常 祥， 周德強(qiáng),2,3， 王 華， 曹丕宇

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；3.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

0 引 言

渦流檢測(cè)技術(shù)常用于表面或近表面缺陷的檢測(cè)[1,2]。平面電磁波垂直入射到半無(wú)限大導(dǎo)體時(shí)，趨膚效應(yīng)僅取決于波頻、材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。實(shí)際工作中渦流探頭產(chǎn)生的電磁波不是平面電磁波，且入射角不與被測(cè)材料表面垂直。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)滲透深度公式[3]計(jì)算所得的深度并不準(zhǔn)確。Mottl Z[3]研究了真實(shí)渦流滲透深度與標(biāo)準(zhǔn)滲透深度之間的關(guān)系，確認(rèn)渦流線圈產(chǎn)生的電磁波不是平面波，發(fā)現(xiàn)渦流滲透深度還取決于渦流線圈的直徑。Majidnia S[4]通過(guò)有限元仿真研究了探頭尺寸、提離距離和線圈匝數(shù)對(duì)傳統(tǒng)圓柱型激勵(lì)線圈感生渦流滲透深度的影響，但沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。Smith R A[5,6]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)渦流線圈，激勵(lì)頻率較低時(shí)，探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度影響很大，但當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)，探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度影響不大。

為了尋求非鐵磁性構(gòu)件透射式渦流檢測(cè)的渦流滲透深度的規(guī)律，本文建立了透射式渦流檢測(cè)的有限元仿真模型，通過(guò)響應(yīng)信號(hào)幅值和相位的變化分析不同頻率下可檢測(cè)到缺陷的深度與標(biāo)準(zhǔn)滲透深度之間的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性，為非鐵磁性材料的透射式渦流檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立與仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文采用COMSOL軟件建立仿真模型。透射式渦流探頭如圖1所示，由于其對(duì)稱性，選擇建立二維軸對(duì)稱模型包括激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈、被測(cè)試件和空氣域，如圖2所示。D為線圈內(nèi)徑，W為線圈厚度，H為線圈高度。

圖1 透射式渦流示意

圖2 模型幾何結(jié)構(gòu)

在AC-DC模塊下選擇物理場(chǎng)為磁場(chǎng)并在頻域中進(jìn)行求解分析，該模塊基于磁矢量(A)和電標(biāo)量(V)的形式，通過(guò)求解偏微分非線性方程(1)分析渦流現(xiàn)象[7]

(1)

式中Js為激勵(lì)電流密度，A/m2。試件材料選擇非鐵磁性材料鋁Al6063，其電導(dǎo)率為3.03×107S/m。線圈均設(shè)置為多匝線圈。

為了研究探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度的影響，設(shè)計(jì)了三種不同尺寸的探頭組合，如圖3所示。不同尺寸激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的參數(shù)如表1所示，激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的線徑分別設(shè)置為0.3 mm和0.1 mm。為了減少實(shí)驗(yàn)變量，線圈高度均相同，探頭檢測(cè)線圈外徑都等于激勵(lì)線圈內(nèi)徑，提離距離均為0.5 mm。

圖3 三種尺寸探頭示意

線圈編號(hào)D/mmW/mmH/mm激勵(lì)線圈1#8442#8843#1284檢測(cè)線圈1#4242#444

1.2 激勵(lì)頻率對(duì)渦流滲透深度影響的仿真分析

分析仿真數(shù)據(jù)，得到各頻率下各尺寸探頭檢測(cè)缺陷時(shí)響應(yīng)信號(hào)幅值和相位與缺陷深度的關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行差分處理。將探頭置于無(wú)缺陷處獲得的響應(yīng)信號(hào)作為參考信號(hào)，而將有缺陷處所得的信號(hào)減去參考信號(hào)即為差分信號(hào)。因?yàn)槿N探頭響應(yīng)信號(hào)的總體趨勢(shì)基本相同，所以選擇探頭(2#—1#)為代表，研究激勵(lì)頻率對(duì)渦流信號(hào)滲透深度的影響。鋁板厚度為5 mm，如圖4所示，從左到右缺陷深度分別為0.5,1.5,2.5,3.5,4.5 mm。

圖4 被測(cè)試件缺陷尺寸

由圖5(a)可知，激勵(lì)頻率在500～10 000 Hz范圍內(nèi)，根據(jù)幅值變化可判斷各缺陷的深度。激勵(lì)頻率越高，幅值信號(hào)的變化范圍越大，缺陷定量能力越好。但當(dāng)激勵(lì)頻率為10 000 Hz時(shí)的幅值小于激勵(lì)頻率為5 000 Hz時(shí)的幅值，這可能是由于仿真采用電流激勵(lì)導(dǎo)致的。激勵(lì)頻率為10 Hz和100 Hz時(shí)，信號(hào)幅值過(guò)小，難以通過(guò)其變化判斷缺陷的大小。由圖5(b)可知，激勵(lì)頻率在100～10 000 Hz范圍內(nèi)，根據(jù)相位變化均能判斷各缺陷的深度。激勵(lì)頻率越高，相位信號(hào)值越大，對(duì)于缺陷深度的定量能力越好。

因?yàn)閳D5(a)縱坐標(biāo)的最大值明顯大于圖5(b)縱坐標(biāo)的最大值，所以，相位信號(hào)的檢測(cè)靈敏度大于幅值信號(hào)的檢測(cè)靈敏度。相位信號(hào)與缺陷深度之間的線性度更好。仿真結(jié)果表明：對(duì)于透射式渦流探頭的非鐵磁性材料檢測(cè)，相位信號(hào)可比幅值信號(hào)更好地反映被測(cè)缺陷的特征。

圖5 幅值相位與缺陷深度關(guān)系仿真結(jié)果

可知，對(duì)于非鐵磁性材料的透射式渦流檢測(cè)，即使激勵(lì)頻率高達(dá)10 000 Hz，仍然可檢測(cè)到距離被測(cè)試件表面4.5 mm的缺陷。當(dāng)激勵(lì)頻率為10 000 Hz時(shí)，Al6063材料的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度僅為0.9 mm。說(shuō)明，對(duì)于非鐵磁性材料的透射式渦流檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)滲透深度作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)并不完全準(zhǔn)確。當(dāng)激勵(lì)頻率為10 000 Hz時(shí)，距離被測(cè)材料表面以下4.5 mm處的渦流密度雖然遠(yuǎn)低于其表面渦流密度的37 %，但其渦流密度仍足以判斷有無(wú)缺陷。

為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，分別截取激勵(lì)頻率為10 Hz和10 000 Hz時(shí)仿真模型感應(yīng)電流密度(A/m2)，如圖6所示,可知，激勵(lì)頻率為10 Hz時(shí)，鋁板內(nèi)部感應(yīng)電流衰減較慢，但其表面感應(yīng)密度最大值僅為102量級(jí)。雖然激勵(lì)頻率為10 000 Hz時(shí)，鋁板內(nèi)部感應(yīng)電流衰減較快，但其表面感應(yīng)電流密度最大值達(dá)到106量級(jí)，遠(yuǎn)大于激勵(lì)頻率為10 Hz時(shí)的感應(yīng)電流密度。激勵(lì)頻率為10 000 Hz時(shí)，雖然鋁板內(nèi)部感應(yīng)電流密度衰減較快，但由于其表面感應(yīng)電流密度較大，距離板材表面深度達(dá)4.5 mm處的感應(yīng)電流密度，仍然足以判斷有無(wú)缺陷。

圖6 鋁板內(nèi)部感生渦流分布

1.3 探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度影響的仿真分析

由圖5可知，當(dāng)激勵(lì)頻率不超過(guò)5 000 Hz時(shí)，激勵(lì)頻率越高，透射式線圈的檢測(cè)效果越好。因此,選擇5 000 Hz的激勵(lì)頻率研究探頭尺寸對(duì)透射式渦流滲透深度的影響。

3種尺寸的透射式渦流探頭，如圖3所示。各探頭響應(yīng)信號(hào)幅值和相位與缺陷深度的關(guān)系如圖7所示。由圖7(a)可知：當(dāng)選取響應(yīng)信號(hào)幅值為特征值時(shí)，探頭3的檢測(cè)效果最好，其次是探頭2，探頭1的信號(hào)幅值最小，但都能反映被測(cè)缺陷的深度；對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的幅值，在線圈高度和線徑相同的情況下，適當(dāng)增大線圈的尺寸可以提升探頭的檢測(cè)效果。由圖7(b)可知:當(dāng)選取響應(yīng)信號(hào)的相位為特征值時(shí)，探頭1的檢測(cè)效果最好，其次是探頭2，探頭3的響應(yīng)相位值最小，但都能反映被測(cè)缺陷的深度；對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的相位，在線圈高度和線徑相同的情況下，適當(dāng)減小線圈的尺寸可以提升探頭的檢測(cè)效果。由于3種不同尺寸的探頭都能檢測(cè)到不同深度的缺陷，所以，認(rèn)為與Smith[5,6]研究的傳統(tǒng)渦流滲透深度受線圈尺寸影響相同，對(duì)于透射式渦流線圈，激勵(lì)頻率較高時(shí)探頭尺寸的變化對(duì)渦流滲透深度的影響較小。

圖7 不同尺寸探頭仿真結(jié)果對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 激勵(lì)頻率對(duì)渦流滲透深度影響的實(shí)驗(yàn)分析

為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用高靈敏度的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置(鎖相放大器)來(lái)檢測(cè)檢測(cè)線圈中的渦流信號(hào)。鎖相放大器以與激勵(lì)信號(hào)同頻的參考信號(hào)為基準(zhǔn)鎖定與參考頻率匹配的響應(yīng)信號(hào)，從而充當(dāng)帶寬極窄的帶通濾波器[8]。激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈根據(jù)表1所示的參數(shù)分別用0.3 mm和0.1 mm的漆包線繞制。

由圖8可知，激勵(lì)頻率大于100 Hz，特征信號(hào)均隨缺陷深度增大而變大，即,對(duì)于非鐵磁性材料的透射式渦流檢測(cè)，當(dāng)激勵(lì)頻率在100 Hz到10 000 Hz的范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)響應(yīng)信號(hào)可分辨深度為0.5,1.5,2.5,3.5,4.5 mm的缺陷；但當(dāng)激勵(lì)頻率低于100 Hz時(shí)，難以判斷被測(cè)試件有無(wú)缺陷。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明透射式渦流在激勵(lì)頻率較高時(shí)可檢測(cè)到的缺陷的深度大于標(biāo)準(zhǔn)滲透深度，且相位信號(hào)可比幅值信號(hào)更好地反映被測(cè)試件的缺陷特征。實(shí)驗(yàn)中，其幅值與缺陷深度關(guān)系曲線與仿真有所差異，分析認(rèn)為產(chǎn)生差異的原因主要是由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)所用信號(hào)發(fā)生器為電壓激勵(lì)，仿真根據(jù)參考文獻(xiàn)選擇550 mA的電流激勵(lì)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中探頭難免產(chǎn)生抖動(dòng)，且難以保證激勵(lì)線圈完全與檢測(cè)線圈同軸，因此仿真與實(shí)驗(yàn)難免存在差異性。

圖8 幅值、相位與缺陷深度關(guān)系

2.2 探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度影響的實(shí)驗(yàn)分析

為了與前述探頭尺寸對(duì)渦流滲透深度影響的仿真分析相對(duì)應(yīng)，選擇研究的激勵(lì)頻率為5 000 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9。

圖9 不同尺寸探頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果并無(wú)沖突，都可以說(shuō)明：對(duì)于響應(yīng)信號(hào)幅值，在線圈高度和線徑相同的情況下，適當(dāng)增大線圈的尺寸可以提升探頭的檢測(cè)效果；對(duì)于響應(yīng)信號(hào)相位，在線圈高度和線徑相同的情況下，適當(dāng)減小線圈的尺寸可以有效提高檢測(cè)效果；激勵(lì)頻率較高時(shí)探頭尺寸的變化對(duì)渦流滲透深度的影響較小。

3 結(jié) 論

針對(duì)非鐵磁性材料透射式渦流滲透深度的問(wèn)題，建立了透射式渦流檢測(cè)有限元模型，通過(guò)有限元仿真與實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)透射式渦流線圈可檢測(cè)到的缺陷深度遠(yuǎn)大于作為渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度所規(guī)定的深度值，透射式線圈較高頻率時(shí)檢測(cè)效果更好。且當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)，透射式渦流線圈受線圈尺寸的影響較小。這些信息對(duì)于渦流線圈的設(shè)計(jì)和導(dǎo)電材料的檢測(cè)是重要的。