汪建新，王培屹，段茹茂

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

在日常生活中，金屬制品隨處可見(jiàn)，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，然而，大量金屬制品的損壞、廢棄，大大增加了生產(chǎn)成本。所以對(duì)其中有價(jià)值的金屬產(chǎn)品進(jìn)行缺陷檢測(cè)、定位以及功能修復(fù)就成為了亟需解決的問(wèn)題。對(duì)比數(shù)種無(wú)損檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)，磁粉探傷法檢測(cè)較為復(fù)雜，使用不便捷[1]；超聲探傷法更偏向于檢測(cè)物體內(nèi)部是否存在空間類(lèi)缺陷，同時(shí)還需要耦合劑進(jìn)行輔助檢測(cè)[2]；而渦流探傷法適用于金屬表面裂紋等缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程易操作，不需要耦合劑[3-4]。經(jīng)過(guò)對(duì)比，選用渦流探傷法來(lái)對(duì)金屬表面進(jìn)行裂紋檢測(cè)。

通過(guò)最常見(jiàn)的渦流探傷法來(lái)對(duì)不同線圈參數(shù)下的檢測(cè)效果進(jìn)行模擬分析，對(duì)比檢測(cè)線圈的不同尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

1 問(wèn)題提出

為增加工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)器械的使用壽命，對(duì)損壞金屬器械修復(fù)再利用是當(dāng)今時(shí)代發(fā)展研究的課題，這其中，對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位是非常重要的一環(huán)。根據(jù)渦流檢測(cè)原理可知，線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)金屬裂紋實(shí)際發(fā)生時(shí)的情況[5-6]，本文通過(guò)有限元仿真，通過(guò)分析線圈的不同外徑、內(nèi)徑、厚度等參數(shù)，加強(qiáng)線圈對(duì)被檢測(cè)件的檢測(cè)深度。

2 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是以麥克斯韋方程組為數(shù)學(xué)模型的檢測(cè)方法，其原理是在傳感器探頭的線圈中通以變化的電流時(shí)，在其周?chē)臻g必然產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變化的磁場(chǎng)，導(dǎo)致處于交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)體近表面區(qū)域產(chǎn)生非常小的漩渦形電流（即渦流）來(lái)阻礙導(dǎo)體自身所處磁場(chǎng)的變化[7-8]。

根據(jù)如圖1所示的線圈布置，N3N4兩個(gè)線圈產(chǎn)生的電壓相互抵消；當(dāng)N1N3接近導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)磁場(chǎng)減小了激勵(lì)磁場(chǎng)，導(dǎo)致電壓差增大并保持平穩(wěn)；當(dāng)導(dǎo)體表面有缺陷時(shí)，就會(huì)減小感應(yīng)磁場(chǎng)，激勵(lì)磁場(chǎng)變化量減小，電壓差減小[9-10]。根據(jù)輸出的電壓差變化來(lái)判斷導(dǎo)體中是否存在缺陷。

圖1 渦流檢測(cè)線圈布置圖

圖2 線圈模型

3 有限元仿真

實(shí)驗(yàn)選擇ANSOFT Maxwell16.0 來(lái)進(jìn)行模擬不同線圈尺寸時(shí)，金屬板內(nèi)的渦流密度及磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況。首先，選擇模型為Insert Maxwell 3D Design，求解器類(lèi)型選擇eddy current。

創(chuàng)建線圈模型如圖2所示，其中，線圈外徑為r1，線圈內(nèi)徑為r2，線圈高度為h，線圈的等效半徑為r=(r1+r2)/2，線圈中通過(guò)的電流大小為I，線圈總匝數(shù)為N，那么整個(gè)線圈的等效電流大小為A=NI。線圈材料選擇copper；金屬板選擇材料為steel-stainless。

在線圈模型垂直截面中設(shè)置電流加載面；添加電流激勵(lì)，電流大小為安匝數(shù)A，類(lèi)型為Stranded；添加金屬板為渦流存在區(qū)域；創(chuàng)建dummy 局部加密網(wǎng)格劃分；對(duì)模型設(shè)置激勵(lì)源頻率及Create Analysis Setup，對(duì)模型進(jìn)行求解，選擇查看部分后處理結(jié)果。

為了得出線圈內(nèi)外徑對(duì)檢測(cè)距離的具體影響，在線圈正下方添加一條垂直于被檢測(cè)件的直線，通過(guò)分析直線上距離O點(diǎn)d處的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比，分析線圈內(nèi)外徑及厚度對(duì)d處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

3.1 線圈外徑對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響

檢測(cè)線圈匝數(shù)為500 圈，通電電流為1 A，添加激勵(lì)頻率為10 kHz，線圈內(nèi)徑為4 mm，厚度為20 mm，外徑分別為6 mm 和15 mm，直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比如圖3 所示。根據(jù)曲線對(duì)比可知，在比較大的線圈外徑下，磁場(chǎng)的滲透深度比較大，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化梯度比較??；當(dāng)線圈外徑比較小時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)梯度變化更加明顯。也就是說(shuō)，線圈外徑越大，滲透深度越大但檢測(cè)靈敏度越低；線圈外徑越小，檢測(cè)深度越小但是靈敏度越高。

圖3 不同外徑產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比

圖4 不同內(nèi)徑產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比

3.2 線圈內(nèi)徑對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響

檢測(cè)線圈匝數(shù)為500圈，通電電流為1 A，施加激勵(lì)頻率為10 kHz，線圈外徑為12 mm，線圈厚度為20 mm，內(nèi)徑分別為4 mm和8 mm，直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比如圖4所示。由圖可以看出，內(nèi)徑較小的線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率要超過(guò)內(nèi)徑大的線圈，而此變化率越大，代表能檢測(cè)出更小的裂紋缺陷。

因此在選擇檢測(cè)線圈時(shí)，應(yīng)盡可能選擇比較大的外徑來(lái)增大滲透深度，較小的內(nèi)徑來(lái)增加發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷的靈敏度。

3.3 線圈厚度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的影響

檢測(cè)線圈匝數(shù)為500圈，通電電流為1 A，施加激勵(lì)頻率為10 kHz，線圈外徑為12 mm，內(nèi)徑分別為4 mm，線圈厚度分別為10 mm 和30 mm，直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比如圖5 所示。根據(jù)圖中不同線圈厚度時(shí)添加直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖得知，線圈厚度10 mm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于線圈厚度30 mm時(shí)，得出當(dāng)線圈厚度較小時(shí)，被檢測(cè)件中磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。

圖5 不同厚度產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比

4 提離距離對(duì)渦流檢測(cè)結(jié)果的影響

提離效應(yīng)是指將磁場(chǎng)與導(dǎo)體之間距離改變，影響了通過(guò)被檢測(cè)件中磁通量的大小，進(jìn)而改變導(dǎo)體中電渦流的大小以及滲透深度，提離距離的大小是對(duì)渦流檢測(cè)精度非常重要的影響因素。

通過(guò)對(duì)變量條件的控制，設(shè)置線圈內(nèi)徑為5 mm，外徑為18 mm，線圈匝數(shù)為500 圈，激勵(lì)電流為1 A，激勵(lì)頻率為10 kHz。通過(guò)設(shè)置不同的提離距離0.5 mm和5 mm，分析其對(duì)檢測(cè)效果的影響。不同提離距離對(duì)渦流密度的影響如圖6所示。

圖6 不同提離距離對(duì)渦流密度的影響

通過(guò)圖6（a）～6（b）的對(duì)比可以得出，當(dāng)提離距離越小時(shí)，渦流密度峰值越大，渦流滲透范圍減??；相反，當(dāng)提離距離增大時(shí)，產(chǎn)生渦流的區(qū)域會(huì)增大，但是渦流峰值會(huì)減小。而且提離距離越大時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)渦流密峰值區(qū)域會(huì)向線圈外側(cè)移動(dòng)。

設(shè)置線圈和導(dǎo)體之間距離為0.5 mm，逐步增加1 mm，增到5 mm 停止，通過(guò)分析各提離距離下的峰值，通過(guò)origin 繪制，得到提離距離對(duì)渦流密度幅值的影響如圖7 所示，輸出幅值與提離距離之間是似線性關(guān)系，檢測(cè)渦流密度幅值的大小隨著提離距離的增大而減小。

圖7 提離距離對(duì)渦流密度幅值的影響

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 不同外徑線圈的試驗(yàn)對(duì)比

保證線圈檢測(cè)功率4 MW不變，線圈高度為20 mm，線圈內(nèi)經(jīng)為4 mm，線圈外徑分別為8 mm和12 mm，選擇鋁為檢測(cè)材料，不斷調(diào)整線圈和檢測(cè)件之間的距離，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，在線圈內(nèi)徑、厚度、匝數(shù)相同時(shí)，線圈外徑越大，檢測(cè)數(shù)據(jù)電壓值越大，電壓變化速度也越快，即更有利于深裂紋檢測(cè)，與仿真結(jié)果一致。

表1 不同外徑下試驗(yàn)結(jié)果

5.2 不同內(nèi)徑線圈的試驗(yàn)對(duì)比

保證線圈檢測(cè)功率4 MW不變，線圈高度為20 mm，線圈外徑為12 mm，線圈內(nèi)徑分別為4 mm和8 mm，選擇鋁為檢測(cè)材料，不斷調(diào)整線圈和檢測(cè)件之間的距離，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。分析數(shù)據(jù)可知，線圈外徑相同，匝數(shù)相同的情況下，內(nèi)徑較小的傳感器的輸出電壓基本高于內(nèi)徑大的傳感器，結(jié)合圖4仿真結(jié)果可以得出，線圈內(nèi)徑越小，檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。

表2 不同內(nèi)徑下試驗(yàn)結(jié)果

5.3 不同厚度線圈的試驗(yàn)對(duì)比

保證線圈檢測(cè)功率4 MW 不變，線圈內(nèi)經(jīng)為4 mm，線圈外徑為12 mm，線圈高度分別為10 mm和30 mm，選擇鋁為被檢測(cè)材料，通過(guò)調(diào)整線圈和檢測(cè)件之間的距離，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。分析表中數(shù)據(jù)可知，線圈內(nèi)外徑、匝數(shù)相同的情況下，厚度較小的傳感器的輸出電壓基本高于內(nèi)徑大的傳感器，即厚度較小的線圈靈敏度較高。

表3 不同厚度下試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)金屬檢測(cè)件的缺陷仿真實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于大多數(shù)的金屬回轉(zhuǎn)體來(lái)說(shuō)，采用渦流檢測(cè)法檢測(cè)裂紋是一個(gè)非常有效的方法。通過(guò)對(duì)檢測(cè)中各個(gè)影響因素的單因素變化仿真分析可以得出以下幾點(diǎn)：

（1）渦流探傷過(guò)程中，線圈正對(duì)的位置產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度值更大，更有利于缺陷的檢測(cè)，為提高檢測(cè)準(zhǔn)確率，應(yīng)選擇較小的線圈內(nèi)徑；

（2）在可以達(dá)到最小缺陷的檢測(cè)精度時(shí)，應(yīng)選擇較大的線圈外徑來(lái)增加檢測(cè)深度；

（3）在回轉(zhuǎn)體表面誤差允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能選擇小的提離距離；

（4）在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇線圈外徑12 mm、內(nèi)徑4 mm、厚度10 mm、提離距離0.5 mm，檢測(cè)結(jié)果最優(yōu)。