曲面零件裂紋缺陷脈沖渦流熱成像檢測的仿真

宋 林，楊隨先，李小建，王 玫

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

復(fù)雜幾何零件廣泛存在于重大裝備中，如汽輪機葉片與輪轂、水輪機葉片、風(fēng)力發(fā)電葉片、飛機機身與機翼、發(fā)電機軸瓦、高速列車車輪與輪軌等。針對具有復(fù)雜幾何形態(tài)的零件／產(chǎn)品的缺陷檢測技術(shù)研究已成為目前無損檢測研究的重要領(lǐng)域之一，在重大工程裝備如高速鐵軌、高速列車、大型發(fā)電設(shè)備的主要零部件、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、核電站設(shè)備及各種管道、飛機結(jié)構(gòu)及各部件、壓力容器的對接焊接接頭等重要關(guān)鍵零件無損檢測中有著廣泛應(yīng)用，對保障重大工程裝備的正常運行具有重要意義。

脈沖渦流無損檢測技術(shù)是近年來在國際上迅速發(fā)展起來的一項零件表面缺陷和亞表面缺陷檢測的先進(jìn)技術(shù)［1－3］。紅外成像技術(shù)作為非接觸檢測技術(shù)，具有快速、準(zhǔn)確、安全、檢測效率高等特點［4］。因此，將紅外成像技術(shù)與脈沖渦流無損檢測結(jié)合，綜合運用信號分析、圖像處理與特征提取等技術(shù)可以實現(xiàn)對缺陷類別的定性、可視化判別和缺陷幾何參數(shù)的定量評估［5］。

1 脈沖渦流紅外熱成像檢測原理

脈沖渦流無損檢測的基本原理是基于電磁學(xué)中的渦流現(xiàn)象。在導(dǎo)電被測零件外施加高頻、大電流的瞬間脈沖信號，當(dāng)被測零件表面或亞表面存在缺陷時，被測體中的渦流場分布會發(fā)生改變，此渦流場的改變在被測體內(nèi)將引起局部的焦耳熱現(xiàn)象。這種材料或零件內(nèi)部渦流場的變化導(dǎo)致在缺陷位置的局部焦耳熱現(xiàn)象，引起材料或零件的局部溫升。這種由于焦耳熱引起的局部溫升可以被紅外熱像儀記錄，從而獲得零件的缺陷信息。圖1為脈沖渦流紅外熱成像檢測零件缺陷的原理示意圖。圖2為缺陷零件內(nèi)部的渦流分布與局部溫升示意圖。

2 COMSOL多物理場仿真分析平臺電熱耦合分析方法

脈沖渦流紅外熱成像無損檢測仿真分析屬于電磁場與熱傳導(dǎo)耦合分析問題，可通過COMSOL多物理場仿真分析平臺的電熱耦合模塊AC／DC進(jìn)行仿真分析。

導(dǎo)電材料在外加電磁場（脈沖電流）的作用下會因焦耳熱引起溫度場的變化。根據(jù)歐姆定律，脈沖渦流產(chǎn)生的焦耳熱由下式?jīng)Q定：

式中Q為焦耳熱；Js為渦流強度；σ為材料的導(dǎo)電率。σ通常是溫度的函數(shù)，且由下式給出：

式中σ0為材料在溫度T0時的導(dǎo)電率；α是材料導(dǎo)電率的溫度常數(shù)。

假定檢測環(huán)境溫度（T0）不變，則被檢零件的熱傳導(dǎo)方程為：

式中T＝T（x，y，z，t），為被檢試樣的溫度場分布；λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W／m·K；ρ為材料密度，kg／m3；CP為材料的熱常數(shù)，J／kg·K；q（x，y，z，t）為單位體積的熱功，且：

式中q為單位體積的脈沖熱密度，由式（1）計算得出；th是渦流的脈沖寬度或加熱時間。

設(shè)定好被檢零件的邊界條件后，將式（1）和（3）在COMSOL電熱耦合模塊AC／DC中聯(lián)合求解，即可獲得被檢零件在脈沖渦流作用下的溫度場分布。

3 復(fù)雜幾何零件裂紋缺陷檢測仿真分析模型

文章利用凸面形態(tài)和凹面形態(tài)零件分別模擬復(fù)雜幾何零件的幾何形態(tài)特征。在COMSOL中建立的仿真模擬模型見圖3。

模型幾何參數(shù)為：零件幾何尺寸（長×寬×高）為80mm×50mm×50mm，曲面半徑為30mm，激勵線圈與零件表面的法向距離為5mm，線圈截面直徑為5mm。缺陷假設(shè)為非開放性裂紋，幾何尺寸（長×寬×深）為20mm×1.5mm×1mm。零件材料假設(shè)為結(jié)構(gòu)鋼，仿真分析的渦流參數(shù)為密度7850kg／m3；導(dǎo)熱系數(shù) 44.5W／（m·K）；熱容475J／（kg·K）；電阻率10.8802×10－6Ω·m；溫度系數(shù)12.3×10－6K－1。渦流參數(shù)為輸入電流350A；頻率257kHz；激勵時間50ms。

利用COMSOL電熱耦合模塊AC／DC進(jìn)行仿真運算，獲得了相應(yīng)的仿真分析結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析

圖4為凹面零件和凸面零件經(jīng)50ms脈沖渦流激勵加熱后缺陷周圍（圖4（a）中A和圖4（b）中B）的溫度場分布圖。從圖中可以看出，在缺陷的兩端出現(xiàn)明顯溫升，表明采用紅外熱成像儀可以捕捉到零件上存在的裂紋缺陷。利用此圖像可以對缺陷進(jìn)行定性判斷。

圖5為加熱過程中在缺陷邊沿處以及零件上遠(yuǎn)離缺陷處的溫升變化曲線對照圖。在脈沖渦流激勵下，由于感應(yīng)電流的作用，導(dǎo)致在零件內(nèi)部產(chǎn)生焦耳熱，從而引起零件局部的溫度升高。從圖中可以看出，由于缺陷的存在改變了渦流在零件內(nèi)部傳導(dǎo)的路徑，在零件缺陷處渦流密度增加，產(chǎn)生的焦耳熱相較于在其它位置所產(chǎn)生的焦耳熱多，從而導(dǎo)致缺陷邊沿處的溫升變化與零件上其它位置的溫升變化具有明顯差異。曲線的斜率與激勵電流、材料熱特性、缺陷幾何特征有關(guān)。當(dāng)激勵信號和材料特性一致時，曲線的斜率僅受缺陷幾何特征影響。因此，在積累相當(dāng)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以利用曲線的斜率特征進(jìn)行缺陷的定量評估分析。

5 結(jié)論

文章仿真分析結(jié)果表明，脈沖渦流紅外熱成像技術(shù)能有效檢測具有復(fù)雜幾何形狀的零件的裂紋缺陷。并且，通過對熱成像圖像的后期分析處理，有可能對缺陷進(jìn)行定量評估。

更多零件缺陷幾何特征的脈沖渦流熱特性仿真分析和試驗研究是課題組已經(jīng)開始的進(jìn)一步研究內(nèi)容，希望通過更加深入的理論分析和試驗研究，形成實用化的檢測技術(shù)方案，為檢測系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)理論支撐。

［1］Clauzon T，Thollon F，Nicolas A.Flaws characterization with pulsed eddy currents NDT［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（3）：1873－1876.

［2］Luiza H Ichinose，Yuzuru Kohno，Toshiyuki Kitada Masahide Matsumura.Applications of eddy current test to fatigue crack inspection of steel bridges［J］.Mem Fac Eng，Osaka City Univ，2007（48）：57－62.

［3］Li Shu，Huang Songling，Zhao Wei，et al.Study of pulse eddy current probes detecting cracks extending in all directions［J］.Sensors and Actuators A，2008（141）：13－19.

［4］Takahide Sakagami，Shiro Kubo.Applications of pulse heating thermography and lock－in thermography to quantitative nondestructive evaluations［J］.Infrared Physics ＆ Technology，2002（43）：211－218.

［5］Ilham Zainal Abidin，Gui Yun Tian，JohnWilson，et al.Quantitative evaluation of angular defects by pulsed eddy current thermography［J］.NDT＆E International，2010（43）：537－546.