武美先,張東利,王闖龍

(1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,銀川 750021;2.國(guó)家民委化工技術(shù)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021;3.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,銀川 750021;4.北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,銀川 750021)

渦流檢測(cè)技術(shù)作為一種重要的無損檢測(cè)方法,以其速度快、非接觸檢測(cè)、對(duì)開口缺陷檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)械、電子、汽車、航天等重要領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。由于渦流的集膚效應(yīng)限制,普通渦流探頭很難檢測(cè)到深裂紋或材料內(nèi)部缺陷。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多改進(jìn)方法[7-14],但問題仍未得到徹底解決。根據(jù)渦流滲透公式,采用低頻激勵(lì)可以提高滲透深度,但頻率過低會(huì)導(dǎo)致掃查速度過低以及分辨率不高等問題。Mottl發(fā)現(xiàn)渦流密度不僅取決于激勵(lì)頻率,還取決于線圈尺寸等其他因素[15]。為了優(yōu)化深裂紋檢測(cè)探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù),本文討論了帶磁芯渦流探頭各參數(shù)對(duì)渦流滲透深度的影響,可為深層缺陷渦流探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

為了分析探頭參數(shù)對(duì)渦流滲透深度的影響,本文采用ANSYS軟件對(duì)渦流場(chǎng)問題進(jìn)行了數(shù)值仿真。研究了激勵(lì)線圈參數(shù),包括激勵(lì)頻率、線圈半徑、高度、寬度、檢測(cè)線圈位置和磁芯材料等對(duì)滲透深度的影響。計(jì)算完成后,從結(jié)果中提取出沿材料深度的渦流密度,以材料表面渦流密度為基準(zhǔn),進(jìn)行歸一化處理,來分析渦流的滲透深度大小。

由于研究的是激勵(lì)線圈在試件中所感應(yīng)的渦流的滲透問題,因此只對(duì)激勵(lì)線圈和試件進(jìn)行了建模。如圖1所示,本文所用數(shù)值計(jì)算模型包括帶磁芯的餅狀激勵(lì)線圈和不銹鋼平板?；緟?shù)如下:平板材料為304奧氏體不銹鋼(電導(dǎo)率σ=1.4 mS/m,相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1),板長(zhǎng)L=100 mm,板寬W=100 mm,板厚T=25 mm。激勵(lì)線圈外半徑ro=1.6 mm,內(nèi)半徑ri=0.6 mm,厚h=0.8 mm,匝數(shù)100匝,激勵(lì)電流1 A,激勵(lì)頻率f=1 kHz。磁芯材料為MnZn(電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率分別為σc=4 Ω·m,μrc=2 500),外半徑roc=0.6 mm,內(nèi)半徑ric=0 mm,厚hc=0.8 mm。激勵(lì)線圈放置在平板中心處,線圈提離lf=0.5 mm,px表示檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈的間距,pz為材料中某點(diǎn)處的深度。

圖1 磁芯探頭及平板試件的數(shù)值計(jì)算模型

2 渦流滲透深度影響因素分析

2.1 激勵(lì)頻率的影響

鐵氧體磁芯經(jīng)常用于渦流探頭,以提高檢測(cè)分辨率和減小探頭尺寸。為了分析磁芯對(duì)渦流滲透深度的影響,采用了圖1所示的小型線圈(ro=1.6 mm,ri=0.6 mm,hc=0.8 mm)進(jìn)行仿真。線圈纏繞在圓柱形鐵氧體磁芯上,高0.8 mm,半徑0.6 mm。磁芯材料采用MnZn,其電阻率為4 Ω·m,相對(duì)磁導(dǎo)率為2 500。使用實(shí)心磁芯,其外半徑與線圈內(nèi)半徑ri相同。

圖2為不同頻率下相同尺寸的空芯激勵(lì)線圈和帶磁芯的激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流分布比較。由圖2(a)可見,使用帶磁芯的激勵(lì)線圈可產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁耦合,在材料中感應(yīng)的渦流更大。高頻激勵(lì)時(shí),電磁場(chǎng)的能量主要集中在試樣表面附近;低頻激勵(lì)時(shí),渦流密度曲線緩慢下降,材料表面渦流密度相對(duì)較小。滲透深度取決于內(nèi)部和表面密度的相對(duì)值,低頻激勵(lì)時(shí)材料內(nèi)部的渦流密度更大,其信號(hào)更容易被檢測(cè)線圈檢測(cè)到。圖2(b)為渦流密度的歸一化結(jié)果?？梢?磁芯線圈和相同尺寸的空芯線圈在材料同一位置處(圖中曲線均為線圈平均半徑處取得)產(chǎn)生的渦流分布情況相同,渦流的滲透深度相同。

圖2 激勵(lì)頻率的影響(實(shí)心磁芯,px=(ri+ro)/2)

2.2 磁芯材料屬性的影響

為研究磁芯材料對(duì)滲透深度的影響,考慮了磁芯材料電磁特性變化的影響。磁芯的形狀和尺寸與上述相同,磁芯為實(shí)心。令磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率分別取2 500、3 300、7 500、10 000、12 000,相應(yīng)的電阻率為4、6、0.2、0.2、0.5。圖3為磁芯材料電阻率和磁導(dǎo)率變化時(shí)的仿真結(jié)果比較?？梢?幾乎所有曲線都重疊在一起。不同材料的磁芯對(duì)渦流分布的影響均相同。

圖3 磁芯材料的影響(MnZn,10 kHz,px=0)

2.3 線圈及磁芯尺寸的影響

線圈尺寸包括線圈半徑、寬度和高度。對(duì)于線圈半徑的影響,本文研究了僅改變線圈外半徑(ri=0.6 mm,ro=3.2 mm～16 mm)和同時(shí)改變線圈內(nèi)外半徑(圈內(nèi)外半徑之差為1 mm不變)兩種情況。線圈高度均為0.8 mm。對(duì)于線圈高度的影響,在保持激勵(lì)線圈內(nèi)、外半徑尺寸不變(0.6 mm,1.6 mm)不變的情況下,只改變線圈高度,研究渦流密度曲線的變化情況。

由圖4(a)為線圈半徑變化時(shí)沿板厚方向渦流分布的變化情況。由圖可見,在線圈內(nèi)、外半徑同時(shí)增大或只增大外半徑時(shí),歸一化渦流密度曲線均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),滲透深度同時(shí)增大;當(dāng)激勵(lì)線圈內(nèi)半徑較大時(shí),渦流的滲透深度更大。

圖4(b)為激勵(lì)線圈的高度從0.8 mm到2.0 mm變化時(shí)的材料中渦流密度的變化情況。結(jié)果表明,激勵(lì)線圈高度變化對(duì)滲透深度的影響不明顯。線圈高度增加相當(dāng)于在原來的線圈上串聯(lián)了一個(gè)新的激勵(lì)線圈。渦流滲透深度的提高部分是由于新激勵(lì)線圈所導(dǎo)致的。由于新線圈提離較大,因此它對(duì)渦流滲透深度的作用也不大。

圖4 激勵(lì)線圈尺寸的影響

2.4 磁芯形狀的影響

上述結(jié)果表明,實(shí)心磁芯線圈和空芯線圈在線圈尺寸等方面對(duì)渦流滲透深度的影響相同。然而,環(huán)狀磁芯由于中空,產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布不同,對(duì)渦流滲透深度的影響可能會(huì)不一樣。為了驗(yàn)證該猜想,在大尺寸線圈(ro=16 mm,ri=15 mm)中加入一個(gè)環(huán)狀磁芯。磁芯外半徑roc與線圈內(nèi)半徑ri相同,內(nèi)半徑ric在0到7.5 mm范圍內(nèi)變化,線圈和鐵芯的高度均為0.8 mm。

圖5為線圈中心處(px=0)的渦流分布?xì)w一化結(jié)果。其中,曲線ric=0代表實(shí)心磁芯。由圖示結(jié)果可見,隨著磁芯內(nèi)半徑的增大,材料中的滲透深度增大。磁芯內(nèi)半徑越大,渦流滲透深度也越大。當(dāng)磁芯內(nèi)半徑為其外徑的一半時(shí),渦流滲透深度達(dá)到最大。可見,通過使用環(huán)狀磁芯可以使渦流滲透深度得到一定程度的改善。

圖5 磁芯內(nèi)半徑的影響

2.5 環(huán)狀磁芯尺寸和檢測(cè)線圈位置的影響

為研究環(huán)狀磁芯尺寸和檢測(cè)線圈位置對(duì)渦流滲透深度的影響,在兩個(gè)不同尺寸的激勵(lì)線圈上加入環(huán)狀磁芯,分析渦流分布的變化情況。其中大線圈尺寸為ri=15 mm,ro=16 mm,hc=0.8 mm;小線圈尺寸為ri=0.6 mm,ro=1.6 mm,hc=0.8 mm。磁芯材料均為MnZn,電阻率為4 Ω·m,相對(duì)磁導(dǎo)率為2 500。磁芯外半徑與線圈內(nèi)半徑相同,磁芯與線圈高度相同。

圖6 檢測(cè)線圈位置的影響

圖6(a)是大線圈的仿真結(jié)果(空芯及帶環(huán)狀磁芯)。隨著激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈間距的增大,對(duì)于空芯線圈和帶環(huán)狀磁芯的線圈,渦流滲透深度均隨之增大。距離px越大,效果越顯著。而對(duì)于小線圈(圖6(b)),渦流滲透深度亦隨激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈間距的變化而變化。由于磁芯內(nèi)半徑較小,帶磁芯線圈的結(jié)果和空芯線圈的分布曲線基本重合?？梢?在磁芯線圈設(shè)計(jì)中,磁芯內(nèi)外半徑尺寸大小比檢測(cè)線圈位置對(duì)渦流滲透深度的影響更大。

3 深裂紋渦流探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上研究結(jié)論,本文初步設(shè)計(jì)了兩類深層缺陷渦流檢測(cè)探頭。一類采用實(shí)心磁芯,自發(fā)自收式及一發(fā)一收式;一類采用環(huán)狀磁芯,自發(fā)自收式。激勵(lì)線圈的內(nèi)、外半徑和高度尺寸分別為15 mm、16 mm、0.8 mm,磁芯材料為MnZn鐵氧體。為便于比較其改進(jìn)效果,同時(shí)對(duì)常用小型探頭(內(nèi)外半徑及高度分別為0.6 mm、1.6 mm、0.8 mm)產(chǎn)生的渦流密度分布進(jìn)行了仿真計(jì)算。

圖7為激勵(lì)頻率為1 kHz時(shí),這兩類探頭所產(chǎn)生的渦流分布曲線比較。由圖可見,常用的小型自發(fā)自收式探頭渦流在1 kHz頻率激勵(lì)時(shí)渦流滲透深度為11.75 mm,而對(duì)線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,渦流滲透深度得到了提高。其中,采用環(huán)狀磁芯或?qū)嵭拇判镜囊话l(fā)一收式探頭(px=0)較好,渦流滲透深度可達(dá)20.5 mm,是常用渦流小型探頭的1.74倍;采用實(shí)心磁芯的一發(fā)一收式探頭(px=48 mm)稍次之,渦流滲透深度可達(dá)19.5 mm,是常用渦流小型探頭的1.66倍。

圖7 新型渦流探頭和常用小型探頭所產(chǎn)生的渦流密度分布比較

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的探頭對(duì)深裂紋檢測(cè)的有效性,設(shè)計(jì)制作了空芯、實(shí)芯磁芯以及環(huán)狀磁芯的渦流探頭,其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 線圈及磁芯幾何參數(shù) 單位:mm

圖8為渦流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括EEC2004多功能電磁檢測(cè)儀、渦流探頭、三維掃查臺(tái)和電腦。探頭實(shí)物及其線圈配置如圖9所示,渦流探頭為一發(fā)一收式,空芯、實(shí)心磁芯以及環(huán)狀磁芯的激勵(lì)線圈分別配有一個(gè)圓形檢測(cè)線圈,激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的中心距均為38 mm。激勵(lì)線圈采用電壓激勵(lì),激勵(lì)電壓為8 V,激勵(lì)頻率為1 kHz。

圖10 不同深度裂紋的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖8 渦流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖9 探頭實(shí)物及其線圈配置

檢測(cè)時(shí),將探頭安裝在探頭夾具上,并固定在三維掃查臺(tái)的懸臂上,沿垂直于裂紋長(zhǎng)度的方向掃查。檢測(cè)線圈獲得線圈阻抗信號(hào)后通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)诫娔X中作進(jìn)一步后處理。304不銹鋼平板試件上加工有深度為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm多個(gè)人工槽。圖10(a)、(b)、(c)分別為空芯、實(shí)心磁芯以及環(huán)狀磁芯線圈對(duì)這些缺陷的檢測(cè)結(jié)果。由結(jié)果可見,帶磁環(huán)的探頭對(duì)裂紋深度的變化最敏感,20 mm與15 mm深裂紋的線圈阻抗信號(hào)變化率,磁環(huán)線圈以及實(shí)心磁芯線圈分別為6.8%和3.9%,而空芯線圈對(duì)深裂紋的變化敏感度最低,其所測(cè)得的20 mm深裂紋和15 mm深裂紋的阻抗幅值大小基本相同,基本無法由阻抗信號(hào)區(qū)分這兩種裂紋深度。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值方法研究了渦流深度滲透的影響因素,并基于研究結(jié)果設(shè)計(jì)了兩類帶磁芯的渦流探頭。仿真結(jié)果表明,渦流的滲透深度不僅與材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率有關(guān),還與激勵(lì)頻率、線圈尺寸、檢測(cè)線圈位置、磁芯形狀等其他參數(shù)有關(guān)。在這些影響因素中,頻率、線圈半徑和檢測(cè)線圈位置對(duì)渦流滲透深度的影響最大。線圈高度和環(huán)狀磁芯(半徑、高度和檢測(cè)線圈位置)對(duì)渦流滲透深度有一定的影響。基于以上研究結(jié)果所設(shè)計(jì)的渦流探頭可將渦流滲透深度提高1.7倍左右,采用環(huán)狀磁芯或?qū)嵭拇判镜囊话l(fā)一收式探頭可使渦流滲透深度深達(dá)20 mm左右。