渦流滲透深度影響因素分析

王闖龍， 武美先， 張東利，姜 祿，佟 宇

(北方民族大學(xué) a.電氣信息工程學(xué)院;b.化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院;c.機(jī)電工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

渦流檢測(cè)(eddy current testing，ECT)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)方法[1-3]，其原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)材料表面存在缺陷時(shí)，渦流流動(dòng)受到擾動(dòng)，渦流傳感器檢測(cè)到含有裂紋的合成場(chǎng)(由初級(jí)場(chǎng)和次級(jí)場(chǎng)產(chǎn)生)信息[4-6]。由于存在集膚效應(yīng)，當(dāng)激勵(lì)線圈在較高頻率工作時(shí)，渦流主要集中在導(dǎo)電試件表面流動(dòng)，這種效應(yīng)使渦流傳感器對(duì)淺裂縫檢測(cè)較靈敏，但對(duì)深層裂紋的識(shí)別能力較低[7-11]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了新型缺陷探測(cè)系統(tǒng)，可提高檢測(cè)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]通過(guò)增加磁環(huán)，制作了新型探頭，提高了檢測(cè)能力。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，提高了檢測(cè)的抗干擾能力。文獻(xiàn)[15-16]用磁通門磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)新型渦流線圈，提高了滲透深度。但傳統(tǒng)渦流檢測(cè)線圈滲透深度的影響因素問(wèn)題并未得到徹底解決。文獻(xiàn)[17]提出渦流密度不僅與渦流線圈激勵(lì)頻率有關(guān)，還與線圈尺寸等其他因素有關(guān)。

本文使用ANSYS有限元軟件，分析線圈外徑、高度、匝數(shù)、提離以及激勵(lì)頻率等因素對(duì)渦流密度的影響，提取沿試件厚度方向的渦流密度。以試件表面渦流密度為基準(zhǔn)值，對(duì)提取的渦流密度進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)一步分析了各個(gè)因素對(duì)渦流滲透深度的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

試件渦流密度值降低到表面密度的1/e(37%)時(shí)的滲透深度為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度[7]，在仿真計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)提取試件內(nèi)渦流密度變化曲線，可以得到相應(yīng)的滲透深度。為了方便獲取渦流密度曲線對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度值，將渦流密度曲線進(jìn)行歸一化(歸一化渦流密度曲線是指將渦流密度曲線上的所有數(shù)據(jù)除以其最大值得到的曲線)，歸一化渦流密度曲線橫坐標(biāo)值是0.37時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值為渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度。

如圖1所示，建立參數(shù)化模型，分析滲透深度的影響因素。將線圈放置在SUS304不銹鋼制成的試件(200 mm×200 mm×50 mm)上方。線圈的外徑為Ro，內(nèi)徑為Ri，高度為hc，匝數(shù)為N,提離為D。

2 滲透深度的影響因素

普通圓形渦流線圈在實(shí)際使用過(guò)程中，通常加載正弦交流電流。合適的激勵(lì)頻率可以有效準(zhǔn)確地識(shí)別并分離出各種影響因素，當(dāng)頻率增高時(shí)，集膚效應(yīng)也隨之明顯，線圈識(shí)別缺陷的靈敏性會(huì)急劇降低，因此，合適的激勵(lì)頻率對(duì)檢測(cè)缺陷至關(guān)重要。渦流線圈結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)渦流場(chǎng)的影響具體表現(xiàn)為:線圈外徑影響周圍磁場(chǎng)的分布；線圈匝數(shù)影響線圈電感量的大?。痪€圈高度與檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、分辨率有關(guān)；提離效應(yīng)影響線圈阻抗的大小。

圖1 參數(shù)化模型

2.1 線圈外徑的影響

如圖1所示，線圈的提離D=0.5 mm，激勵(lì)頻率f=10 kHz。保持線圈的內(nèi)半徑Ri=8 mm不變，外半徑Ro分別為10 mm、15 mm和20 mm，線圈匝數(shù)N=140匝，線圈高度hc=8 mm,研究線圈外徑的影響。

圖2為歸一化前后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系。圖2中，試件厚度為沿板厚方向的厚度。如圖2a所示，保持線圈內(nèi)徑不變，當(dāng)線圈外徑逐漸增大時(shí)，渦流密度增大。如圖2b所示，線圈外徑越大，其滲透深度越大。

(a) 歸一化前渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系 (b) 歸一化后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系

圖2 歸一化前后渦流密度與線圈外徑Ro的關(guān)系

2.2 線圈高度的影響

選擇內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm的線圈進(jìn)行仿真計(jì)算，并分析其結(jié)果。取線圈高度hc為5～15 mm，分析其對(duì)滲透深度的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以觀察到線圈高度和渦流密度之間的比例關(guān)系，歸一化密度曲線也較為密集。由圖3可知：渦流的滲透深度較為接近，線圈高度對(duì)滲透深度的影響較小。

2.3 線圈匝數(shù)的影響

研究線圈匝數(shù)對(duì)滲透深度的影響，匝數(shù)分別為60匝、140匝和200匝。Ri和Ro分別為8 mm和15 mm。其他參數(shù)設(shè)定值與2.1節(jié)相同。圖4為歸一化前后渦流密度與線圈匝數(shù)N的關(guān)系。如圖4所示，滲透深度不受線圈匝數(shù)變化的影響。

2.4 提離的影響

提離是指線圈底部到試件表面的距離，在渦流檢測(cè)中是一個(gè)重要的影響因素。在仿真分析過(guò)程中，保持其他參數(shù)不變，線圈提離分別為0.5 mm、和2.0 mm和5.0 mm。圖5為歸一化前后渦流密度與線圈提離D的關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)線圈提離增大時(shí)，激勵(lì)線圈在試件表面產(chǎn)生的渦流密度減小，但是并不能改變其滲透深度；較大提離在試件內(nèi)部產(chǎn)生的渦流密度越來(lái)越小。在實(shí)際應(yīng)用中，很少采用較大提離，因?yàn)檩^大提離會(huì)使檢測(cè)信號(hào)顯著下降、信噪比降低。

2.5 激勵(lì)頻率的影響

為了研究激勵(lì)頻率對(duì)滲透深度的影響，激勵(lì)線圈的激勵(lì)頻率分別取5 kHz、10 kHz和100 kHz，其他參數(shù)配置與上文相同。圖6為歸一化前后渦流密度與線圈激勵(lì)頻率f的關(guān)系。由圖6可知：當(dāng)激勵(lì)頻率明顯降低時(shí)，滲透深度發(fā)生顯著的變化。在較高頻率激勵(lì)時(shí)，渦流主要集中在密度極大的試樣表面附近，并沿試件厚度方向急劇降低；與此相反，在較低頻率激勵(lì)時(shí)，盡管表面的渦流密度較小，但在試件內(nèi)部的渦流密度衰減較慢。因此，低頻條件有利于檢查導(dǎo)電材料中的較深裂縫。

3 滲透深度影響因素的驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證不同因素對(duì)滲透深度的影響，設(shè)計(jì)加工了SUS304不銹鋼試件，如圖7a所示，不銹鋼尺寸為1 350 mm×350 mm×200 mm，電導(dǎo)率為σ=1.43×106S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為μr=1。在不銹鋼試件上均勻加工3道通槽，寬度均為1 mm，深度分別為5 mm、10 mm和15 mm。

渦流檢測(cè)系統(tǒng)如圖7b所示，為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，將渦流線圈(檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈)安裝在三維掃查臺(tái)的掃查臂上，保持檢測(cè)探頭與試件上表面水平且提離固定。三維掃查臺(tái)以恒定速度在不銹鋼試件表面垂直于裂紋分布方向進(jìn)行掃描。接收端使用愛(ài)德森渦流檢測(cè)儀EEC-2004作為采集系統(tǒng)，常規(guī)圓形渦流傳感器作為采集端和激勵(lì)端，對(duì)分布在不銹鋼試件上不同滲透深度的人工裂紋依次進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的正確性，試驗(yàn)中使用的參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

3.2.1 線圈外徑的影響

試驗(yàn)使用激勵(lì)線圈內(nèi)徑Ri=8 mm；外徑分別為Ro1=10 mm，Ro2=15 mm；激勵(lì)頻率為f=10 kHz；提離為D=1 mm；匝數(shù)N=140匝。

圖8為線圈外徑與阻抗的關(guān)系。圖8a為在不同外徑時(shí)仿真計(jì)算不同深度的人工通槽產(chǎn)生的阻抗結(jié)果，當(dāng)人工通槽深度相同時(shí)，線圈外徑越大，阻抗越大；當(dāng)線圈外徑相同時(shí)，人工通槽深度越大，阻抗越大。 圖8b為與仿真計(jì)算相同參數(shù)下試驗(yàn)所得結(jié)果(下同),由圖8b可知：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。分別提取激勵(lì)線圈外徑不同時(shí)檢測(cè)線圈在通槽為5 mm、10 mm和15 mm對(duì)應(yīng)阻抗的最大值Z0、Z1和Z2，并計(jì)算10 mm和15 mm相對(duì)于5 mm人工通槽阻抗變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0。由試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果可得：當(dāng)人工通槽深度相同時(shí)，線圈外徑越大，檢測(cè)結(jié)果的阻抗越大；當(dāng)線圈外徑相同時(shí)，人工通槽深度越深，所產(chǎn)生的阻抗結(jié)果越大。因此，線圈內(nèi)徑相同，外徑越大，檢測(cè)線圈的阻抗變化越大，有利于深裂紋的檢測(cè)。

3.2.2 線圈匝數(shù)的影響

試驗(yàn)使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，線圈匝數(shù)分別為140匝和250匝，其他參數(shù)保持不變。圖9是線圈匝數(shù)與阻抗的關(guān)系。由圖9a可知：線圈匝數(shù)相同時(shí)，人工通槽深度越大，檢測(cè)線圈產(chǎn)生的阻抗越大；但人工通槽深度相同時(shí)，線圈匝數(shù)的變化幾乎不影響檢測(cè)線圈阻抗信號(hào)的大小。圖9b是仿真參數(shù)相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果,與仿真計(jì)算結(jié)果一致。因此，線圈匝數(shù)基本不影響渦流的滲透深度，對(duì)檢測(cè)線圈的阻抗影響較小。

(a) 不同深度人工通槽仿真計(jì)算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗(yàn)阻抗變化

圖9 線圈匝數(shù)與阻抗的關(guān)系

3.2.3 線圈高度的影響

試驗(yàn)使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度分別為hc1=8 mm和hc2=15 mm，其他參數(shù)保持不變。由于激勵(lì)線圈的高度發(fā)生變化，為了減小線圈匝數(shù)對(duì)結(jié)果造成的影響，線圈的繞制匝數(shù)分別為140匝和250匝。圖10為線圈高度與阻抗的關(guān)系。如圖10a所示，線圈高度越大，檢測(cè)線圈的阻抗信號(hào)越大；線圈高度相同，人工通槽深度越大，檢測(cè)線圈阻抗越大；但是，通過(guò)提取人工通槽處阻抗的最大值Z0、Z1和Z2，并計(jì)算阻抗變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0，得出相同深度人工通槽在線圈高度不同時(shí)，阻抗的變化倍數(shù)是相同的。圖10b為仿真參數(shù)相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果,其變化規(guī)律、阻抗變化倍數(shù)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果一致。因此，激勵(lì)線圈高度改變檢測(cè)信號(hào)的阻抗大小，但是對(duì)滲透深度的影響較小。

(a) 不同深度人工通槽仿真計(jì)算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗(yàn)阻抗變化

圖10 線圈高度與阻抗的關(guān)系

3.2.4 提離的影響

試驗(yàn)使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，提離D1=1 mm、D2=5 mm，其他參數(shù)保持不變。圖11為線圈提離與阻抗的關(guān)系。如圖11a所示，線圈提離增大時(shí)，檢測(cè)線圈的阻抗信號(hào)急劇減?。幌嗤犭x時(shí)，人工通槽深度越大，阻抗越大。圖11b是與仿真計(jì)算參數(shù)相同時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其變化規(guī)律與仿真計(jì)算結(jié)果一致。但是在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中當(dāng)提離增大時(shí)，阻抗信號(hào)的信噪比也會(huì)降低，由于這種現(xiàn)象會(huì)造成渦流線圈對(duì)裂紋的識(shí)別度顯著下降，所以在實(shí)際應(yīng)用中提離變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。

3.2.5 激勵(lì)頻率的影響

試驗(yàn)使用線圈內(nèi)徑Ri=8 mm，外徑Ro=15 mm，高度hc=8 mm，激勵(lì)頻率分別為f1=1 kHz,f2=10 kHz，其他參數(shù)保持不變。圖12為激勵(lì)頻率與阻抗的關(guān)系。分別提取激勵(lì)頻率為1 kHz和10 kHz時(shí)，各個(gè)裂紋處的最大阻抗值Z0、Z1和Z2，并計(jì)算阻抗的變化倍數(shù)Z1/Z0、Z2/Z0。由圖12a可知：同一激勵(lì)頻率，不同深度的裂紋產(chǎn)生的阻抗變化不同，裂紋深度越深，阻抗越大；同一深度裂紋，激勵(lì)頻率越高，阻抗越大；通槽的深度變化相同時(shí)，激勵(lì)頻率越低，阻抗變化倍數(shù)越大。圖12b是與仿真計(jì)算參數(shù)相同時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其變化規(guī)律同仿真計(jì)算結(jié)果一致。較低激勵(lì)頻率有利于識(shí)別深層裂紋缺陷，但是激勵(lì)頻率太低時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的阻抗幅值會(huì)急劇下降，不利于檢測(cè)，因此，選擇合適的激勵(lì)頻率對(duì)渦流檢測(cè)至關(guān)重要。

(a) 不同深度人工通槽仿真計(jì)算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗(yàn)阻抗變化

圖11 線圈提離與阻抗的關(guān)系

(a) 不同深度人工通槽仿真計(jì)算阻抗變化 (b) 不同深度人工通槽試驗(yàn)阻抗變化

圖12 激勵(lì)頻率與阻抗的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，激勵(lì)頻率和線圈外徑有助于提高滲透深度，提離影響渦流線圈的信噪比，其他因素對(duì)滲透深度影響較小。本文可為渦流線圈設(shè)計(jì)和導(dǎo)電材料深層裂紋的檢測(cè)提供指導(dǎo)。