任尚坤，任仙芝，劉 威

(南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330063)

0 引言

鐵磁表面裂紋的檢測(cè)(特別是焊縫區(qū)附近的應(yīng)力裂紋或疲勞裂紋)是當(dāng)前工業(yè)安全生產(chǎn)領(lǐng)域面臨的重大技術(shù)問(wèn)題。在現(xiàn)代工業(yè)中，鐵磁材料廣泛應(yīng)用于電力、航空、航天、鐵路、壓力容器、石油管道等行業(yè)[1]。通常在應(yīng)力集中或疲勞損傷區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋、疲勞斷裂等現(xiàn)象，造成事故[2]。特別是鐵磁構(gòu)件表面往往存在防腐層、油漆層、腐蝕層和污染雜質(zhì)層，表面裂紋不容易被發(fā)現(xiàn)。因此在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，研究能不需要清理表面，就可快速、方便、準(zhǔn)確、早期地檢測(cè)出裂紋區(qū)域，對(duì)預(yù)防構(gòu)件斷裂事故具有重要意義[3]。

目前對(duì)鐵磁試件進(jìn)行早期檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法有金屬磁記憶檢測(cè)法[4]、脈沖電磁法[6]、巴克豪森效應(yīng)檢測(cè)法[7]、聲發(fā)射檢測(cè)法[8]等，但從檢測(cè)可靠性、檢測(cè)分辨率和實(shí)際效果來(lái)看都存在各自的局限性，不足以解決當(dāng)前工業(yè)所面臨的新問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究新的檢測(cè)方法，提高檢測(cè)靈敏度和測(cè)量精度。磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理、基于磁導(dǎo)率的變化對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析的一種技術(shù)，是可對(duì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率變化的各種因素進(jìn)行檢測(cè)的一種方法[9]。該方法可以提前預(yù)測(cè)鐵磁材料應(yīng)力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度[10]。但到目前為止，基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)對(duì)裂紋特征的檢測(cè)研究還很少見(jiàn)報(bào)道。本文研究基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)對(duì)鐵磁構(gòu)件表面裂紋檢測(cè)的可行性。設(shè)計(jì)出新的磁導(dǎo)率檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁構(gòu)件表面裂紋的特征檢測(cè)。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器磁芯材料設(shè)計(jì)為“M”形錳-鋅鐵氧體磁芯。由于錳-鋅鐵氧體材料電阻大且磁導(dǎo)率高，用作為纏繞線圈的導(dǎo)磁介質(zhì)。每個(gè)檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈匝數(shù)均為100匝。磁芯磁性參數(shù)和尺寸規(guī)格見(jiàn)表1和表2。

表1 傳感器磁芯磁學(xué)參數(shù)

表2 傳感器磁芯規(guī)格參數(shù)

圖1為“M”形傳感器鐵氧體骨架結(jié)構(gòu)圖，每一部分尺寸分別表示為A、B、C、D、E、F、G。尺寸大小見(jiàn)表2。

圖1 “M”形傳感器鐵氧體骨架結(jié)構(gòu)圖

圖2 “M”形探頭檢測(cè)原理

1.2 傳感器檢測(cè)原理

(1)

(2)

式中：Rm1為參考磁回路中磁軛部分的磁阻，與檢測(cè)磁回路中磁軛部分的磁阻相同；Rm2為參考磁回路中對(duì)應(yīng)待檢構(gòu)件參考區(qū)部分的磁阻；c2為常數(shù)。

(3)

(4)

式中：Rm3為檢測(cè)磁回路中對(duì)應(yīng)待檢構(gòu)件裂紋區(qū)部分的磁阻；c1為常數(shù)。

結(jié)合兩磁路，c1+c2=1，c2/c1=(Rm3+Rm1)/(Rm2+Rm1)，可聯(lián)合求解得：

c1=(Rm1+Rm2)/(2Rm1+Rm2+Rm3)，

c2=(Rm3+Rm1)/(2Rm1+Rm2+Rm3)

可得參考感應(yīng)信號(hào)和檢測(cè)感應(yīng)信號(hào):

(5)

(6)

(7)

設(shè)由于裂紋等磁性不均勻的影響，檢測(cè)區(qū)的磁阻變化量為Δ，Rm3-Rm2=Δ，設(shè)Δ遠(yuǎn)小于Rm3或Rm2，Rm3≈Rm2，由式(7)得:

(8)

(9)

設(shè)傳感器磁軛的磁阻遠(yuǎn)小于待測(cè)區(qū)域的磁阻，即Rm1<

(10)

式(10)表明，裂紋區(qū)和參考區(qū)的磁阻之差的相對(duì)值的2倍近似等于兩區(qū)域檢測(cè)信號(hào)差值的相對(duì)值。可見(jiàn)，可以通過(guò)輸出差值信號(hào)的檢測(cè)判定待檢區(qū)域磁阻的變化，進(jìn)而判定表面裂紋的特征。

磁路的磁阻與磁導(dǎo)率有關(guān)，隨磁導(dǎo)率的增加而減少，可以通過(guò)測(cè)定磁阻的變化，判定磁導(dǎo)率的變化狀況，進(jìn)而判定引起磁導(dǎo)率變化的裂紋狀況。當(dāng)檢測(cè)區(qū)磁回路中不含有裂紋時(shí)，兩檢測(cè)探頭的檢測(cè)信號(hào)相同，差值為零；當(dāng)其中一邊磁回路磁阻因裂紋產(chǎn)生變化時(shí)，差值輸出信號(hào)不為零，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的檢測(cè)。實(shí)際上，對(duì)鋼板無(wú)缺陷區(qū)域檢測(cè)，兩磁回路輸出信號(hào)并非完全抵消，定義為噪聲，是由兩磁回路的非理想對(duì)稱引起的。

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，試驗(yàn)平臺(tái)主要由檢測(cè)線圈、激勵(lì)線圈、激勵(lì)源、信號(hào)放大電路和調(diào)理電路、INSTEK臺(tái)式萬(wàn)用表搭建而成。激勵(lì)線圈纏繞在磁芯中心磁極上，檢測(cè)線圈分別纏繞在磁芯對(duì)稱的兩端磁極上。激勵(lì)信號(hào)采用正弦交流的形式，激勵(lì)頻率為350 Hz。探頭檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈匝數(shù)均為100匝，激勵(lì)電壓40 mV，通過(guò)進(jìn)一步功率放大可滿足試驗(yàn)要求。

圖3 試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 裂紋與檢測(cè)信號(hào)關(guān)系的試驗(yàn)分析

圖4表示規(guī)格為150 mm×10 mm×570 mm的45#鋼板，等間距(70 mm)刻有長(zhǎng)度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的5條矩形槽人工裂紋，裂紋深度都為3 mm，裂紋寬度都為0.5 mm。

圖4 待檢45#鋼板試件示意圖

檢測(cè)信號(hào)與裂紋的關(guān)系如圖5所示。對(duì)3 mm深、長(zhǎng)度在20 mm以上的裂紋時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的幅值隨裂紋長(zhǎng)度的減小而減小，但變化較??；當(dāng)裂紋長(zhǎng)度小于20mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的幅值隨裂紋長(zhǎng)度的減小迅速減小?？梢?jiàn)，磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面裂紋的特征檢測(cè)。檢測(cè)信號(hào)峰值的半寬度與裂紋長(zhǎng)度近似相等，可以依據(jù)信號(hào)峰值半寬度對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行定量分析。

圖5 鋼板試件檢測(cè)信號(hào)的空間分布規(guī)律

2.2 裂紋尺寸對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

圖6表示在裂紋長(zhǎng)度分別取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm時(shí)檢測(cè)信號(hào)隨裂紋深度D的變化關(guān)系。 圖7表示在裂紋深度分別取1 mm、2 mm、3 mm、5 mm時(shí)檢測(cè)信號(hào)隨裂紋長(zhǎng)度L的變化關(guān)系。

圖6 檢測(cè)信號(hào)隨裂紋深度D的變化關(guān)系

圖7 檢測(cè)信號(hào)隨裂紋長(zhǎng)度L的變化關(guān)系

圖6表明，裂紋深度與檢測(cè)信號(hào)的幅值有關(guān)，缺陷深度在1 mm左右時(shí)，檢測(cè)信號(hào)較小，受待檢試件表面噪聲的影響較大；當(dāng)缺陷深度大于1 mm時(shí)，裂紋信號(hào)隨裂紋深度的增加而增加；圖7表明，裂紋長(zhǎng)度與檢測(cè)信號(hào)的幅值有關(guān)，裂紋長(zhǎng)度小于10 mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)較小，受待檢試件表面噪聲的影響較大；當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于10 mm時(shí)，信號(hào)隨裂紋長(zhǎng)度的增加而增加。研究結(jié)果表明，檢測(cè)信號(hào)是裂紋深度和長(zhǎng)度的二元函數(shù)，在確定的長(zhǎng)度時(shí)，可判定裂紋的深度，在確定的裂紋深度時(shí)，可判定裂紋的長(zhǎng)度。

2.3 掃查偏移量對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)掃查線往往偏離裂紋中心線。設(shè)待檢試件為刻有人工裂紋深度為3mm的45#鋼板，將探頭檢測(cè)端緊貼在裂紋中心線附近，沿偏離裂紋距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的檢測(cè)線做掃查檢測(cè)，每4 mm測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制不同偏移量對(duì)應(yīng)的掃查結(jié)果曲線。圖8表示對(duì)裂紋深度為3 mm試件檢測(cè)時(shí)檢測(cè)信號(hào)的空間分布，表示了檢測(cè)偏移距離對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

圖8 檢測(cè)信號(hào)的空間分布與掃查偏移量的關(guān)系

圖8表明，檢測(cè)掃查線與裂紋中心線左右各偏移4 mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)變化很小，說(shuō)明裂紋只要處在傳感器的檢測(cè)區(qū)就不影響檢測(cè)的靈敏度。隨著偏移距離的進(jìn)一步增加，檢測(cè)信號(hào)峰值迅速下降。掃描檢測(cè)的有效范圍可以達(dá)到10 mm。

2.4 剩磁對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

待檢構(gòu)件由于應(yīng)力集中和地磁場(chǎng)的磁化或周圍其他環(huán)境磁場(chǎng)的影響，往往被磁化，具有明顯的剩磁現(xiàn)象。對(duì)剩磁對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響進(jìn)行了研究。檢測(cè)對(duì)象為裂紋深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、5 mm的4塊鋼板試件，檢測(cè)前分別做磁化處理和退磁處理。對(duì)磁化試件退磁前后的兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。在檢測(cè)時(shí)，移動(dòng)探頭使探頭檢測(cè)端沿著鋼板中心線位置進(jìn)行掃查檢測(cè)，以鋼板兩端±30 mm處為信號(hào)起始和截止位置(忽略鋼板邊緣效應(yīng)的影響)。每移動(dòng)4 mm記錄一個(gè)值，然后將所測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin中處理。磁化試件在退磁前后兩種情況下試件檢測(cè)信號(hào)的空間分布基本相同，如圖9所示。

圖9 磁化試件退磁前后檢測(cè)信號(hào)的空間分布

圖9表示磁化試件在退磁前后兩種情況下試件檢測(cè)信號(hào)相同，說(shuō)明鋼板表面的剩磁對(duì)檢測(cè)靈敏度和檢出率的影響可以忽略。

3 結(jié)論

磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)是基于磁導(dǎo)率的變化對(duì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率變化的各種因素進(jìn)行檢測(cè)的一種方法。通過(guò)研究可得出如下結(jié)論：

(1) 對(duì)設(shè)計(jì)的探頭，理論分析表明裂紋區(qū)和參考區(qū)的磁阻之差的相對(duì)值的2倍近似等于兩區(qū)域檢測(cè)信號(hào)差值的相對(duì)值，可以通過(guò)輸出差值信號(hào)的特征判定待檢區(qū)域磁阻的變化，進(jìn)而判定表面裂紋的特征。

(2)以45#鋼的人工裂紋為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一新的“M”形磁導(dǎo)率檢測(cè)傳感器，采用感應(yīng)信號(hào)差分輸出的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵磁構(gòu)件表面裂紋的特征檢測(cè)。檢測(cè)信號(hào)峰值的半高寬度與裂紋長(zhǎng)度近似相等。

(3)通過(guò)對(duì)裂紋特征的檢測(cè)信號(hào)分析，可以通過(guò)信號(hào)特征對(duì)裂紋進(jìn)行定量分析。通過(guò)信號(hào)的半高寬可判定裂紋的長(zhǎng)度，依據(jù)裂紋長(zhǎng)度和信號(hào)幅值可判定裂紋的深度。

(4)該檢測(cè)方法對(duì)待檢構(gòu)件的磁化狀態(tài)和檢測(cè)掃描偏移不敏感，基本不影響檢測(cè)靈敏度。