降低；在同一厚度的檢測中，隨著激勵頻率的提高，Bz檢測信號先升高后降低，在2 kHz5 kHz頻率范圍內(nèi)檢測效果最好。圖5為激勵頻率5 kHz時，選擇不同激勵電壓下的近表面裂紋深度與Bz信號峰峰值關(guān)系曲線。

由圖5可知，激勵信號的電壓值提高后，可以提高交流電磁場檢測近表面裂紋埋深厚度(指從表面到裂紋的厚度)的能力。如果將散點圖的每條曲線擬合成指數(shù)函數(shù)，利用最小二乘法擬合檢測數(shù)據(jù)，即可計算出不同激勵信號下能夠檢測近表面裂紋的最大埋深厚度。圖5中的曲線變化趨勢類似于指數(shù)函數(shù)，以y=a·bx來擬合上述圖中的變化規(guī)律，5，10，15，20 V下的擬合函數(shù)為：

金屬覆蓋層厚度與Bz信號峰峰值擬合曲線如圖6所示。

圖6 金屬覆蓋層厚度與Bz信號峰峰值擬合曲線

從圖6可知，Bz信號峰峰值一定時，隨著激勵信號電壓的提高，能夠檢測的近表面裂紋深度逐漸提高，可檢測近表面裂紋深度的速率變慢。當(dāng)激勵電壓一定時，隨著裂紋埋深厚度的增加，Bz信號峰峰值迅速降低。實際檢測中，如果Bz的峰峰值太小，受到檢測儀器的精度影響可能會產(chǎn)生誤判。為了保證檢測的精度，需要選擇Bz的峰峰值在100 mV以上才能避免誤判。由圖6可得，20 V激勵信號的交流電磁場所能檢測的最大近表面裂紋埋深為2.5 mm。

由圖6可知，在激勵源的頻率和電壓一定時，若已知近表面裂紋的Bz檢測信號峰峰值，即可求出近表面裂紋的埋深厚度，并可將該檢測方法應(yīng)用于焊縫熔深等近表面裂紋埋深厚度的檢測中。試驗采用不銹鋼金屬片和表面開口裂紋來模擬近表面裂紋，由于層與層之間存在空氣，激勵線圈磁化被測試件時會有磁損，上述公式只適用于近表面裂紋檢測，對于表面開口裂紋的檢測誤差較大。

4 結(jié)論

(1) 在近表面裂紋的交流電磁場檢測中，Bx方向的磁場分量受到工件影響，其檢測信號的變化趨勢隨著激勵頻率的提高發(fā)生改變，對于裂紋信息的判斷會有較大影響。Bz方向的磁場分量不受被測工件結(jié)構(gòu)的影響，可以用來分析裂紋信息。

(2) 當(dāng)激勵頻率一定時，通過提高激勵信號的電壓可以提高近表面裂紋的檢測信號，并且能夠提高近表面裂紋的可檢測深度和近表面裂紋的檢測靈敏度。

(3) 近表面裂紋檢測的最佳激勵頻率范圍為2 kHz～5 kHz，所設(shè)計的探頭可以檢測埋深小于2.5 mm的裂紋。

[1] 李健.主動式電磁掃描檢測技術(shù)及其信號處理方法研究[D].南昌:華東交通大學(xué), 2012.

[2] 曹雄恒.矩形線圈激勵無損檢測技術(shù)研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2002.

[3] 魏朋,任尚坤,葉順科.擾動磁場檢測筆試探頭的研制及試驗分析[J].儀表技術(shù)與傳感器,2016(7):32-35.

[4] 李偉,張傳榮,陳國明,等.U型ACFM探頭精確建模和實驗測試[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2013,27(7):658-662.

[5] 張玉華.金屬平板表面缺陷擾動的磁場量分布研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2003.

[6] 李兵,于亮.交流電磁場檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用[J].檢測技術(shù),2016,32(4):47-50.

[7] 吳江,周志雄,賈登,等.交流電磁場檢測激勵頻率的有限元模擬優(yōu)化[J].無損檢測, 2016,38(7):1-5.

AlternatingCurrentFieldMeasurementoftheNear-SurfaceCracksinSteelPlate

HU Jiang, REN Shangkun, ZU Ruili

(Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063， China)

In view of the near surface defects detection, steel plates containing artificial cracks were covered with the sheet metal to simulate the near-surface defects, and the experiment platform of ACFM was built to extract magnetic field signal of the near-surface defects. Experimental data were analyzed, and the optimal excitation frequency, the maximum burial depth and related influencing factors of ACFM on near-surface cracks were obtained, which could provide a reference for the practical detection on the near-surface cracks.

alternating current field measurement;near-surface crack; excitation frequency

TG806；TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0011-04

2016-12-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51065024)

胡 江(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電磁無損檢測技術(shù)

任尚坤，renshangkun@yeah.net

10.11973/wsjc201709003

導(dǎo)師簡介：任尚坤(1963-)，教授，主要研究方向為電磁無損檢測技術(shù)、微分磁導(dǎo)率等