雷 華

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，瀘州 646099）

1 研究背景

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，各類管道網(wǎng)絡(luò)越來越齊全，在地上、地下以及水下等各種場景下都會(huì)用到金屬管道。以及在一些機(jī)器部件中，金屬的使用率就更高了，所以，這類金屬構(gòu)件的維護(hù)就成為一個(gè)系統(tǒng)性問題，一旦金屬構(gòu)件出現(xiàn)腐蝕或斷裂現(xiàn)象，特別是在航空、軍工等方面，金屬構(gòu)件的維護(hù)變得至關(guān)重要。

而在這些金屬構(gòu)件的使用狀況評估和檢測過程中，為保證金屬構(gòu)件的完整性，只能進(jìn)行無損檢測，既要減少經(jīng)濟(jì)損失，也要避免破壞檢測造成的損傷。在現(xiàn)有常規(guī)檢測中，有超聲法、射線法、磁粉法、滲透法和渦流法，等等。與其他四種方法相比，渦流法更加簡單，相對于超聲法而言，渦流法并不需要復(fù)雜的耦合；相對于磁粉法而言，渦流法不僅能檢測磁性材料，還能檢測非磁性材料，解決磁粉法的缺陷；與滲透法相比，渦流法更加便捷，不需要清洗試件就能進(jìn)行檢測。所以，對金屬構(gòu)件的渦流無損檢測研究具有重要意義。

2 渦流無損檢測原理

根據(jù)麥克斯韋的電磁場基本理論，當(dāng)金屬構(gòu)件處在變化的磁場中時(shí)，金屬構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，即因?yàn)榻?jīng)過金屬構(gòu)件的磁場是不斷變化的，從而改變通過金屬構(gòu)件的磁通量，最后在金屬構(gòu)件內(nèi)部形成環(huán)形的感應(yīng)電動(dòng)勢，由于金屬導(dǎo)電，所以在環(huán)形感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下，形成導(dǎo)體內(nèi)部環(huán)狀的感應(yīng)電流。

由于產(chǎn)生的感應(yīng)電流是環(huán)狀，像一圈一圈漩渦一樣，所以它被稱為渦流。有電流形成就會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，所以，在進(jìn)行渦流無損檢測的過程中，渦流的焦耳熱效應(yīng)是能夠進(jìn)行渦流無損檢測的重要依據(jù)。

進(jìn)行渦流檢測時(shí)，用一個(gè)載有交變電流的線圈靠近金屬構(gòu)件，由于對磁場的電磁感應(yīng)作用，金屬構(gòu)件中會(huì)形成感應(yīng)電流、渦流。渦流的大小受金屬構(gòu)件的導(dǎo)電性能影響，產(chǎn)生的渦流能夠進(jìn)一步產(chǎn)生磁場，從而使原線圈的阻抗發(fā)生變化，根據(jù)原線圈的阻抗變化就能診斷出被測金屬構(gòu)件的性能以及是否存在缺陷，等等。

通過原理可以簡單看出，在檢測過程中，原線圈是通過磁場相互作用的，無需接觸就能檢測，可以對任何可以導(dǎo)電的材料進(jìn)行檢測，同時(shí)減少了檢測的麻煩。渦流無損檢測的速度和效率都很高，在測試過程中，有很多因素都會(huì)影響產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小，包括被測構(gòu)件的材質(zhì)、被測構(gòu)件的尺寸、原線圈和被測物體之間的距離以及被測構(gòu)件內(nèi)部可能存在的缺陷，等等。這些都有可能影響最后產(chǎn)生的渦流效應(yīng)，所以，在測量過程中，還要注意控制變量，一定要使其他條件盡可能不變，從而達(dá)到測量要求。在實(shí)際使用過程中，渦流無損檢測可以用來分選合金、檢測材料的機(jī)械性能、檢驗(yàn)材料尺寸是否達(dá)標(biāo)等。不僅如此，由于檢測過程無需接觸，只要材料能夠達(dá)到導(dǎo)電條件，測試就能進(jìn)行，所以，渦流無損檢測還不會(huì)受到溫度的影響。

3 渦流無損檢測方法

在當(dāng)下的渦流檢測技術(shù)中，運(yùn)用比較廣泛的還是阻抗分析法，由于電磁感應(yīng)原理中的互感現(xiàn)象，在原線圈磁場影響金屬構(gòu)件內(nèi)部電流的同時(shí)，金屬構(gòu)件中電流產(chǎn)生的磁場還會(huì)反作用于原線圈，影響原線圈阻抗。阻抗分析法是在分析渦流效應(yīng)引起線圈阻抗變化和相位變化的基礎(chǔ)上，鑒別其他各種影響因素效應(yīng)的一種分析方法。相位的變化可以反映電磁信號進(jìn)入金屬中的深度，從而得到檢測結(jié)果。

我們知道，阻礙電流的原因有三種，電阻、電容以及電感，在進(jìn)行渦流檢測的原線圈中，除線圈所具有的電感外，各匝線圈之間還能形成電容，導(dǎo)致線圈中出現(xiàn)容抗，同時(shí)，導(dǎo)線并不是理想導(dǎo)體，線圈的導(dǎo)線內(nèi)部存在電阻。所以，原線圈的電感線圈并不是一個(gè)理想的純電感，而是由電阻、電容、電感一起組成的復(fù)雜電路。但在一般情況下，我們會(huì)忽略線圈的電容，阻抗就只剩下電阻和電感的感抗。

在金屬構(gòu)件中，由于形成的渦流是一圈一圈的，并且普遍分布在構(gòu)件內(nèi)部，所以，可以將構(gòu)件看成是一層一層密集纏繞起來的線圈，相當(dāng)于將金屬構(gòu)件直接看成一個(gè)與原線圈耦合的次級線圈。簡單地說，就像是原線圈和金屬構(gòu)件耦合起來了一樣，將渦流無損檢測直接類比于互感電路來分析檢測線圈的阻抗變化。因?yàn)榛ジ校饘贅?gòu)件的信息都是通過線圈的阻抗變化來反映，所以在檢測過程中，原線圈的功能既包含了激勵(lì)作用，又包含了測量作用；既承擔(dān)了建立交變電磁場的作用，又承擔(dān)了檢測反饋的電磁場的作用。

根據(jù)原線圈激勵(lì)電流的不同可以將渦流無損檢測方法分為正弦波電源激勵(lì)和脈沖波電源激勵(lì)兩種，除此之外，根據(jù)原線圈的固定情況來看，可以分為固定式、平移式以及旋轉(zhuǎn)式三種。由電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢的相位相比原線圈的電流相位要滯后π/2，在受到原線圈調(diào)制的過程中，金屬構(gòu)件中的感應(yīng)電流還會(huì)對原線圈的輸出電壓進(jìn)行調(diào)制，從而使原線圈的輸出電壓發(fā)生變化。

4 金屬構(gòu)件渦流檢測的應(yīng)用

根據(jù)渦流無損檢測原理和方法可以清楚地知道，渦流無損檢測無需接觸，操作起來比較方便，而且可以檢測材料內(nèi)部的缺陷情況。

4.1 管材探傷

金屬構(gòu)件的渦流檢測原理是管材探傷中常用的方法，對于每天需要大批量生產(chǎn)的管材，必須提高檢測速度。在完整的生產(chǎn)線上采用高速的、自動(dòng)化的渦流探傷裝置進(jìn)行檢測，效率高、出錯(cuò)率低。

有了金屬構(gòu)件的渦流檢測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的無損探傷，節(jié)省人力物力，確實(shí)可以降低經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)。

4.2 飛機(jī)等構(gòu)件檢查

在飛機(jī)以及其他的高科技裝備中，為節(jié)省成本，以及高效快速檢測構(gòu)件的完整程度，渦流無損檢測是必要的技術(shù)，為保證飛機(jī)運(yùn)行前構(gòu)件的可靠性，必須采用無損檢測技術(shù)。

現(xiàn)代的飛機(jī)基本采用的都是合金構(gòu)件，而同時(shí)，飛機(jī)構(gòu)件的工作環(huán)境比較極端，相比而言，材料更容易產(chǎn)生缺陷，一般的檢測難度也更大。構(gòu)件由于長期在負(fù)荷較大的情況下運(yùn)行，產(chǎn)生的疲勞裂紋是比較常見的，而且多數(shù)在材料表面會(huì)擴(kuò)展變大，所以，渦流法檢測十分方便。所有的構(gòu)件都可以在不拆卸的情況下進(jìn)行檢測，還能測出因油漆等覆蓋而產(chǎn)生的盲區(qū)，簡單易行，成本又低。

不得不說，渦流法對產(chǎn)品構(gòu)件的檢測十分方便，應(yīng)用渦流法可以對機(jī)翼大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、渦輪盤、起落架等飛機(jī)關(guān)鍵部位是否出現(xiàn)疲勞裂紋以及腐蝕損傷的程度進(jìn)行檢測。

5 渦流無損檢測的發(fā)展

我國的渦流無損檢測經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的探傷檢測方法，根據(jù)現(xiàn)有檢測方法中的探頭結(jié)構(gòu)不同，又可以分為常規(guī)渦流檢測、透射式渦流檢測和遠(yuǎn)場渦流檢測三種。

其中，常規(guī)渦流檢測由于電磁場中的集膚效應(yīng)，只適用于檢測試樣表面或進(jìn)一步測試亞表面缺陷，對內(nèi)部的檢測還存在一定的不足。透射式渦流檢測就很好地克服了這一缺點(diǎn)，既能檢測管外壁缺陷，也能保持對管內(nèi)壁有相同的靈敏度。第三中遠(yuǎn)場渦流檢測從本質(zhì)上來講也是一種透射式渦流檢測，通過原線圈產(chǎn)生的磁場能量兩次穿過管材的內(nèi)外壁，到達(dá)原線圈的檢測線圈中，與透射式的區(qū)別就在于比透射式的多穿過了一次。

渦流無損檢測技術(shù)現(xiàn)在的服務(wù)對象還集中于基礎(chǔ)設(shè)施、傳統(tǒng)軍事、航空航天等領(lǐng)域，在電力、石油以及冶金機(jī)械等行業(yè)還需要進(jìn)一步應(yīng)用。當(dāng)下，不少學(xué)者也在不斷開發(fā)金屬構(gòu)件渦流無損檢測，通過加入人工智能因素，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，提升檢測精度。同時(shí)，也有對汽輪機(jī)葉片進(jìn)行人工缺陷的渦流探傷試驗(yàn)，進(jìn)一步拓寬渦流無損檢測應(yīng)用領(lǐng)域。

6 結(jié)語

渦流無損檢測技術(shù)作為對金屬構(gòu)件的一種新型檢測方法，其無傷性特點(diǎn)以及方便快捷的優(yōu)勢，使它得到了很好的發(fā)展。金屬構(gòu)件的渦流無損檢測技術(shù)理論研究進(jìn)展很快，渦流檢測技術(shù)也在向微機(jī)化、智能化發(fā)展，這樣能夠進(jìn)一步延伸和拓展渦流無損檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展前景十分廣闊。