馬冰洋，黃桂林，楊澤榕

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 珠海檢測(cè)院，珠海 519000)

不銹鋼具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于承壓設(shè)備領(lǐng)域。不銹鋼在焊接過程以及使用過程中產(chǎn)生的缺陷嚴(yán)重威脅著特種設(shè)備的安全運(yùn)行。目前，不銹鋼承壓設(shè)備的定期檢驗(yàn)通常采用射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)法，射線檢測(cè)用于發(fā)現(xiàn)不銹鋼的埋藏缺陷，滲透檢測(cè)用于發(fā)現(xiàn)不銹鋼的表面開口缺陷，不銹鋼表面打磨情況的好壞直接影響著缺陷的檢出。

渦流檢測(cè)技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)工件表面與近表面缺陷的檢測(cè)，具有較高的檢測(cè)靈敏度[1]，其在不銹鋼等金屬材料表面缺陷的檢測(cè)中應(yīng)用較多，可用于含油漆層、絕緣層、不銹鋼堆焊層等金屬材料的檢測(cè)，以及有限小空間位置的檢測(cè)[1-2]，同時(shí)對(duì)高溫對(duì)象也具有較好的檢測(cè)效果。然而，常規(guī)的渦流檢測(cè)探頭對(duì)工件的表面粗糙度具有較高的要求，所以對(duì)焊縫類型的檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，焊縫表面的焊道以及凹凸不平等產(chǎn)生的噪聲信號(hào)干擾正常缺陷的檢出[3]。因此，需要研制對(duì)焊縫等表面凹凸不平不敏感的渦流探頭，近年來不少學(xué)者開展了有關(guān)焊縫傳感器的研究，以期能夠?qū)缚p渦流檢測(cè)的效果有所改善。筆者以304不銹鋼焊縫為研究對(duì)象，通過自制正交焊縫檢測(cè)探頭開展檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)其特性進(jìn)行研究，以供同行交流。

1 正交探頭檢測(cè)原理

2004年市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種特殊的電磁擾動(dòng)探頭，該探頭可連接常規(guī)的渦流檢測(cè)儀，并能夠抑制提離效應(yīng)和其他噪聲。其對(duì)提離方向不敏感，采用兩個(gè)正交布置的激勵(lì)線圈和檢測(cè)單元，激勵(lì)線圈平行于被檢測(cè)表面，檢測(cè)單元置于激勵(lì)線圈的上方，用于感應(yīng)激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)變化。當(dāng)激勵(lì)線圈相對(duì)檢測(cè)線圈尺寸足夠大時(shí)(相對(duì)于小尺寸的感應(yīng)線圈)，感應(yīng)電流可近似視為沿單一方向直線流動(dòng)，感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致，感應(yīng)線圈法線方向平行于電流流動(dòng)方向。當(dāng)工件中無缺陷時(shí)，穿過兩個(gè)感應(yīng)線圈的磁通量最少；當(dāng)因缺陷存在引起電流擾動(dòng)而導(dǎo)致磁通變化時(shí)，即使是微弱的變化，感應(yīng)線圈也能很靈敏地測(cè)出，且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小，對(duì)裂紋及其他表面材料不連續(xù)性的缺陷檢出最有效。正交線圈探頭對(duì)磁導(dǎo)率的緩慢變化也不敏感，因此可同時(shí)檢測(cè)鐵磁性材料和非鐵磁性材料[4-5]。電流擾動(dòng)磁敏探頭檢測(cè)原理示意如圖1所示。

圖1 電流擾動(dòng)磁敏探頭檢測(cè)原理示意

2 焊縫的正交檢測(cè)探頭檢測(cè)

采用兩個(gè)矩形線圈兩兩正交，構(gòu)成正交檢測(cè)探頭，具有較小的檢測(cè)接觸面，可以根據(jù)需要將檢測(cè)端部設(shè)置為弧面。將探頭與常規(guī)渦流檢測(cè)儀連接，探頭檢測(cè)面為兩線圈十字交叉所在面，其中線圈檢測(cè)面直徑僅為6 mm，線圈匝數(shù)為100匝，線圈絲徑為0.05 mm，兩線圈中一個(gè)為激勵(lì)線圈，另一個(gè)為檢測(cè)線圈。正交檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 正交檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)示意

采用304不銹鋼手工焊焊接試樣為對(duì)象開展試驗(yàn)，為了模擬現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的真實(shí)情況，采用電火花方式在試樣上加工槽型缺陷，以模擬焊縫上的裂紋缺陷。不銹鋼手工焊焊接試樣上的缺陷尺寸(長(zhǎng)×寬×深)如表1所示。不銹鋼手工焊焊接試樣缺陷位置示意如圖3所示，試驗(yàn)設(shè)備為EEC-39型渦流檢測(cè)儀。

表1 不銹鋼手工焊焊接試樣上的缺陷尺寸 mm

圖3 不銹鋼手工焊焊接試樣缺陷位置示意

2.1 探頭抖動(dòng)提離的影響

圖4 焊縫和母材的渦流檢測(cè)結(jié)果

當(dāng)工件表面光滑或者較為平整時(shí)，探頭檢測(cè)面與工件基本貼合，渦流在工件中激發(fā)出均勻的渦流場(chǎng)，探頭移動(dòng)時(shí)幾乎無干擾信號(hào)，母材無缺陷處檢測(cè)結(jié)果如圖4(a)所示。對(duì)于焊縫表面，手持探頭對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，焊縫表面激發(fā)出渦流場(chǎng)，渦流場(chǎng)的均勻程度與工件表面的凹凸情況有關(guān)，表面不平引起探頭抖動(dòng)，產(chǎn)生干擾信號(hào)，如圖4(b)所示。將自制正交探頭置于待檢測(cè)焊縫上，同時(shí)在圓周方向±5°范圍內(nèi)抖動(dòng)探頭，模擬檢測(cè)過程中探頭的抖動(dòng)，同時(shí)將探頭分別掃過序號(hào)為A-7和A-8的缺陷，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，可以看出抖動(dòng)信號(hào)基本在一條直線上，與缺陷信號(hào)能較好地區(qū)分開，探頭可以對(duì)深度為1 mm和0.5 mm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)可通過旋轉(zhuǎn)相位使抖動(dòng)信號(hào)處于水平位置，相對(duì)于傳統(tǒng)的放置式探頭，該焊縫檢測(cè)探頭對(duì)抖動(dòng)信號(hào)不敏感，抖動(dòng)信號(hào)幅值較小，且方向特征較為明顯，容易與缺陷信號(hào)區(qū)分開，在檢測(cè)時(shí)可以通過渦流儀設(shè)置幅值和相位報(bào)警來判斷是否存在缺陷。

圖5 焊縫缺陷的檢測(cè)結(jié)果

2.2 掃查角度的影響

正交傳感器的結(jié)構(gòu)使得焊縫檢測(cè)探頭相對(duì)于單線圈具有結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性，以兩線圈相交的角平分線為掃查方向起點(diǎn)，對(duì)A-8號(hào)缺陷進(jìn)行掃查，分別設(shè)置探頭角平分線與掃查方向呈0°，15°，30°，45°，得到缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，可見探頭不同掃查角度得到的檢測(cè)結(jié)果明顯不同，主要表現(xiàn)在檢測(cè)信號(hào)幅值上。

圖6 探頭角平分線與掃查方向呈不同角度時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

焊縫檢測(cè)傳感器采用兩個(gè)正交布置的線圈實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)過程中通有交變電流的激勵(lì)線圈，在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在工件中激發(fā)出渦流場(chǎng)，交變磁場(chǎng)局限在激勵(lì)線圈附近，并與線圈形狀相關(guān)，相應(yīng)的渦流場(chǎng)也局限于激勵(lì)線圈附近的工件表層，工件中缺陷的存在會(huì)影響渦流流動(dòng)，并影響原有磁場(chǎng)的分布。探頭在對(duì)工件進(jìn)行掃查的過程中，檢測(cè)線圈處于激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和工件渦流場(chǎng)的疊加磁場(chǎng)中，由于激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的正交結(jié)構(gòu)特性，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線穿過檢測(cè)線圈的數(shù)量最少，幾乎不受激勵(lì)線圈磁場(chǎng)的影響。檢測(cè)線圈法線方向平行于工件表面，當(dāng)該方向具有電流擾動(dòng)時(shí)，即使是微弱的電流信號(hào)，檢測(cè)線圈也能感應(yīng)到。當(dāng)工件中有缺陷時(shí)，缺陷引起的被檢測(cè)區(qū)域的變化磁場(chǎng)被檢測(cè)線圈接收，其信號(hào)大部分來源于缺陷引起的渦流擾動(dòng)區(qū)域的電磁信號(hào)。在交變磁場(chǎng)的作用下，激勵(lì)線圈以及檢測(cè)線圈均對(duì)各自法線方向上的交變磁場(chǎng)有反應(yīng)。檢測(cè)過程中，探頭對(duì)兩線圈相交角平分線方向的缺陷敏感，且對(duì)提離反向變化的敏感度也減至最小，采用該方向?qū)θ毕輰?shí)施檢測(cè)，具有較大的信號(hào)幅值；而探頭對(duì)平行于檢測(cè)線圈或者垂直于檢測(cè)線圈方向的缺陷不敏感，具有較小的信號(hào)幅值，或者幾乎無缺陷信號(hào)，從而導(dǎo)致正交探頭具有45°的檢測(cè)盲區(qū)，因此在檢測(cè)時(shí)將正交線圈角平分線作為掃查方向才能避免漏檢。

2.3 檢測(cè)頻率的影響

渦流檢測(cè)中，由于存在趨膚效應(yīng)，渦流局限在工件表層中流動(dòng)。渦流的激勵(lì)頻率降低時(shí)，渦流滲透深度增加；渦流的激勵(lì)頻率增大時(shí)，渦流在工件表層流動(dòng)，因此檢測(cè)中需要調(diào)節(jié)合適的檢測(cè)頻率。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第6部分:渦流檢測(cè)》中規(guī)定，焊縫渦流檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)提離和其他不希望出現(xiàn)的信號(hào)，將頻率調(diào)到最佳靈敏度，其中給出了鐵磁材料焊縫渦流檢測(cè)的推薦頻率，對(duì)于非鐵磁性材料，標(biāo)準(zhǔn)中并未給出確定的頻率范圍，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際所檢測(cè)材料進(jìn)行選擇。不同的材料存在一個(gè)特征頻率，在該頻率下的渦流檢測(cè)效果最好。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)渦流儀激勵(lì)頻率為80 kHz1 MHz，對(duì)1 mm深缺陷進(jìn)行檢測(cè)，獲得不同激勵(lì)頻率下的缺陷信號(hào)(見圖7)，其中檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)激勵(lì)頻率大于454 kHz時(shí)，得到的缺陷信號(hào)開始出現(xiàn)畸變。

圖7 不同檢測(cè)頻率下的缺陷信號(hào)

圖8 探頭驅(qū)動(dòng)設(shè)置中的失真信號(hào)

由圖7可以看出：缺陷檢測(cè)幅值隨著檢測(cè)頻率的增大而增大，當(dāng)激勵(lì)頻率增大至400 kHz時(shí)，缺陷信號(hào)幅值達(dá)到最大；而當(dāng)激勵(lì)頻率為454 kHz時(shí)，缺陷信號(hào)幅值反而出現(xiàn)下降，此時(shí)觀察渦流儀探頭驅(qū)動(dòng)設(shè)置(見圖8)，發(fā)現(xiàn)渦流儀中對(duì)應(yīng)探頭驅(qū)動(dòng)處推薦設(shè)置信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)失真，這是由于此頻率下的渦流信號(hào)已經(jīng)超出了前置放大器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行等比例放大的范圍，導(dǎo)致該頻段出現(xiàn)頻率失真，最終導(dǎo)致阻抗圖中顯示的缺陷信號(hào)畸變，相應(yīng)阻抗圖的信號(hào)顯示不再是缺陷的真實(shí)渦流信號(hào)，因此設(shè)置缺陷的檢測(cè)頻率應(yīng)避免出現(xiàn)失真信號(hào)，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中探頭抖動(dòng)及其他干擾，設(shè)置檢測(cè)頻率為200 kHz附近，具有較好的檢測(cè)效果。

2.4 不同方向裂紋缺陷的信號(hào)特征

分別對(duì)試塊焊縫上橫向和縱向深度為1 mm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，其中橫向缺陷(A-8)掃查方向垂直于缺陷走向，縱向缺陷(A-4)掃查方向平行于缺陷走向，這兩個(gè)缺陷的檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，形狀上略有區(qū)別，橫向缺陷(“8字”)的橫向方向較寬，而縱向缺陷(“8字”)呈細(xì)長(zhǎng)形狀。獲取兩個(gè)缺陷的檢測(cè)幅值，橫向缺陷幅值為191 mV，相位為134.3°；縱向缺陷幅值為196 mV，相位為140.2°。這兩個(gè)缺陷的幅值相當(dāng)，相位基本一致，從兩個(gè)方向均可以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

圖9 橫向裂紋和縱向裂紋的檢測(cè)信號(hào)

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)，焊縫正交探頭達(dá)到了預(yù)定的檢測(cè)效果，可以檢出0.5 mm和1 mm深的缺陷。探頭結(jié)構(gòu)特性使以兩線圈相交的角平分線為掃查方向時(shí)，傳感器靈敏度最高；而對(duì)平行于或者垂直于檢測(cè)線圈方向的缺陷，傳感器不敏感，僅具有較小的信號(hào)幅值或者幾乎無缺陷信號(hào)。因此，在檢測(cè)時(shí)將正交線圈角平分線作為掃查方向才能避免漏檢。今后需從傳感器結(jié)構(gòu)和激勵(lì)信號(hào)方面進(jìn)行考慮，防止漏檢和提高檢測(cè)率。對(duì)不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中探頭抖動(dòng)及其他干擾，兼顧靈敏度及儀器的兼容性，檢測(cè)頻率為200 kHz為宜。