表面粗糙度對(duì)裂紋漏磁檢測(cè)的影響

鄧志揚(yáng)，楊　蕓，馮　搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

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表面粗糙度對(duì)裂紋漏磁檢測(cè)的影響

鄧志揚(yáng)，楊蕓，馮搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

摘要：在裂紋漏磁檢測(cè)中尤其是微裂紋的檢測(cè)受多種因素影響，其中被檢測(cè)工件的表面粗糙度是主要因素。為探求表面粗糙度與裂紋檢測(cè)靈敏度間的關(guān)系，在表面粗糙度試塊上刻有不同深度的人工裂紋并進(jìn)行漏磁檢測(cè)試驗(yàn)，得出了不同深度裂紋的檢測(cè)信號(hào)信噪比。結(jié)果表明，信噪比隨著表面粗糙度值的增大而減小，表面粗糙度一定時(shí)，深度小到一定程度的裂紋將不能被有效檢出。最后，以三角形鋸齒狀粗糙元模擬固體表面粗糙度模型中的上凸部分和下凹部分，從磁折射的角度分析了粗糙表面場(chǎng)強(qiáng)分布規(guī)律，通過仿真給出了粗糙表面裂紋的理論檢測(cè)靈敏度。

關(guān)鍵詞：表面粗糙度；漏磁檢測(cè)；信噪比；裂紋；靈敏度

漏磁檢測(cè)技術(shù)以其可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鐵磁性材料的無損檢測(cè)與評(píng)估[1]中。由于加工等原因，被檢測(cè)材料的表面痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差異[2-3]。這些微觀和宏觀的幾何不平整在漏磁檢測(cè)中均會(huì)引起磁場(chǎng)泄漏，由此帶來的背景漏磁場(chǎng)和信號(hào)將對(duì)微小裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)和信號(hào)測(cè)量造成影響，從而影響到漏磁檢測(cè)的可行性和檢測(cè)靈敏度。

文獻(xiàn)[4]概述性地以材料表面粗糙度為漏磁檢測(cè)的影響因素之一進(jìn)行了介紹，也有文獻(xiàn)從表面不平引起探頭提離值波動(dòng)的角度進(jìn)行了試驗(yàn)研究[5]。但對(duì)此類影響的定量化分析和評(píng)價(jià)的研究少有文獻(xiàn)報(bào)道。筆者首先通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同表面粗糙度下與不同深度裂紋的漏磁檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn)和關(guān)系，分析在同一表面粗糙度下不同深度裂紋的檢測(cè)信號(hào)差異和檢測(cè)可行性；最后，通過選取合適的粗糙度元進(jìn)行工件粗糙表面建模，利用ANSYS軟件仿真分析表面粗糙度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，給出粗糙度表面的裂紋漏磁檢測(cè)的理論精度。

1粗糙表面和裂紋的漏磁檢測(cè)試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的整個(gè)檢測(cè)裝置主要由檢測(cè)探頭(傳感器)、磁化線圈、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)等幾部分組成。圖1所示為檢測(cè)裝置示意，其中，磁化器由2組線圈組成，檢測(cè)探頭安裝在兩組線圈中間以保證檢測(cè)元件所在的位置磁場(chǎng)分布均勻。對(duì)比感應(yīng)線圈、霍爾元件和集成磁頭對(duì)同一缺陷進(jìn)行檢測(cè)的效果，得到的信號(hào)特征極其相近，最后采用了靈敏度更高的磁頭作為傳感器。探頭由一T型支架固定，T型支架固定在兩組線圈上方，可保證檢測(cè)中探頭的穩(wěn)定性。被測(cè)鋼板由位于線圈兩側(cè)的一對(duì)支撐輪控制其沿磁化方向的勻速運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)過程中，始終與探頭保持緊密的貼合，以得到均勻的掃查效果。試驗(yàn)中傳感器將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，采集卡獲取的信號(hào)信息由上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示。

圖1　試塊漏磁檢測(cè)裝置示意

1.2　試塊

試驗(yàn)中采用的試塊材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，各試塊的尺寸均為長300 mm、寬100 mm、厚度14 mm，其中三塊試塊表面加工方式為飛刀銑，得到不同的粗糙度表面值(Ra),如圖2所示，粗糙度值采用粗糙度儀多次測(cè)量確定。第二組三塊試塊的加工方式為立銑，得到不同的粗糙度表面，如圖3。另外一塊對(duì)比試塊加工方式為平磨，表面光潔，粗糙度Ra=0.2 μm，編號(hào)7。所有試塊表面均刻有一組寬度20 μm，深度不同的人工線狀缺陷，圖4中從左到右深度依次為20，45，70 μm ，相鄰缺陷的間距為70 mm，這樣在一塊試塊上可進(jìn)行多個(gè)深度缺陷試驗(yàn)。

圖2　飛刀銑加工得到的不同粗糙度表面

圖3　立銑加工得到的不同粗糙度表面

圖4　試塊缺陷位置示意

2表面粗糙度對(duì)裂紋檢測(cè)的影響

對(duì)平磨試塊進(jìn)行飽和磁化下的漏磁檢測(cè)試驗(yàn)。試塊的磁化方向垂直于人工線狀缺陷，試塊以恒定的移動(dòng)速度沿磁化方向運(yùn)動(dòng)，重復(fù)試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5　對(duì)比試塊檢測(cè)信號(hào)

由于平磨表面較光潔，并未帶來明顯的噪聲信號(hào)。試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，信號(hào)峰值與缺陷的深度大小成正相關(guān)，當(dāng)缺陷深度為20 μm左右時(shí)，所使用的探頭靈敏度已基本無法檢測(cè)出缺陷信號(hào)。

2.1　表面粗糙度對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響

保持試驗(yàn)條件不變，對(duì)1～4號(hào)立銑試塊上深70 μm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)并得到其信噪比與粗糙度的二維曲線，如圖6所示。

圖6　信號(hào)信噪比隨粗糙度的變化曲線

由圖6所示曲線的變化趨勢(shì)可知，對(duì)于試驗(yàn)中深度為70 μm的缺陷，隨著粗糙度的增大，檢測(cè)信號(hào)的信噪比呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在表面粗糙度Ra為12.5 μm的1號(hào)試塊上，檢測(cè)信號(hào)的信噪比非常低，已經(jīng)不能清晰地從粗糙度引起的噪聲信號(hào)中分辨出缺陷信號(hào)；而在粗糙度Ra為3.2 μm的3號(hào)試塊上，檢測(cè)信號(hào)的信噪比較高，能夠較為清晰地分辨出缺陷信號(hào)，但是對(duì)比平磨試塊上同等深度的缺陷，信噪比有所降低。由此可見，對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)，表

面粗糙度對(duì)檢測(cè)效果的直接影響是信號(hào)的信噪比降低，甚至不能檢出缺陷或者引起誤判。換言之，在表面粗糙度確定的情況下，試件上的可檢出缺陷深度受到限制，存在一檢測(cè)極限，即在確定的檢測(cè)條件下，檢測(cè)極限所對(duì)應(yīng)深度的缺陷已經(jīng)不能夠檢出，這為實(shí)際檢測(cè)中提高檢測(cè)精度和檢測(cè)靈敏度提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步探究一定粗糙度下的檢測(cè)極限，對(duì)不同深度的裂紋進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2　表面粗糙度對(duì)不同深度裂紋檢測(cè)的影響

保持試驗(yàn)條件不變，探頭以相同速度沿試塊的磁化方向，分別掃查2組加工方式不同的試塊，對(duì)不同深度的裂紋進(jìn)行飽和磁化下的漏磁檢測(cè)，各試塊的檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。

圖7　不同試塊的漏磁檢測(cè)信號(hào)

對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)(含噪聲)估計(jì)信噪比，首先要估計(jì)噪聲的方差，估計(jì)時(shí)所用的樣本數(shù)目越多，結(jié)果越準(zhǔn)確，實(shí)際情況中可用噪聲最大幅值代替。有用信號(hào)能量的估計(jì)理論上應(yīng)對(duì)含有噪聲的有用信號(hào)樣本去噪后進(jìn)行，但實(shí)際中常用含有噪聲的有用信號(hào)樣本的峰值點(diǎn)代替真實(shí)信號(hào)的幅度。由于在漏磁檢測(cè)中，關(guān)注的是信號(hào)的突變，周圍幅值上的任何突出部分都會(huì)影響實(shí)際缺陷信號(hào)的分辨，應(yīng)用信噪比公式：

(1)

式中：S為信號(hào)最大幅值；N為噪聲最大幅值。

重復(fù)試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，分析檢測(cè)結(jié)果，繪制不同表面粗糙度下信號(hào)信噪比隨裂紋深度的變化曲線，如圖8所示。

圖8　不同加工方式的試塊檢測(cè)信噪比隨裂紋深度變化曲線

分析圖8(a)所示曲線，對(duì)于同一Ra值的表面粗糙度，隨著人工裂紋深度的減小。缺陷信號(hào)的信噪比降低。對(duì)于3號(hào)試塊(檢測(cè)信號(hào)見圖7(c))，由2.1節(jié)中分析可知，70 μm深度的裂紋不能被檢出，因此對(duì)小于該深度的缺陷不加討論。試塊2中，如圖7(b)圈出區(qū)域所示，對(duì)于45 μm的缺陷深度，信號(hào)信噪比非常低，不能清晰地分辨出缺陷信號(hào)，而對(duì)于較大的70 μm深度的缺陷，檢測(cè)信號(hào)能夠滿足缺陷識(shí)別的信噪比要求。如圖7(a)所示1號(hào)試塊的檢測(cè)結(jié)果，能夠分辨出深度為70 μm和45 μm的缺陷，但信噪比相對(duì)于對(duì)比所用的平磨試塊，有所降低，對(duì)于20 μm缺陷，基本無法檢出。

分析立銑試塊的測(cè)試結(jié)果，一定粗糙度下，裂紋深度的變化引起的信噪比變化趨勢(shì)與第一組飛刀銑試塊基本一致，但是，由于表面加工方式的差異，兩組試塊表面峰谷不平的分布規(guī)律并非完全一樣(見圖2和圖3)；因此兩組試塊中，對(duì)于相同大小的表面粗糙度和相同的裂紋深度，檢測(cè)信號(hào)的信噪比并不一樣。5號(hào)立銑試塊和2號(hào)飛刀銑試塊具有相同的表面粗糙度值，但是對(duì)于深度為70 μm的裂紋，2號(hào)試塊具有較高的信噪比，如圖7(b),(e)的圈出區(qū)域。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在粗糙度確定的情況下，存在漏磁檢測(cè)極限深度，即能夠檢測(cè)到的缺陷深度下界，小于該范圍的缺陷深度，由于信噪比的降低，漏磁檢測(cè)的靈敏度降低。出現(xiàn)以上結(jié)果的主要原因在于，粗糙度引起表面微觀峰谷不平輪廓在兩種不同磁導(dǎo)率材料的分界面上，存在磁折射現(xiàn)象，上凸和下凹的輪廓引起了表面上方磁場(chǎng)的分布變化。

下面采用ANSYS軟件進(jìn)一步仿真分析表面粗糙度對(duì)磁場(chǎng)分布的具體影響，給出粗糙度表面的裂紋漏磁檢測(cè)的理論精度。

3粗糙表面的漏磁場(chǎng)建模分析

從磁折射的角度，缺陷附近的場(chǎng)強(qiáng)變化主要是界面兩側(cè)不同介質(zhì)的磁導(dǎo)率不同引起的，在凹型缺陷如裂紋或腐蝕下產(chǎn)生上凸的信號(hào)，而在小突起物存在的地方(代表凸?fàn)钊毕?則產(chǎn)生一個(gè)凹陷的信號(hào)。當(dāng)感應(yīng)單元沿著凹凸不平的表面進(jìn)行掃查時(shí)，捕獲到的信號(hào)由于這種凹凸信號(hào)的存在，必定影響最終檢測(cè)結(jié)果。在微尺度條件下，工件表面的粗糙度模型中，緊密相連的“上凸”部分和“下凹”部分均對(duì)于磁折射效應(yīng)具有影響，故采用這種完整的漏磁檢測(cè)機(jī)理。

工件無論采用哪種加工方法，受刀具與零件間的運(yùn)動(dòng)、摩擦，機(jī)床的振動(dòng)及零件的塑性變形等因素的影響，所獲得的表面都存在微觀的不平痕跡，即為表面粗糙度；工件在使用過程中的磨損、腐蝕介質(zhì)的侵蝕消耗也會(huì)造成表面粗糙，這種較小間距和峰谷所組成的微觀幾何輪廓構(gòu)成表面紋理粗糙度[7]，通常采用二維表面粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)即能基本滿足機(jī)加工零件要求，常用評(píng)定參數(shù)優(yōu)先選用輪廓算術(shù)平均偏差Ra，能夠直接反應(yīng)工件表面說明峰谷不平的狀態(tài)，Ra定義常通過圖9表示。Ra可通過式(2)近似計(jì)算。

圖9　表面粗糙度常用參數(shù)Ra的定義

(2)

式中：yi為輪廓偏距，l為取樣長度，x軸為測(cè)量的取樣基準(zhǔn)線。

由Ra的定義示意圖可知，其主要表征工件表面這種峰谷不平的狀態(tài)，同時(shí)Ra反映的是一個(gè)垂直于工件表面方向的高度變化，而漏磁檢測(cè)中的垂直于工件表面方向?qū)?yīng)缺陷的深度方向，故運(yùn)用ANSYS軟件建立粗糙度元的簡(jiǎn)化模型可以分析工件粗糙表面的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律。

通常采用規(guī)則的三角形鋸齒狀粗糙元來進(jìn)行粗糙表面建模，便于仿真中定性和定量分析[8-9]。三角形鋸齒狀粗糙元特點(diǎn)是三角形粗糙元的緊密相連，其間無間隙。若材料表面的粗糙度分布均勻且間隔較為緊密，就可利用三角形鋸齒狀粗糙元模型研究粗糙元對(duì)平板粗糙表面場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。三角形鋸齒狀粗糙元模型如圖10所示，圖中平板厚度為D，粗糙元的高度為e，上下三角形粗糙元間隔排列，每個(gè)小三角形粗糙元的底邊恒定為0.1 mm。由選用的粗糙度表征參數(shù)Ra的定義可知，該三角形粗糙元高度與Ra的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：2Ra=e。

圖10　三角鋸齒狀粗糙元建模

圖11給出了同種表面粗糙程度、相同寬度、不同深度表面裂紋缺陷條件下，SNR值與裂紋深度的關(guān)系曲線。仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)為：粗糙元高度為0.1 mm，提離值為0.15 mm，缺陷寬度分別為0.6,0.4,0.2 mm共三組。每種缺陷寬度情況下，缺陷深度為0.1～0.3 mm每次間隔0.025 mm的共9個(gè)深度值進(jìn)行建模分析。

圖11　理論信噪比與裂紋深度的關(guān)系

圖11中三條曲線分別代表缺陷寬度為0.6,0.4,0.2 mm下的信噪比變化趨勢(shì)。由圖可知，對(duì)于相同的表面粗糙程度，隨著裂紋深度的減小，漏磁信號(hào)的信噪比呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，同種缺陷寬度下，缺陷深度小于0.25 mm(即5倍Ra)值后，信噪比幾乎是呈現(xiàn)線性下降的，并且下降速度較深度值較大時(shí)快；而深度減小至2倍Ra值時(shí)，信噪比約為1左右，此時(shí)缺陷信號(hào)已難以分辨。因此，一定表面粗糙度下的理論檢測(cè)極限深度dmin可由仿真結(jié)果中的信噪比極限確定，即：

(3)

式中：e為仿真模型中粗糙元高度。

由仿真分析可得，一定粗糙度下的工件表面，對(duì)于微小裂紋的檢測(cè)變得非常敏感，信噪比的大小較大程度上決定了微小裂紋能否被檢出。將仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，兩者信噪比隨缺陷深度的曲線的變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)良好一致性。

4結(jié)論

(1) 隨著表面粗糙度的增大，同一裂紋缺陷下的檢測(cè)靈敏度呈降低變化趨勢(shì)。對(duì)Ra=6.3 μm的表面粗糙度，漏磁檢測(cè)對(duì)深度為45 μm的裂紋缺陷具有較高的靈敏度，其對(duì)應(yīng)的信噪比較大;而對(duì)于深度更小的表面裂紋缺陷，或者是對(duì)于表面粗糙度值更大的試件，裂紋信號(hào)較難分辨，甚至?xí)鹫`判。表面粗糙度值與產(chǎn)生的噪聲信號(hào)之間的定量關(guān)系有待進(jìn)一步探討。

(2) 由ANSYS軟件仿真分析給出了一定表面粗糙度下的檢測(cè)極限裂紋深度值dmin與表面粗糙度Ra的對(duì)應(yīng)關(guān)系，滿足于limdmin=2Ra關(guān)系，低于該極限深度，無法檢出裂紋。

(3) 由紋理粗糙度與漏磁檢測(cè)的關(guān)系可知，可通過紋理消除來改善由粗糙度引起的噪聲信號(hào)對(duì)漏磁檢測(cè)靈敏度的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]康宜華,武新軍.數(shù)字化磁性無損檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]李柱,徐振高,蔣向前.互換性與測(cè)量技術(shù)(幾何產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范與認(rèn)證GPS)[M].北京：高等教育出版社, 2004.

[3]ZHENG Xing-ming, ZHAO Kai. A method for surface roughness parameter estimation in passive microwave remote sensing [J].Chinese Geographical Science, 2010,04:345-352.

[4]黃輝,何仁洋,熊昌勝,張智. 漏磁檢測(cè)技術(shù)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用及影響因素分析[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2010,03:17-19.

[5]崔偉,黃松嶺,趙偉. 傳感器提離值對(duì)管道漏磁檢測(cè)的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,01:21-24.

[6]SUN Yan-hua, KANG Yi-hua. Magnetic mechanisms of magnetic flux leakage nondestructive testing [J]. Applied Physics Letters. 2013, 103(18).

[7]危常忠,王本強(qiáng),謝鐵邦. 表面紋理的參數(shù)評(píng)定研究[J]. 華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999(1):57-60.

[8]SABRY M N. Scale effects on fluid flow and heat transfer in microchannels[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2000, 23(3): 562-567.

[9]云和明,陳寶明,程林. 粗糙平板微通道流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào),2009,11:1939-1941.

Influence of Surface Roughness on MFL Inspection of Cracks

DENG Zhi-yang, YANG Yun, FENG Bo, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science& Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In magnetic flux leakage testing (MFL), test result was affected by various factors. Surface roughness was the main factor influencing the sensitivity of detection. The aim of this paper is to analyze the effect of surface roughness on crack detection sensitivity by an experiment on surface roughness reference block with artificial groove injury in different depth, and to analyze detection results of different rough surface by comparing the SNR. The results showed that the SNR value decreased as the surface roughness increased, and a certain depth of the crack could not be clearly distinguished at a determined roughness, moreover, triangular serrated roughness elements were taken to simulate the convex portion and the concave portion in surface roughness model of solid, and analyzed distribution of magnetic field intensity from the perspective of the magnetic refraction, the simulation results gave a theoretical detection sensitivity of crack on rough surface.

Key words:Surface roughness; Magnetic flux leakage testing; SNR; Crack; Sensor

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)02-0040-05

DOI:10.11973/wsjc201602010

作者簡(jiǎn)介：鄧志揚(yáng)(1991- )，男，碩士研究生，主要從事無損檢測(cè)技術(shù)及儀器方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475194，51275193)

收稿日期：2015-02-05