曹生寧,李文波,王偉國(guó),韓方東,劉正存

(1.青海省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院,西寧 810000;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029;3.濱州市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濱州 256600;4.濟(jì)寧魯科檢測(cè)器材有限公司,濟(jì)寧 272000)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(ACFM)是一種新型的電磁無損檢測(cè)技術(shù),可以對(duì)金屬結(jié)構(gòu)焊縫、母材表面及亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)對(duì)導(dǎo)電金屬材料均有良好的檢測(cè)效果,能進(jìn)行非接觸式檢測(cè),檢測(cè)速度快,效率高,故在無損檢測(cè)領(lǐng)域逐漸推廣開來[1-3]。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是1988年由英國(guó)倫敦大學(xué)LEWIS教授等最先發(fā)現(xiàn)并提出的,其將交變電壓降(ACPD)技術(shù)中使用的接觸式交流電場(chǎng)替換為非接觸式的感應(yīng)磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量。20世紀(jì)90年代,TSC公司首先推出了交流電磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備,將其應(yīng)用到水下金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中,并取得了一定效果。1989年,石理國(guó)和姚木林教授首先對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)在缺陷檢測(cè)方面的原理及應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)論述。21世紀(jì)初,陳國(guó)明等對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并取得了一定的成果[3-4]。李偉等[4-5]在ACFM 技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的智能化、檢測(cè)探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、磁場(chǎng)信號(hào)處理以及裂紋可視化顯示方面取得了一些成果,設(shè)計(jì)制作出便攜式交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)并成功商業(yè)化。除此外,南昌航空大學(xué)、中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院等高校和研究機(jī)構(gòu),也對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)做了大量工作[6]。

根據(jù)ACFM 檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,分析材料本身性質(zhì)(包括電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率);缺陷的大小(包括缺陷長(zhǎng)度、深度);缺陷的位置(包括表面開口深度、缺陷埋藏深度);探頭相關(guān)參數(shù)(包括檢測(cè)頻率、提離高度)等因素對(duì)ACFM 技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律,通過仿真以及模擬試塊驗(yàn)證試驗(yàn),明確了各因素的影響程度。

1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)是一種電磁感應(yīng)技術(shù),通過施加交流電的激勵(lì)線圈,在檢測(cè)產(chǎn)生對(duì)象表面感應(yīng)出均勻交變電場(chǎng)。當(dāng)該電場(chǎng)經(jīng)過缺陷位置后會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)線的切割及變化,導(dǎo)致該處磁場(chǎng)發(fā)生變化,通過檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的位置和規(guī)律,就可以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

ACFM 檢測(cè)原理如圖1所示,均勻交變電場(chǎng)在工件表面產(chǎn)生均勻的交變磁場(chǎng),將磁場(chǎng)分為x,y,z三個(gè)不同方向的分量(Bx,By,Bz)。通過分析其波形的變化規(guī)律,就可以對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)[5-6]。

圖1 ACFM 檢測(cè)原理

2 仿真模型的建立與研究

COMSOL是一款基于有限元理論,以偏微分方程為研究對(duì)象的大型數(shù)值仿真軟件。

2.1 ACFM 檢測(cè)幾何模型的建立

建立有限元三維模型進(jìn)行仿真分析,模型包括感應(yīng)線圈、被測(cè)金屬和求解域三部分,如圖2所示。被檢工件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高),磁芯為U 型,尺寸為14 mm×26 mm×6 mm(長(zhǎng)×寬×高),求解域設(shè)置為300 mm×200 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體。感應(yīng)線圈材料設(shè)置為銅,求解域部分為空氣。

圖2 ACFM 檢測(cè)幾何模型

模型網(wǎng)格劃分采用“較細(xì)化”,劃分的網(wǎng)格如圖3所示,完整網(wǎng)格包含39 816個(gè)域單元、5 760個(gè)邊界元和602個(gè)邊單元。

圖3 幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 物理場(chǎng)選擇及參數(shù)設(shè)定

在COMSOL軟件中AC/DC(交流/直流)模塊選用磁場(chǎng)(MF)作為物理場(chǎng),求解器設(shè)置為頻域,頻率默認(rèn)設(shè)置為1 k Hz。將空氣求解域的所有外邊界設(shè)置為磁絕緣,矢量磁勢(shì)A為零。感應(yīng)線圈選擇多匝線圈,線圈匝數(shù)設(shè)置為200,激勵(lì)方式為電流激勵(lì),選擇電流流通方向的橫截面為輸入面,電流為1 A。

2.3 求解及結(jié)果分析

取磁通密度Bx信號(hào)幅值最大變化量為Bx信號(hào)靈敏度,磁通密度Bz信號(hào)波峰波谷間距為Bz信號(hào)靈敏度,觀察相關(guān)因素變化時(shí)Bx及Bz信號(hào)靈敏度的變化規(guī)律。

2.3.1 磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸為5 mm×3 mm×0.2 mm(長(zhǎng)×深×寬)。電導(dǎo)率不變,相對(duì)磁導(dǎo)率為1～4 000(無量綱),每次掃描步進(jìn)為400,進(jìn)行仿真計(jì)算,得到不同磁導(dǎo)率下Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖4所示,圖中T1為相對(duì)磁導(dǎo)率,可見Bx信號(hào)靈敏度明顯低于Bz信號(hào)靈敏度。

圖4 不同磁導(dǎo)率下Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

磁導(dǎo)率對(duì)Bx及Bz信號(hào)的靈敏度影響曲線如圖5所示。Bz信號(hào)對(duì)磁導(dǎo)率變化的敏感程度更高,相對(duì)磁導(dǎo)率為1～400,Bx信號(hào)響應(yīng)降低90%,Bz信號(hào)響應(yīng)提高175%;相對(duì)磁導(dǎo)率大于400后,信號(hào)靈敏度變化趨于平緩,Bx與Bz信號(hào)分別變化5.2%及5.7%。

圖5 磁導(dǎo)率對(duì)Bx 及Bz 信號(hào)的靈敏度影響曲線

磁導(dǎo)率不變,電導(dǎo)率設(shè)置為1×106,5×106,1×107,5×107,1×108,2×108S·m-1,依次進(jìn)行仿真計(jì)算,T2為電導(dǎo)率。不同電導(dǎo)率下Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖6所示。從圖6可得,Bx信號(hào)靈敏度明顯低于Bz信號(hào)靈敏度。

圖6 不同電導(dǎo)率下Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

電導(dǎo)率對(duì)Bx及Bz信號(hào)的靈敏度影響曲線如圖7所示,Bx信號(hào)對(duì)電導(dǎo)率變化的敏感程度更高,電導(dǎo)率從1×106S·m-1增加到2×108S·m-1,Bx信號(hào)響應(yīng)提高300%,Bz信號(hào)響應(yīng)降低78%。

圖7 電導(dǎo)率對(duì)Bx 及Bz 信號(hào)的靈敏度影響曲線

2.3.2 缺陷長(zhǎng)度及深度對(duì)檢測(cè)效果的影響

根據(jù)2.3.1仿真結(jié)果,選取相對(duì)磁導(dǎo)率為200,電導(dǎo)率為5×106S·m-1作為材料基本電磁屬性進(jìn)行仿真。

設(shè)缺陷長(zhǎng)度為10 mm,寬度為0.2 mm,深度從1 mm 提高至5 mm 進(jìn)行計(jì)算。不同缺陷深度下Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖8所示。從圖8可得,缺陷長(zhǎng)度不變,缺陷Bx信號(hào)靈敏度隨著缺陷深度的增加單調(diào)遞增。

圖8 不同缺陷深度下Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

設(shè)置缺陷深度為3 mm,寬度為0.2 mm,長(zhǎng)度從3 mm 提高至10 mm 進(jìn)行計(jì)算。不同缺陷長(zhǎng)度下Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖9所示,可見,缺陷深度不變,缺陷Bx信號(hào)靈敏度隨缺陷長(zhǎng)度增加單調(diào)遞減。聯(lián)合圖8,圖9可得,缺陷長(zhǎng)度或深度變化時(shí),Bz信號(hào)始終在缺陷兩端點(diǎn)處獲得最大值,Bz信號(hào)的峰谷間距不受影響。

圖9 不同缺陷長(zhǎng)度下Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

擬合出該材料下表面開口缺陷深度與Bx信號(hào)靈敏度的關(guān)系式,即

式中:H為缺陷深度,公式擬合的均方差為0.91。

2.3.3 提離高度對(duì)檢測(cè)效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸(長(zhǎng)度×深度)為5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm,寬度為0.2 mm,提離高度從0 mm 變化至10 mm,缺陷尺寸為每次掃描步進(jìn)為1 mm,進(jìn)行仿真計(jì)算。不同提離高度下Bx及Bz信號(hào)隨位移變化趨勢(shì)如圖10所示,可見,隨著提離高度的增加,Bx及Bz信號(hào)靈敏度明顯下降,5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm的缺陷信號(hào)下降程度相似,根據(jù)仿真數(shù)據(jù),推算出提離高度與Bx,Bz信號(hào)靈敏度的公式,經(jīng)計(jì)算,得到ΔBx的均方差為0.99,ΔBz的均方差為0.94。

圖10 不同提離高度下Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

2.3.4 缺陷埋藏深度對(duì)檢測(cè)效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸為5 mm×3 mm(長(zhǎng)度×深度),寬度為0.5 mm。缺陷尺寸不變,設(shè)置埋藏深度為變量,碳鋼材料(電導(dǎo)率為1×107S·m-1,相對(duì)磁導(dǎo)率為200)從0 mm 提高到4 mm,步進(jìn)為1 mm;不銹鋼材料(電導(dǎo)率為1×106S·m-1,相對(duì)磁導(dǎo)率為1)從0 mm 提高到7 mm,步進(jìn)為1 mm,進(jìn)行仿真計(jì)算。碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖11所示,不銹鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號(hào)隨位移的變化曲線如圖12所示。

圖11 碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx 及Bz 信號(hào)隨位移的變化曲線

從圖11,12可得,隨缺陷埋深的增大,Bx信號(hào)先增強(qiáng)而后減弱,在1 mm 埋深時(shí),Bx信號(hào)獲得峰值;對(duì)Bz信號(hào)而言,埋深與信號(hào)靈敏度成反比,埋深越大,靈敏度越弱,缺陷表面開口時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最高。對(duì)于埋藏缺陷,電流線會(huì)分別從缺陷頂部及底部繞行,Bx信號(hào)靈敏度變化缺乏規(guī)律,故不進(jìn)行公式擬合。

3 ACFM 缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)裝置及試塊制備

根據(jù)上述仿真試驗(yàn),制備人工刻槽試塊,試塊規(guī)格如表1所示。檢測(cè)設(shè)備采用LKACFM-X1型交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。

表1 缺陷試塊規(guī)格 mm

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析

對(duì)1#試塊從刻槽開口側(cè)進(jìn)行檢測(cè),獲得每個(gè)缺陷的Bx及Bz信號(hào),將Bx信號(hào)靈敏度代入式(1),獲得缺陷深度定量結(jié)果(見表2),可得深度定量誤差最大為18%。

表2 1#試塊缺陷深度定量結(jié)果 mm

對(duì)2#試塊從刻槽開口側(cè)進(jìn)行檢測(cè),獲得每個(gè)缺陷的Bx及Bz信號(hào),將探頭分別移動(dòng)到缺陷Bz信號(hào)峰值及谷值位置,標(biāo)記探頭中心位置,從而實(shí)現(xiàn)缺陷定位及長(zhǎng)度測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表3所示,其長(zhǎng)度誤差最大為14%。

表3 2#試塊缺陷長(zhǎng)度定量結(jié)果 mm

對(duì)3#試塊從刻槽開口側(cè)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)前在探頭表面附著不同厚度的亞克力板,板厚為1～10 mm,獲得每個(gè)厚度下每個(gè)缺陷的Bx及Bz信號(hào)。Bx、Bz信號(hào)靈敏度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖13所示,可見,文中所提公式可以一定程度上描述提離高度對(duì)Bx及Bz信號(hào)靈敏度的影響。

圖13 Bx 及Bz 信號(hào)靈敏度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

對(duì)1#,4#試塊從刻槽開口另一側(cè)進(jìn)行檢測(cè),獲得每個(gè)缺陷的Bx及Bz信號(hào)(見圖14,15)。從圖15可得,不銹鋼檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本對(duì)應(yīng);從圖14中發(fā)現(xiàn),碳鋼在缺陷埋深1 mm時(shí),Bx信號(hào)靈敏度并無明顯增大,與仿真明顯不符,有待進(jìn)一步討論。

圖14 1#試塊埋藏缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖15 4#試塊埋藏缺陷檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)受材料的電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率影響,對(duì)不同材料的檢測(cè)結(jié)果存在差異,針對(duì)磁導(dǎo)率大的工件,Bz信號(hào)更加敏感,對(duì)于電導(dǎo)率大的工件,Bx信號(hào)響應(yīng)程度更好。

(2) 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)中,缺陷深度會(huì)對(duì)缺陷Bx信號(hào)靈敏度產(chǎn)生影響,可根據(jù)Bx信號(hào)靈敏度檢測(cè)缺陷深度,誤差不超過20%;缺陷長(zhǎng)度會(huì)對(duì)缺陷Bz信號(hào)位置產(chǎn)生影響,通過Bz信號(hào)定位,可獲得缺陷長(zhǎng)度,誤差不超過1 mm。

(3) 提離高度對(duì)缺陷Bx及Bz信號(hào)靈敏度均會(huì)產(chǎn)生影響,通過試驗(yàn)分析該影響機(jī)制,并在檢測(cè)中加以補(bǔ)償,可降低提離高度對(duì)檢測(cè)的影響。

(4) 缺陷埋藏深度越大,缺陷Bx及Bz信號(hào)靈敏度越弱,但仍可以做到一定程度的缺陷檢出;對(duì)于缺陷埋藏的影響規(guī)律,仍有待進(jìn)一步探究。