，，

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310000)

磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)都是能夠用于表面缺陷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法。目前，焊縫表面缺陷的檢測(cè)主要使用磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)方法，渦流檢測(cè)方法并不常用，這主要是因?yàn)楹附咏宇^表面不平整，渦流檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的提離效應(yīng)。提離效應(yīng)是渦流檢測(cè)中的主要干擾源，其會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成嚴(yán)重干擾，甚至使檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行[1]。隨著渦流檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，在渦流探頭設(shè)計(jì)[2]、檢測(cè)方法[3]以及信號(hào)處理方法[4]上都有了很大改進(jìn)，如提高了提離抑制效果，使渦流檢測(cè)應(yīng)用于焊縫表面缺陷的檢測(cè)[5-7]成為可能。NB/T 47013.6-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)添加了焊縫渦流檢測(cè)的相關(guān)內(nèi)容。

為了適應(yīng)新的檢測(cè)需要，單位新購(gòu)置了某廠家生產(chǎn)的焊縫渦流檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備探頭檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)難以解釋的信號(hào)特征，咨詢?cè)O(shè)備代理商的工程師，也沒(méi)有得到明確的解釋。為了解釋出現(xiàn)的缺陷信號(hào)特征，提高缺陷的渦流檢測(cè)能力，筆者通過(guò)理論分析、模擬仿真、試驗(yàn)研究，闡明了該類型渦流探頭的工作模式，解釋了信號(hào)特征產(chǎn)生的內(nèi)在原因。同時(shí)，對(duì)該類型探頭在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)相關(guān)的檢測(cè)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 渦流檢測(cè)特殊信號(hào)特征

校準(zhǔn)試塊尺寸示意如圖1所示，NB/T 47013.6-2015標(biāo)準(zhǔn)中焊縫的渦流檢測(cè)校準(zhǔn)試塊有0.5，1.0，2.0 mm三個(gè)不同深度的刻槽缺陷。探頭的2種移動(dòng)方式如圖2所示。渦流探頭按移動(dòng)方式1分別掃查這3個(gè)深度的刻槽，然后將探頭轉(zhuǎn)動(dòng)90°，按移動(dòng)方式2再分別掃查這3個(gè)刻槽。2種移動(dòng)方式分別檢測(cè)3個(gè)深度刻槽得到的缺陷信號(hào)如圖3～5所示。圖2(a),2(b)是渦流探頭檢測(cè)時(shí)的俯視圖，箭頭所示為移動(dòng)方向，移動(dòng)方式1和移動(dòng)方式2只是將探頭轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其他參數(shù)相同。

圖1 校準(zhǔn)試塊尺寸示意

圖2 探頭的2種不同移動(dòng)方式

圖3 0.5 mm深度刻槽的渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)

圖4 1.0 mm深度刻槽的渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)

圖5 2.0 mm深度刻槽的渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)

從不同深度刻槽的檢測(cè)結(jié)果可以看出：

(1) 同一種移動(dòng)方式，隨著刻槽深度的增大，信號(hào)的幅度也增大，相位基本不變。

(2) 相同深度的刻槽分別按移動(dòng)方式2和移動(dòng)方式1檢測(cè)，移動(dòng)方式2得到的檢測(cè)信號(hào)幅度更大，二者信號(hào)相差約180°。

采用渦流檢測(cè)表面缺陷時(shí)，刻槽深度越大引起的渦流畸變?cè)酱?，缺陷信?hào)就越大。但是探頭按照移動(dòng)方式1和移動(dòng)方式2分別進(jìn)行掃查時(shí)，二者信號(hào)相位相差180°，對(duì)此現(xiàn)象就不好解釋了。

2 渦流探頭的結(jié)構(gòu)

利用DR(數(shù)字射線檢測(cè))技術(shù)，得到渦流探頭內(nèi)部線圈的結(jié)構(gòu)圖。從DR底片上可以看到：該渦流探頭由兩個(gè)線圈組成，線圈的法線平行于工件表面，并且兩個(gè)線圈的法線相互垂直。渦流探頭DR檢測(cè)底片如圖6所示，底片上兩個(gè)線圈的大小難以區(qū)分。

圖6 渦流探頭DR檢測(cè)底片

3 渦流探頭的工作模式

渦流探頭由兩個(gè)線圈組成，探頭可能的工作模式有3種：“一發(fā)一收”模式，即兩個(gè)線圈一個(gè)激勵(lì)，一個(gè)接收；“自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”模式，即兩個(gè)線圈分別激勵(lì)和接收，得到的信號(hào)相減輸出；“自發(fā)自收，相加輸出”模式，即兩個(gè)線圈分別激勵(lì)和接收，得到的信號(hào)相加輸出。下面分析每一種工作方式可能出現(xiàn)的信號(hào)特征，從而確定該渦流探頭的工作模式。

3.1 “一發(fā)一收”工作模式

假設(shè)渦流探頭按“一發(fā)一收”模式工作。當(dāng)工件中沒(méi)有缺陷時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流分布如圖7(a)所示。由于接收線圈只能接收到平行于接收線圈的渦流分量，接收到的信號(hào)為零。當(dāng)工件中有刻槽缺陷時(shí)，刻槽缺陷的存在會(huì)改變工件中的渦流分布，產(chǎn)生平行于接收線圈的渦流分量，如圖7(b)所示。但是由于刻槽上方和下方的渦流分量相對(duì)于激勵(lì)線圈對(duì)稱，且方向相反，接收線圈接收到的信號(hào)始終為零，與該探頭的檢測(cè)結(jié)果不符，該探頭不是“一發(fā)一收”的工作模式。

圖7 激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流分布

3.2 “自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”工作模式

由于CIVA 9.0軟件的渦流模擬模塊無(wú)法直接模擬“十”字型線圈的檢測(cè)結(jié)果?？梢詫ⅰ笆弊中尉€圈的檢測(cè)結(jié)果等效為兩個(gè)線圈檢測(cè)結(jié)果的合成，兩個(gè)線圈檢測(cè)結(jié)果的“合成”方式實(shí)際上就是探頭的工作模式。

3.2.1 單線圈檢測(cè)結(jié)果仿真

利用CIVA 9.0軟件仿真時(shí)，設(shè)定工件材料為Inconel 600(電導(dǎo)率為1.02 MS·m-1，相對(duì)磁導(dǎo)率為1)，刻槽缺陷尺寸為長(zhǎng)50 mm，寬0.2 mm，深1.0 mm。

CIVA 9.0軟件仿真時(shí)，線圈移動(dòng)路徑如圖8所示，最終得到掃查區(qū)域的C掃描圖像，如圖9所示。C掃描圖像上的每一點(diǎn)表示線圈在相對(duì)應(yīng)位置和在復(fù)平面電壓圖中的工作點(diǎn)。C掃描圖像的水平線(例如縱坐標(biāo)為25 mm，圖9中虛線所示)，實(shí)際上表示的是探頭沿該線(縱坐標(biāo)25 mm，垂直于刻槽移動(dòng))檢測(cè)得到的復(fù)平面波形(如圖10所示)。

圖8 探頭移動(dòng)路徑

圖9 渦流檢測(cè)的C掃描圖像

圖10 沿某個(gè)路徑掃查得到的波形

由于渦流探頭內(nèi)部線圈尺寸不明確，只能根據(jù)實(shí)際渦流探頭規(guī)格以及DR底片估計(jì)內(nèi)部線圈尺寸。仿真時(shí)設(shè)定線圈1規(guī)格為外徑8 mm，內(nèi)徑7.6 mm，高度1 mm，激勵(lì)電流1 mA；設(shè)定線圈2規(guī)格為外徑7 mm，內(nèi)徑6.6 mm，高度1 mm，激勵(lì)電流1 mA。

提離值分別為0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm時(shí)，線圈1和線圈2平行于刻槽缺陷(線圈法線垂直于刻槽缺陷)檢測(cè)，得到檢測(cè)結(jié)果如圖11所示(ΔUL和ΔUR分別表示電感和電阻變化導(dǎo)致的電壓變化量)。圖11右上角方框內(nèi)所示為線圈檢測(cè)時(shí)的俯視圖。由于線圈平行于刻槽缺陷，俯視圖中不同大小

圖11 線圈平行于刻槽缺陷時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

的線圈是長(zhǎng)短不同的線段，箭頭表示移動(dòng)方向，小的矩形方框表示刻槽缺陷。提離值分別為0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm時(shí)，線圈1和線圈2垂直于刻槽缺陷(線圈法線平行于刻槽缺陷)檢測(cè)，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 線圈垂直于刻槽缺陷時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

線圈1和線圈2按不同提離值、不同移動(dòng)方向檢測(cè)，得到缺陷信號(hào)的幅度和相位如表1所示。

表1 不同提離值、不同移動(dòng)方向檢測(cè)得到的缺陷信號(hào)幅度和相位

從表1的結(jié)果可以看出：

(1) 線圈尺寸會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)幅度。線圈尺寸越大，信號(hào)幅度越大，線圈尺寸對(duì)信號(hào)相位的影響不大。

(2) 提離會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)幅度。提離值越小，信號(hào)幅度越大。

(3) 和線圈平行于刻槽移動(dòng)得到的結(jié)果相比，線圈垂直于刻槽掃查時(shí)，得到的信號(hào)幅度更大。線圈1和線圈2垂直于刻槽移動(dòng)得到的信號(hào)幅度分別是平行于刻槽移動(dòng)時(shí)的5倍和5.7倍。產(chǎn)生如此大的信號(hào)幅度差異，主要是由線圈平行于刻槽時(shí)，刻槽引起的渦流畸變較小，線圈垂直于刻槽缺陷時(shí)，刻槽引起的渦流畸變較大造成的。從另一方面也說(shuō)明，該類型的單線圈檢測(cè)時(shí)，最少應(yīng)當(dāng)從垂直兩個(gè)方向進(jìn)行掃查，否則容易導(dǎo)致缺陷的漏檢。

3.2.2 “自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”工作模式

圖13 “十”字形探頭檢測(cè)和單線圈檢測(cè)的等效示意

“自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”的工作模式，可以等效為兩個(gè)單線圈分別激勵(lì)和接收，得到的信號(hào)相減。圖13是按照不同檢測(cè)方式，“十”字形探頭檢測(cè)和單線圈檢測(cè)的等效示意圖。圖13是俯視圖，圖中大小不同的兩個(gè)線圈投影為兩條長(zhǎng)短不同的線段。

利用單線圈仿真得到的結(jié)果，再進(jìn)行處理可以得到不同提離值時(shí)“十”字形線圈的檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同提離值時(shí)，“十”字形線圈檢測(cè)的結(jié)果

不同移動(dòng)方式、提離值得到的缺陷信號(hào)幅度和相位如表2所示。

表2 不同移動(dòng)方式、提離值得到的缺陷信號(hào)幅度和相位

從“十”字形探頭，“自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”工作模式得到的檢測(cè)結(jié)果可以得到：

(1) 隨著提離值的增大，信號(hào)幅度減小。

(2) 按照?qǐng)D13所示的檢測(cè)方式，探頭角度相差90°，檢測(cè)得到的信號(hào)相位相差180°(見(jiàn)表2)，和探頭實(shí)際檢測(cè)結(jié)果一致。

3.3 “自發(fā)自收，相加輸出”工作模式

根據(jù)單個(gè)線圈仿真的檢測(cè)效果，線圈平行或者垂直于刻槽缺陷得到的信號(hào)相位基本相同，線圈垂直于刻槽缺陷得到的信號(hào)幅度比平行于刻槽缺陷的信號(hào)幅度大?！白园l(fā)自收，相加輸出”模式的檢測(cè)結(jié)果與文中第1節(jié)所述結(jié)果不一致。

3.4 工作模式的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，該探頭中的兩個(gè)線圈應(yīng)是“自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”工作模式。如果確實(shí)按這種模式工作，當(dāng)刻槽與兩個(gè)探頭夾角均為45°時(shí)，輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)接近于零，不同夾角的檢測(cè)方式示意如圖15所示。筆者研究了探頭不同角度移動(dòng)時(shí)得到刻槽缺陷的檢測(cè)波形(見(jiàn)圖16～19)。

圖15 刻槽與兩個(gè)探頭不同夾角的檢測(cè)方式

圖16 夾角為22.5°時(shí)不同檢測(cè)方式得到的波形

圖17 夾角為45°時(shí)不同檢測(cè)方式得到的波形

圖18 夾角為67.5°時(shí)不同檢測(cè)方式得到的波形

圖19 夾角為90°時(shí)不同檢測(cè)方式得到的波形

可以看到，在夾角為45°時(shí)，探頭輸出信號(hào)很小，和預(yù)計(jì)的結(jié)果吻合。另一方面也說(shuō)明，該探頭檢測(cè)時(shí)應(yīng)避免探頭和缺陷夾角為45°的情況發(fā)生，否則易導(dǎo)致缺陷漏檢。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，該渦流檢測(cè)探頭特有的缺陷信號(hào)特征是探頭的結(jié)構(gòu)和工作模式?jīng)Q定的。探頭由兩個(gè)法線相互垂直，且都平行于工件表面的兩個(gè)線圈組成。兩個(gè)線圈是“自發(fā)自收，差動(dòng)輸出”工作模式。

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