渦流陣列檢測(cè)裂紋的定量仿真研究

郭永良，袁麗華，段怡雄

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

渦流陣列檢測(cè)裂紋的定量仿真研究

郭永良1，袁麗華2，段怡雄1

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

通過CIVA軟件仿真渦流陣列檢測(cè)薄板裂紋，基于橫向裂紋的空域波形所隱含的長度信息對(duì)橫向裂紋的長度進(jìn)行計(jì)算。通過CIVA仿真得到感應(yīng)電壓的C掃描圖和感應(yīng)電壓空域波形圖。依據(jù)感應(yīng)電壓空域波形圖，分析波形寬度中含有裂紋長度的信息，采用最小二乘法建立裂紋長度與波形寬度的關(guān)系式，并進(jìn)行誤差分析。研究結(jié)果表明：橫向裂紋長度與其對(duì)應(yīng)的空域波形有關(guān)，空域波形的寬度隨著裂紋的長度的增加而增大；縱向裂紋的空域波形寬度隨著裂紋長度的增加而無變化，因此空域波形不包含裂紋的寬度信息；裂紋深度的變化不影響其空域波形的寬度變化。

CIVA；渦流陣列；橫向裂紋；空域波形

0 引言

無損檢測(cè)中常規(guī)的表面檢測(cè)方法有磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)3種，3種方法各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。磁粉和滲透檢測(cè)對(duì)被檢工件的表面要求比較高，而渦流檢測(cè)對(duì)表面要求不高；而磁粉和滲透相對(duì)于常規(guī)渦流檢測(cè)而言，檢測(cè)效率要高，而且結(jié)果比較直觀，能直接顯示缺陷的長度等信息。渦流陣列檢測(cè)技術(shù)彌補(bǔ)了常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)效率比較低的缺點(diǎn)，但是對(duì)缺陷定量依然比較困難?，F(xiàn)有的渦流檢測(cè)的研究中，對(duì)缺陷的定量研究很少，大部分都是用于缺陷的發(fā)現(xiàn)。

如國外的V.Zilberstein等應(yīng)用基于交錯(cuò)層疊渦流傳感器陣列對(duì)航空構(gòu)件裂紋的萌生和擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，他們認(rèn)為交錯(cuò)層疊渦流傳感器陣列技術(shù)是檢測(cè)航空航天高強(qiáng)度構(gòu)件的一種有效檢測(cè)手段，并用電子掃描顯微鏡進(jìn)行了驗(yàn)證[1]。N.Goldfine用交錯(cuò)層疊渦流陣列技術(shù)對(duì)F-18和波音747的膠結(jié)部位進(jìn)行了疲勞裂紋檢測(cè)[2]。2008年John Hartman[3]在美國航空航天局(NASA)報(bào)告中指出應(yīng)用渦流方法檢測(cè)可重復(fù)使用的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的靈敏度，能檢測(cè)出表面極其微小的缺陷。

張東利等[4]研究了渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)超輕多孔夾芯板無損檢測(cè)的有效性，對(duì)于波紋夾芯板和點(diǎn)陣桁架夾芯板，表層和夾層焊接部位的噪聲信號(hào)和裂紋信號(hào)具有明顯不同的頻率相位特征，裂紋信號(hào)對(duì)激勵(lì)頻率更敏感，計(jì)算表明夾芯波紋板和點(diǎn)陣桁架夾芯材料的焊部裂紋可利用渦流技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)；國內(nèi)的某渦流檢測(cè)設(shè)備開發(fā)公司，已研究并且制造出工作頻率為50～2 000 kHz、有效掃描寬度為55 mm的雙陣列、反射自旋式、用于檢測(cè)鋁合金板的渦陣列流傳感器[5]。付小強(qiáng)[6]等使用渦流陣列檢測(cè)方法對(duì)飛機(jī)蒙皮內(nèi)部出現(xiàn)埋藏缺陷的檢測(cè)問題進(jìn)行了研究，通過分析得出此方法的檢測(cè)效率是常規(guī)渦流檢測(cè)方法的10～100倍，在保持高分辨基礎(chǔ)上一次掃描能覆蓋區(qū)域大，并且不存在對(duì)某一走向缺陷和長裂紋不敏感的問題，對(duì)不同方向的線性缺陷具有一致的檢測(cè)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。

而現(xiàn)有的關(guān)于渦流對(duì)缺陷定量的研究也大部分都是通過測(cè)量頻域，最后經(jīng)一系列復(fù)雜的計(jì)算而得出缺陷的長度[7-9]，或者是通過測(cè)量波峰與波谷之間的距離而對(duì)裂紋進(jìn)行定量的[10]，或者是通過多種仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)的切換，最后在通過模型反演等手段來進(jìn)行缺陷定量[11]。這些都是非常復(fù)雜的定量方法，而本研究是模擬渦流檢測(cè)不同長度和深度的裂紋，研究其感應(yīng)電壓的空域波形寬度(對(duì)應(yīng)與感應(yīng)電壓C掃圖的波形寬度)與裂紋長度及深度的關(guān)系，進(jìn)而探究一種比較簡單直觀的對(duì)缺陷定量的方法。

1 裂紋仿真模型及渦流陣列探頭設(shè)置

1.1 仿真模型的設(shè)計(jì)

裂紋缺陷是鋁薄板的主要缺陷之一。用CIVA軟件在尺寸為380 mm×280 mm×4 mm的模擬試件上設(shè)置橫向和縱向的2個(gè)不同方向以及長度和深度也不同的裂紋缺陷，示意圖如圖1所示，缺陷參數(shù)見表1。裂紋走向與x軸平行時(shí)，則稱裂紋走向?yàn)闄M向；裂紋走向與x軸方向垂直時(shí)，裂紋走向則為縱向。橫向缺陷實(shí)驗(yàn)設(shè)置為兩組：第1組研究橫向缺陷長度與空域波形的關(guān)系，即缺陷寬度和深度均為0.2 mm，缺陷長度從2 mm到4 mm間隔0.5 mm遞增，缺陷序號(hào)為(1)～(5)；第2組研究缺陷深度與空域波形的關(guān)系，即缺陷長度和寬度不變，而缺陷深度從0.1 mm到0.5 mm間隔0.1 mm遞增，缺陷序號(hào)為(6)～(10)?？v向缺陷實(shí)驗(yàn)設(shè)置為兩組：第3組研究缺陷長度對(duì)空域波形的影響，缺陷參數(shù)設(shè)置與第1組相同，缺陷序號(hào)為(11)～(15)；第4組研究缺陷深度對(duì)空域波形的影響，缺陷參數(shù)設(shè)置與第2組相同，缺陷序號(hào)為(16)～(20)。

圖1 仿真試塊示意圖Fig.1 Schematic of simulation test block

1.2 渦流陣列探頭的設(shè)計(jì)

渦流陣列技術(shù)與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)相比，最大的特點(diǎn)是渦流陣列檢測(cè)設(shè)備的的探頭是由多個(gè)獨(dú)立工作的線圈構(gòu)成，這些線圈按照特殊的方式排布，且激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈之間形成兩種方向相互垂直的電磁場(chǎng)傳遞方式。這種特殊線圈排列方式，容易在一次掃查過程中發(fā)現(xiàn)走向不同的缺陷。

當(dāng)待檢測(cè)的工件的表面和近表面存在缺陷時(shí)，工件內(nèi)部的感生渦流將發(fā)生突變，導(dǎo)致渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也發(fā)生突變，使得線圈與線圈之間的互感作用相應(yīng)的也發(fā)生改變，因此可以根據(jù)檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化判斷線圈間的互感,進(jìn)而推斷被檢測(cè)工件是否存在缺陷等信息[12]。本研究采用2×8規(guī)模的渦流陣列檢測(cè)探頭，其中8個(gè)線圈作激勵(lì)線圈，另外8個(gè)線圈作檢測(cè)線圈。其中單個(gè)線圈內(nèi)徑0.5 mm，外徑1 mm，線圈高度1 mm，線圈匝數(shù)為100匝。圖2為探頭移動(dòng)軌跡及區(qū)域示意圖，圖中所對(duì)應(yīng)的掃描區(qū)域及路徑是兩組橫向缺陷的掃描區(qū)域和路徑，靠近探頭的一組是深度一定，長度不同的缺陷；距離探頭較遠(yuǎn)的一組缺陷為長度一定，深度不同的缺陷。

表1 裂紋缺陷設(shè)置 Table 1 Crack setting

圖2 探頭移動(dòng)軌跡及區(qū)域示意圖Fig.2 Layout of the track and the probe moving

2 裂紋長度定量檢測(cè)的仿真研究

2.1 橫向掃描實(shí)驗(yàn)研究

先考察橫向方向上的表面開口深度相同、裂紋長度逐漸增大的5個(gè)缺陷的渦流陣列探測(cè)情況。例如，取d=0.2 mm，并且以第一組為檢測(cè)對(duì)象。圖3a給出了激勵(lì)頻率f=500 kHz下渦流陣列在探測(cè)區(qū)域的C掃描圖。這是以偽彩色圖像顯示掃描區(qū)域的感應(yīng)電壓分布狀況，冷色調(diào)表示該處感應(yīng)電壓值小，暖色調(diào)則表示該處感應(yīng)電壓值大，C掃描圖可以直觀定性地反映缺陷位置。

圖3 同一深度不同長度的橫向裂紋渦流陣列檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Results of eddy current array test that the same depth and different length of the horizontal axis crack

在圖3a中可以看出，隨著裂紋長度的增加，缺陷處產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的水平區(qū)域在擴(kuò)大，這點(diǎn)也可用圖3b來佐證。圖3b是圖3a對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓空域波形圖。從圖3中可以看出，當(dāng)裂紋長度增大時(shí)，裂紋處的波形寬度也隨之增大。這種情況下的缺陷處的波形寬度和裂紋長度的數(shù)據(jù)關(guān)系參見表2，變化趨勢(shì)如圖4所示。

表2 深度相同長度不同的橫向裂紋處感應(yīng)電壓空域波形寬度和裂紋長度的數(shù)據(jù)關(guān)系

Table 2 Relationship of the same depth and different length of the horizontal axis crack with crack length mm

圖4 感應(yīng)電壓空域波形寬度隨裂紋長度變化關(guān)系

再考察橫向表面開口裂紋長度相同(如l=3 mm)、深度逐漸增大的5個(gè)缺陷，這組缺陷以第二組為檢測(cè)對(duì)象。圖5在f=500 kHz下這組裂紋的檢測(cè)結(jié)果，其中圖5a是C掃描圖。從左到右隨著裂紋深度的增加，缺陷處冷色調(diào)區(qū)域減小，暖色調(diào)區(qū)域增大，說明缺陷產(chǎn)生的感應(yīng)電壓強(qiáng)度增大，但缺陷信號(hào)的感應(yīng)區(qū)域范圍沒有明顯變化，這點(diǎn)同樣也可用圖5b來說明。圖5b是與C掃圖相對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓空域波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)裂紋深度增大時(shí)，裂紋處的波形寬度基本保持不變。這種情況下的缺陷處的波形寬度和裂紋深度的數(shù)據(jù)關(guān)系參見表3，由表中的數(shù)據(jù)可以得到不同深度的橫向裂紋處感應(yīng)電壓空域波形寬度隨裂紋深度變化關(guān)系(圖6)。由此表明裂紋處的波形寬度與裂紋深度無關(guān)。

通過以上分析可知，裂紋處的感應(yīng)電壓空域波形寬度與裂紋長度有關(guān)，而與裂紋深度無關(guān)。換而言之，波形寬度隱含裂紋長度信息，可以用波形寬度來度量裂紋長度。依據(jù)表2中l(wèi)和Δx的數(shù)據(jù)關(guān)系，采用線性擬合可得擬合式：

l=0.78x+4.84(1)

圖7是l和Δx的擬合曲線關(guān)系圖。根據(jù)式(1)，只要測(cè)得裂紋處的感應(yīng)電壓空域波形寬度Δx就可以定量算出裂紋長度l。對(duì)5個(gè)點(diǎn)空域波形進(jìn)行誤差分析，可以得到每一個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差如表4所示。

由表4的結(jié)果可以知道，誤差值都在5%以內(nèi)，其中裂紋長度為2.5 mm和3.5 mm處出現(xiàn)的誤差比較大，接近5%，這是由于波形寬度測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差，對(duì)于這種誤差可以通過多次測(cè)量求取平均值來消除。由于上述誤差分析得出誤差都比較小，因此，利用空域波形寬度測(cè)量橫向裂紋長度是可行的。

圖5 長度相同深度不同的橫向裂紋渦流陣列仿真結(jié)果Fig.5 Different depths of transverse crack eddy current array simulation results

表3 同深度的橫向裂紋處感應(yīng)電壓空域波形寬度和裂紋深度的數(shù)據(jù)關(guān)系

Table 3 Relations that the induced voltage airspace waveform width of transverse crack with depth of the crack mm

圖6 不同深度的橫向裂紋處感應(yīng)電壓空域波形寬度隨裂紋深度變化關(guān)系

2.2 縱向掃描實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)一步考慮裂紋走向?qū)α鸭y定量檢測(cè)的影響。考察豎直方向上的表面開口深度相同、裂紋長度逐漸增大的5個(gè)缺陷渦流陣列探測(cè)情況。取d=0.2 mm，以第三組為檢測(cè)對(duì)象。圖8給出了激勵(lì)頻率f=500 kHz下渦流陣列在探測(cè)豎直裂紋的C掃描圖及相應(yīng)的感應(yīng)電壓空域波形圖。圖9是在激勵(lì)頻率f=500 kHz下渦流陣列在探測(cè)不同深度縱向裂紋的C掃描圖及相應(yīng)的感應(yīng)電壓空域波形圖，此時(shí)的檢測(cè)對(duì)象是第四組。從圖9可以得出縱向裂紋的長度與感應(yīng)電壓空域波形寬度的關(guān)系如表5所示。

圖7 裂紋長度與感應(yīng)電壓空域波形寬度的擬合曲線關(guān)系圖

Cracklengthl/mmCountlengthofcrack/mmWaveformwidthΔx/mmAbsolutevalueerror/mmRelativevalueerror/%2.02.006.40.000.002.52.516.80.014.003.02.907.1-0.10-3.333.53.677.70.174.864.03.927.90.082.00

圖8 同一深度不同長度的縱向裂紋渦流陣列仿真結(jié)果Fig.8 Eddy array simulation results of same depth and different lengths longitudinal crack

圖9 同一長度不同深度的縱向裂紋渦流陣列仿真結(jié)果Fig.9 Eddy array simulation results of same lengths and different depth longitudinal crack

Table 5 Relationship between the induced voltage airspace waveform width of the longitudinal crack and length crack mm

由表5可以得出，與橫向裂紋檢測(cè)結(jié)果相比，空域波形寬度Δx變化比較小，這不利于裂紋的定量測(cè)量。顯然這時(shí)l和Δx不再滿足式(4)。為了消除裂紋走向?qū)α鸭y定量的影響，可以通過旋轉(zhuǎn)探測(cè)器或待測(cè)試件，使得裂紋走向與探測(cè)器檢測(cè)方向平行，即把非橫向缺陷旋轉(zhuǎn)為橫向缺陷。

3 結(jié)論

1)隨著橫向裂紋長度的增加，所對(duì)應(yīng)的空域波形的寬度也隨之增加，通過線性擬合，可得出橫向裂紋的長度與其空域波形存在線性關(guān)系，且相對(duì)誤差小，可用其表征橫向裂紋的長度；

2)相同長度的裂紋的空域波形寬度不隨深度的變化而變化，因此空域波形寬度不含深度信息，不能用空域波形表征裂紋寬度；

3)裂紋的走向?qū)沼虿ㄐ螌挾扔杏绊懀筛淖儝卟榉较蜻M(jìn)行掃查。

[1] Zilberstein V, Walrath K, Grundy D, et al. MWM eddy-current arrays for crack initiation and growth monitoring[J]. International Journal of Fatigue,2003,25(9):1147-1155.

[2] Goldfine N, Ziberstein V, Washabaugh A, et al. Eddy current sensor networks for aircraft fatigue monitoring[J]. Materials Evaluation,2003,61(7):1-15.

[3] Hartmann J, Felker J. Automated eddy current inspection on space shuttle hardware[R]. USA: NASA Marshall Space Flight Center,2008:1-25.

[4] 張東利,陳振茂,徐明龍,等. 渦流檢測(cè)超輕夾層?xùn)鸥癫牧系挠行訹J]. 無損檢測(cè),2008,30(1):407-411.

[5] 袁英民,程文,楊曉華. 在役飛機(jī)蒙皮夾層腐蝕渦流檢測(cè)[J]. 無損檢測(cè),2011,33(1):31-32.

[6] 付小強(qiáng),吳素君,張佳佳,等. 渦流陣列無損檢測(cè)技術(shù)在大飛機(jī)中的應(yīng)用[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2009(s1):84-88.

[7] 劉波. 渦流陣列無損檢測(cè)中裂紋參數(shù)估計(jì)和成像方法研究[D]. 長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011:53-142.

[8] 劉波,羅飛路,侯良潔. 渦流陣列檢測(cè)裂紋特征提取方法的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(3):654-659.

[9] 蔚道祥，陳定岳，薛盛龍，等. 接收線圈位置對(duì)脈沖渦流檢測(cè)靈敏度的影響[J]. 失效分析與預(yù)防，2015，10(2)：67-71.

[10]宋凱,劉堂先,李來平,等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片裂紋的陣列渦流檢測(cè)仿真研究[J]. 航空學(xué)報(bào),2014,35(8):2355-2363.

[11] 何永勃,邵雨果. 陣列渦流傳感器互感信息三維有限元仿真[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào),2010,28(1):29-32.

[12] 李國厚,黃平捷,陳佩華,等. 渦流檢測(cè)在鋼軌裂紋定量化評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2011,11(45):2038-2042.

Quantitative Simulation of Eddy Current Array Test Crack

GUO Yong-liang1，YUAN Li-hua2，DUAN Yi-xiong1

(1.CRRCZhuzhouElectricLocomotiveCo.,Ltd.,HunanZhuzhou412001,China;2.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

This is the simulation of eddy current array test sheet crack through CIVA software, waveform length information through airspace transverse cracking implied transverse crack length is calculated. The C scan diagram can directly reflect the qualitative defect location. Based on the space wave of the induced voltage, it was analyzed that the waveform width comprised the information of the crack length. The relationship between the crack length and the waveform width was established using the least squares method, and the crack length error between the calculation and the true was analyzed. The studing results showed that crack length relative to it corresponding space waveform width, it space waveform width inceasing with the length of crack adding; Longitudinal axis,s space waveform width do not increasing with the crack’s length adding, so information of crack depth without space waveform width;and last the change of crack width can not increasing the changing of the waveform space width.

CIVA；eddy current array；transverse cracks；airspace waveform

2016年12月1日

2017年1月13日

郭永良(1986年-)，男，碩士，主要從事無損檢測(cè)等方面研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.001

1673-6214(2017)01-0001-06