李冬林, 高 見, 涂 君, 宋小春

(湖北工業(yè)大學 機械工程學院，湖北 武漢 430068)

0 引 言

有色金屬帶材如銅帶、鋁帶，因具有強的耐腐蝕性和高的導電導熱性，在石油化工、核能核電等重要的工業(yè)領域應用極為普遍。但因帶材質地軟、塑性強，在加工和服役過程中難免會出現裂紋、凹坑、鼓包、褶皺、毛刺等缺陷[1,2]。一旦帶材因缺陷而導致結構失效，將會給工業(yè)生產和社會生活造成極大的危害[3]，因此必須對其進行嚴格的質量監(jiān)控和缺陷評價。

有色金屬帶材的缺陷檢測通常有人工目測、渦流檢測、機器視覺等方法。人工目測是目前大多數國內帶材生產廠家采用的檢測方法，但這種方法的檢測結果受檢測人員技術素質的影響容易出現誤判，且檢測人員的勞動強度大、檢查效率低[4]。渦流檢測在導電材料的缺陷檢測中應用非常普遍，但受渦旋電流的限制和提離效應的影響難以探測和識別帶材上的邊緣缺陷和鼓包[5,6]。隨著信息技術的發(fā)展，基于機器視覺的缺陷檢測技術正逐漸成為帶材檢測的主流技術，但該方法需要處理大量的數據信息，且很多缺陷只有在特定的環(huán)境下才能在圖像中顯示，因此缺陷識別效率較低、檢測成本較高[7,8]。針對當前各種檢查方法的局限性，探索新的無損檢測技術用以實現有色金屬帶材的快速高效檢測具有非常重要的現實意義。

本文基于電流的磁效應原理，研究了一種直流通電—磁場測量(injected direct current-magnetic field measurement,IDC-MFM)的電磁無損檢測方法。該方法利用有色金屬優(yōu)異的導電性能直接將直流電注入到帶材中，采用高靈敏度的隧道磁電阻元件(tunnel magneto-resistance,TMR)制作探頭來探測因缺陷導致的磁場變化，以實現有色金屬帶材的缺陷檢測。通過對通電平板的三維電磁場仿真和對銅帶和鋁帶樣本的實驗檢測證實IDC-MFM檢測方法可以實現帶材上凹坑、凸起、鼓包和邊緣缺陷的檢測。

1 IDC-MFM檢測原理

根據電流的磁效應原理和畢奧—薩伐爾定律可知，通有穩(wěn)恒直流電流I的無限長直均勻導體其周圍的磁感應強度B0在平行于電流方向的縱截面上均勻分布,在垂直于電流方向的橫截面上按磁感應強度大小與到導體的距離成反比的梯度規(guī)律分布，任何一點的磁場方向遵循右手法則[9]。當導體表面或內部有缺陷，電流I在流經缺陷處時其流向會發(fā)生偏轉，進而導致導體外部磁場的變化，即磁感應強度由B0變成了B0+ΔB，如圖1所示。若用磁敏元件在通電導體缺陷附近的空氣中進行掃查來探測ΔB的變化，可對導體上的缺陷作出表征，這就是直流通電—磁場測量(IDC-MFM)的電磁無損檢測原理。

圖1 IDC-MFM檢測原理

2 缺陷導體的三維磁場仿真

帶缺陷的通電導體的磁場分布非常復雜，難以進行理論計算和分析，本文借助于有限元軟件ANSYS的穩(wěn)態(tài)電流傳導和靜態(tài)磁場兩個分析模塊的耦合計算來仿真分析缺陷導體通直流電后導體內外的三維磁場分布特性，進而研究缺陷附近磁感應強度的變化規(guī)律來驗證IDC-MFM檢測原理的可行性。

由于帶材呈扁平狀，且凹、凸缺陷都有，因此,仿真計算中采用帶橫向凹槽和凸起的平板兩種幾何模型，如圖2所示。

圖2 平板的幾何模型

平板模型的幾何尺寸為100 mm×20 mm×4 mm(長×寬×厚)，橫向凹槽尺寸為10 mm×2 mm×2 mm(長×寬×深)，橫向凸起尺寸為10 mm×2 mm×1 mm(長×寬×高)。假設平板為銅板，其電阻率為1.75×10-8Ω·m，相對磁導率為1，板內通有100 A的穩(wěn)恒直流電，電流方向為板的長度方向(Z軸方向)。

為了分析缺陷處磁場的變化，首先按圖2所示幾何模型和尺寸計算平板上沒有任何缺陷時的三維磁場分布，然后再計算平板上有凹槽和凸起缺陷時的三維磁場分布。圖3、圖4和圖5是三種情況的磁場分布云圖，其中圖(a)是橫截面(平行于X-Y平面)的磁場分布，圖(b)是縱截面(平行于Y-Z平面)的磁場分布。圖3顯示，平板沒有缺陷時，在橫截面上磁場按類橢圓形逐漸向圓形過渡梯度分布，在縱截面上磁場沿縱向(板的長度方向)均勻分布，這與畢奧—薩伐爾定律描述的磁場分布規(guī)律是一致的。將圖4、圖5分別與圖3對照發(fā)現，無論平板上的缺陷是凹槽還是凸起，整個磁場的分布規(guī)律基本沒變，只在缺陷附近的小范圍內磁場的分布發(fā)生了非常明顯變化，且磁場不僅在缺陷處有變化，在平板表面附近的空氣中也有變化。

圖3 平板無缺陷時的磁場分布云圖

圖4 平板有凹槽時的磁場分布云圖

圖5 平板有凸起時的磁場分布云圖

為了獲得磁感應強度的變化特征，在有凹槽表面的上方提離距離為0.5 mm的空氣中設置3條橫向等間距的縱向(Z向)直線掃查路徑，如圖6所示。

圖6 掃查路徑

其中，路徑1經過缺陷長度的邊緣，路徑3經過缺陷長度的正中間，路徑2在路徑1和3的中間。分別沿3條掃查路徑提取橫向磁感應強度分量Bx繪制出圖7所示的磁場變化曲線。

圖7 凹槽缺陷的Bx變化曲線

圖7顯示，從不同的路徑看，遠離缺陷處的Bx(背景磁場)均為恒定值，且中間大兩邊小，即路徑3的背景磁場最大，約為2.67 mT，路徑1背景磁場最小，約為2.53 mT；在缺陷處，磁場的變化比較明顯，路徑2和路徑3上的磁場是減小的，且路徑3上(即缺陷正中間)的磁場變化幅值最大，約為0.45 mT，而路徑1上(即缺陷邊緣)的磁場變化幅值非常小。

在有橫向凸起的平板上方提離距離為0.5 mm的空氣中設置類似于圖6所示的3條橫向等間距的縱向直線掃查路徑，并分別沿3條掃查路徑提取Bx繪制出圖8所示的磁場變化曲線。圖8顯示的不同的路徑上的磁場變化特點與圖7類似，遠離缺陷處的Bx(背景磁場)為恒定值，且路徑3的背景磁場最大，約為2.48 mT，路徑1的背景磁場最小，約為2.3 mT；在缺陷附近的磁場變化比較明顯，路徑2和路徑3上的磁場是增加的，且路徑3(即缺陷正中間)的磁場變化幅值最大，約為0.05 mT，而路徑1上(即缺陷邊緣)的磁場變化幅值非常小。

圖8 凸起缺陷的Bx變化曲線

將圖7與圖8所示的磁場變化曲線進行對比發(fā)現，無論缺陷是凹槽還是凸起，其Bx分量的波形形狀基本一樣，均為單峰信號；在缺陷不同位置的Bx分量信號變化是一致的，在缺陷中間信號幅值最大而在邊緣最小。兩種缺陷Bx信號的明顯差異是，凹槽缺陷呈現的是磁場減小的波谷信號，而凸起缺陷呈現是磁場增加的峰波信號，究其原因是缺陷引起的電流密度分布不均勻而導致的磁場變化。當電流流動遇到凹槽缺陷時，因凹槽的阻隔導致電流繞開缺陷而向缺陷邊緣和底部流動，所以缺陷處的電流密度減小，致使其磁場減小而呈現波谷信號，又由于凹槽缺陷正中間的電流密度最小，因此該處的波谷幅值最大；當電流流過凸起缺陷時，缺陷處的電流密度會增加，導致其磁場增加而呈現波峰信號，又由于凸起缺陷正中間的電流密度最大，因此該處的波峰幅值最大。此外，由于缺陷邊緣離板的左右邊緣距離不大，無論缺陷是凹槽還是凸起，因電流的擾動導致缺陷邊緣處的電流密度會略有增加，因此該處的磁場也略有增加而使信號呈現幅值很小的波峰狀。

通過上述三維仿真結果呈現的通電平板在無缺陷、有凹槽缺陷和凸起缺陷時磁場分布特性和磁感應強度變化規(guī)律，不僅驗證了IDC-MFM檢測原理的可行性，還為檢測實驗的實施提供了指導。

3 IDC-MFM檢測系統(tǒng)與實驗裝置

根據上述的IDC-MFM檢測原理和通電平板的三維仿真結果可知將直流電流導入到銅、鋁等導電材料內后采用磁敏感探頭可探測到因缺陷而引起的磁場變化信號，為此，設計的IDC-MFM檢測系統(tǒng)如圖9所示，它由供電回路和信號采集與處理兩套系統(tǒng)組成。供電回路用來實現給被測試件供給所需的穩(wěn)恒直流電流，主要包括直流電源、調節(jié)電阻和被測試件。信號的采集與處理系統(tǒng)用來完成信號的探測、采集、放大、提取與顯示，主要包括磁敏感探頭、信號放大電路、示波器等。

圖9 檢測系統(tǒng)示意

圖10是某公司提供的銅帶和鋁帶檢測樣本。鋁帶尺寸為9 mm×5 mm(寬×厚)，表面有一些橫向和縱向凸起、凹坑；銅帶尺寸為24 mm×2.5 mm(寬×厚)，表面有一些縱向的帶狀鼓包、點狀鼓包。

圖10 樣本實物

根據檢測系統(tǒng)和檢測樣本搭建的實驗裝置如圖11所示。由于通電導體存在焦耳熱效應，為了避免因被測試件發(fā)熱給拾取信號帶來影響，需盡量給被測試件通以較小的電流。

圖11 檢測實驗裝置

為此，這里電源采用12 V,12 Ah的蓄電池，調節(jié)電阻由兩個電阻值為5 Ω的電阻并聯(lián)而成，在忽略試件和導線的情況下可計算得被測試件內通的直流電流約為4.8 A。放大電路板采用5 V雙電源供電以便調節(jié)基準電壓，其放大倍數為0～1000倍。由于幾安的直流電流產生的磁場極其微弱，因此磁敏感探頭選用具有高靈敏度、高分辨率的TMR 2905芯片[10,11]制作成檢測探頭。

4 樣本檢測結果

將圖10所示的鋁帶樣本上的缺陷放大后如圖12所示，圖(a)顯示，鋁帶上一個橫向凸起缺陷A1和一個縱向凸起缺陷A2，凸起高度約為0.3 mm，寬度約為0.5 mm，長度約為4.5 mm；圖(b)顯示鋁帶上有一個橫向凹坑缺陷A3，深度約為0.1 mm，寬度約0.5 mm，長度為鋁帶寬度。

圖12 鋁帶上的缺陷

沿鋁帶長度方向通電后，將TMR探頭置于鋁帶表面提離約為0.5 mm處縱向掃查，探測到的Bx分量信號如圖13所示。圖(a)是兩個凸起缺陷A1和A2的信號，圖(b)是凹坑缺陷A3的信號。根據前面的檢測原理和仿真分析可知，由于電流在凸起缺陷處聚集會導致Bx分量增加，所以圖(a)中A1和A2的Bx信號是波峰向上的單峰信號；由于電流繞開凹坑缺陷流動會導致Bx分量減小，所以圖(b)中A3的Bx信號是波峰向下的單峰信號。因實驗中采用手動縱向移動探頭導致掃查路徑很難與通電方向保持高度一致，而鋁帶比較窄又使得Bx的橫向變化梯度較大，所以圖中信號的基線漂移較為明顯。

圖13 鋁帶上的缺陷信號

將圖10所示的銅帶樣本上的缺陷放大后如圖14所示。

圖14 銅帶上的鼓包缺陷

其中C1和C2是兩個縱向帶狀鼓包，鼓起的高度約為0.5 mm，寬度約為3 mm，C1缺陷的長度約為16 mm、C2缺陷的長度約為12 mm；C3和C4是兩個點狀鼓包，鼓起的高度約為0.5 mm，直徑約為3.5 mm；C5缺陷也是一個縱向帶狀鼓包，距離銅帶的側面邊緣約為2 mm，鼓起高度約為0.5 mm，寬度約為2 mm，長度約為4 mm。

沿銅帶長度方向通電后，將TMR探頭置于銅帶表面提離約為0.5 mm處縱向掃查，探測到鼓包缺陷的Bx分量信號如圖15所示。圖(a)是兩個帶狀鼓包C1和C2的信號，由于C1比C2縱向長度稍長，因此C1的信號幅值和波寬值都略比C2信號的大；圖(b)是兩個點狀鼓包的信號，因為C3,C4兩缺陷中心的連線不與探頭的縱向掃查路徑平行，同時縱向掃查兩個缺陷時可能探頭未掃查到C3缺陷的中心，因此C3比C4的信號幅值略小而波寬值略大；圖(c)是邊緣帶狀鼓包C5的信號，圖中可見邊緣鼓包的信號非常明顯，由于鼓包頂部有點起伏，造成信號波峰也略有起伏。

圖15 銅帶上的缺陷信號

根據上述銅帶和鋁帶樣本的檢測結果顯示，通過給試件導入直流電測磁場的IDC-MFM檢測方法可以探測有色金屬帶材上的凹坑缺陷、凸起缺陷和邊緣缺陷。

5 結 論

1)針對有色金屬帶材研究了IDC-MFM電磁無損檢測方法，該方法采用給被測試件導入直流電流和用磁敏感探頭探測缺陷引起的磁場變化來實現導電材料的檢測。

2)對通電平板進行三維磁場的有限元仿真，分析了平板無缺陷和帶有凹槽、凸起缺陷時的磁場分布特性，研究了缺陷引起的磁感應強度變化特點和缺陷信號特征。

3)搭建檢測實驗系統(tǒng)，并對銅帶和鋁帶樣本進行檢測實驗，實驗信號和仿真結果的一致性證實IDC-MFM檢測方法可實現有色金屬帶材上凹坑、凸起、鼓包和邊緣缺陷的檢測。