基于ACFM焊縫體積型和簇群型缺陷檢測(cè)仿真分析

周兆明，張露露，楊克龍

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 成都 621709)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(Alternating Current Field Measurement，ACFM)由交變電壓降技術(shù)(Alternating Current Potential Difference，ACPD)發(fā)展而來，ACFM是使檢測(cè)工件感應(yīng)均勻電流，當(dāng)工件完好時(shí)，垂直工件方向磁場(chǎng)分量為零. 若有裂縫存在，工件表面磁場(chǎng)便會(huì)產(chǎn)生變異，檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地將裂縫之正確位置，長度及深度顯示出來[1]. 因此ACFM是電磁場(chǎng)的定量分析,可測(cè)量裂縫的深度及長度，從而實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)和評(píng)定[2]，檢測(cè)原理如圖 1 所示. ACFM能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷損傷程度的評(píng)估以及對(duì)缺陷的定量識(shí)別，具有非接觸檢測(cè)、定性定量檢測(cè)、無需校準(zhǔn)的特性[3]. 使得檢測(cè)操作簡(jiǎn)單靈活、工件表面清潔度要求低、可自動(dòng)或手動(dòng)檢測(cè)簡(jiǎn)單和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、適用性廣. 目前被廣泛應(yīng)用于鐵路探傷[4]，海洋鉆井平臺(tái)安全檢測(cè)[5]和機(jī)械平臺(tái)的檢測(cè)[6]，此外，還有關(guān)于利用ACFM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究[7]，同時(shí)在航空航天領(lǐng)域和電力行業(yè)等的檢測(cè)應(yīng)用都有很大的發(fā)展前景[8].

圖 1 ACFM原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ACFM

目前ACFM技術(shù)研究大部分都建立在缺陷檢測(cè)的仿真模型計(jì)算分析基礎(chǔ)上，即通過模型，利用有限元分析方法計(jì)算獲得電磁場(chǎng)信號(hào)，根據(jù)信號(hào)特征體現(xiàn)出來的缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確度和靈敏度來研究ACFM檢測(cè)的可行性和優(yōu)越性[9,10]，或者研究優(yōu)化缺陷檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)[11]. 已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)是基于ACFM檢測(cè)原理和電磁場(chǎng)信號(hào)特性做不同參數(shù)的檢測(cè)模型研究，得出了激勵(lì)探頭參數(shù)分別對(duì)缺陷檢測(cè)的影響規(guī)律變化[12]，但這些研究中沒有考慮過針對(duì)缺陷形狀的定量檢測(cè)及在缺陷簇群情況下缺陷檢測(cè)信號(hào)特征的影響，即對(duì)ACFM檢測(cè)的更廣泛的適用性還沒有系統(tǒng)研究. 因此本文借助了基于有限元法的ANSYS Maxwell 3D電磁場(chǎng)仿真軟件來建立仿真模型，針對(duì)缺陷形狀和缺陷簇群變量建立了不同的ACFM缺陷檢測(cè)適用性研究模型，研究這些因素對(duì)ACFM檢測(cè)缺陷正確度及靈敏度的影響，得出這些因素在缺陷檢測(cè)過程中與缺陷之間的定性、定量關(guān)系，為ACFM實(shí)際缺陷檢測(cè)和探傷工作提供數(shù)據(jù)參考.

1 缺陷檢測(cè)仿真模型

根據(jù)ACFM原理可以得到：若使用交變電磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，工件表面必須形成均勻分布的電流[12]. 傳統(tǒng)的U型線圈滿足多磁路少漏磁的檢測(cè)要求，設(shè)置適當(dāng)尺寸能夠使工件表面產(chǎn)生均勻電流[13]，故采用各截面為矩形的U型繞組線圈作為激勵(lì)線圈. 由于檢測(cè)焊縫缺陷的主要形式為裂紋，而在有限元法分析中裂紋的簡(jiǎn)化模型一般為半橢圓形，所以初設(shè)的缺陷模型為半橢圓形，并在模型中設(shè)定焊縫區(qū)域的材料與工件材料相同，即假定缺陷附近區(qū)域?yàn)楹缚p，缺陷內(nèi)填充空氣. 以缺陷上表面的中間位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，模型圖中的3條坐標(biāo)線對(duì)應(yīng)三維空間上的X軸、Y軸和Z軸，有限元三維模型如圖 2 所示. 模型包括矩形激勵(lì)線圈、U形磁芯和待測(cè)工件，待測(cè)工件中建立尺寸為16 mm×0.4 mm×6 mm(長×寬×深)的半橢圓形缺陷.

圖 2 有限元模型Fig.2 Finite element model

其中，工件材料設(shè)定為鋁合金，激勵(lì)線圈材料為銅，并且其線圈覆蓋長度為40 mm. 磁芯底面距離缺陷工件表面3 mm，裂紋位于U型激勵(lì)線圈的正下方形成對(duì)稱分布. 考慮電磁場(chǎng)在空氣中的衰減，在模型外圍設(shè)置邊界，施加的邊界條件為自然邊界條件，這部分區(qū)域設(shè)置為空氣層. 具體數(shù)據(jù)如表 1 所示.

表 1 模型參數(shù)表

圖 3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid division

在Maxwell 3D渦流場(chǎng)中，在XZ面中切割出橫截面，其電流方向垂直于缺陷長度方向，刪去多余的面，只留一個(gè)面用以添加電流源激勵(lì). 施加的總電流峰值為60 A，初始相位為0°，繞組類型選擇絞線型繞組. 求解條件進(jìn)行設(shè)置，正弦激勵(lì)源的頻率設(shè)為3 kHz，非線性殘差設(shè)定為默認(rèn)值0.000 1，其余項(xiàng)也設(shè)置為默認(rèn). 在模型中缺陷附近區(qū)域精分了網(wǎng)格，在其他地方所劃分的網(wǎng)格的尺寸相對(duì)較大. 這樣，既提高了計(jì)算精度，保證了結(jié)果的可靠性，也相對(duì)減少了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，提高了計(jì)算效率. 網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 3 所示.

2 仿真結(jié)果與分析

通過ANSYS Maxwell 3D電磁場(chǎng)仿真模塊進(jìn)行計(jì)算分析，得到被測(cè)工件表面電流矢量以及感應(yīng)磁場(chǎng)的分布情況，如圖 4 所示. 從圖4(a)中可觀察到：大部分感應(yīng)電流都聚集在工件表面，在無缺陷區(qū)域產(chǎn)生了均勻的電流，缺陷工件表面的感應(yīng)電流分布情況完全符合電磁感應(yīng)現(xiàn)象； 從圖4(b) 中缺陷周圍磁場(chǎng)變化情況來看，缺陷兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度也明顯大于周圍，并且中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，符合了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理論分析結(jié)果.

通過Maxwell 3D中的后處理操作，選取離工件表面1 mm，由缺陷中心向X軸正反方向各延伸 20 mm的檢測(cè)路徑，提取該檢測(cè)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度在X方向和Y方向分量Bx和Bz變化曲線，將兩分量合成蝶形圖，結(jié)果如圖 5 所示. 通過圖 5(a)和圖5(b)與ACFM原理中的Bx，Bz變化曲線圖相對(duì)比，可知其基本符合缺陷周圍Bx，Bz信號(hào)值的變化規(guī)律，分量Bx圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距很明顯地表現(xiàn)了缺陷的位置和缺陷的尺寸. 蝶形圖是以Bz為橫坐標(biāo)，以Bx為縱坐標(biāo)繪制出來的，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷有無的判斷，降低對(duì)缺陷錯(cuò)判的幾率，排除偽缺陷產(chǎn)生的干擾. 從圖5(c)看到：合成的蝴蝶圖能夠很好地閉合，可以實(shí)現(xiàn)ACFM對(duì)缺陷的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度. 以上仿真的特征曲線結(jié)果符合ACFM原理的理論分析結(jié)果，說明本次建立的仿真模型合理[14].

圖 4 工件表面電磁場(chǎng)分布情況 (電流密度J,A/m2)Fig.4 The electromagnetic field distribution of workpiece surface (electrical current density, J,A/m2)

圖 5 模型仿真結(jié)果特征曲線圖(磁感應(yīng)強(qiáng)度B,T)Fig.5 Model simulation results feature curve diagram (magnetic induction intensity B,T)

2.1 體積型缺陷的仿真分析

初始模型將裂紋缺陷簡(jiǎn)化為半橢圓形，然而實(shí)際檢測(cè)中存在需要檢測(cè)不同缺陷的情況，如存在一些體積型缺陷，為此探究ACFM對(duì)各類不同形狀缺陷檢測(cè)的能力極其重要. 以初設(shè)模型為基準(zhǔn)，設(shè)立了3種典型形狀的體積型缺陷——長方體缺陷、橢圓形缺陷和圓柱體缺陷，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析. 其中，長方體形缺陷有長度、寬度和深度3個(gè)參數(shù)確定，分別與X,Y,Z方向尺寸對(duì)應(yīng)； 橢圓形缺陷由長軸、短軸和深度決定，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)坐標(biāo)值； 圓孔形缺陷由直徑和深度確定，即X與Y確定為直徑，Z為深度. 3種不同形狀的缺陷示意圖如圖 6，缺陷相關(guān)參數(shù)尺寸如表 2 所示.

表 2 缺陷尺寸參數(shù)表

通過軟件對(duì)以上缺陷檢測(cè)的模型進(jìn)行仿真和計(jì)算，分析研究得出磁感應(yīng)信號(hào)分量Bx,Bz的特征分布曲線，如圖 7 所示. 利用磁感應(yīng)密度分量Bz的波峰波谷分布可以體現(xiàn)缺陷位置和尺寸的特點(diǎn)，分析Bz隨參數(shù)變化的特征值情況. 以檢測(cè)到的峰谷間距離L對(duì)比模型初設(shè)缺陷X方向的尺寸x，得到相對(duì)誤差δ. 為了提高ACFM技術(shù)的精度和可靠性，本次設(shè)計(jì)沿用了國外方法，用靈敏度來檢測(cè)裂紋的準(zhǔn)確度，其中Bx信號(hào)的靈敏度Sx定義為：缺陷處Bx信號(hào)的波谷深度(Bx0～Bxmin)與無缺陷處Bx信號(hào)的幅值Bx0的比值；Bz信號(hào)的靈敏度Sz定義為：Bz信號(hào)在有缺陷處的最大值Bzmax與無缺陷處Bx信號(hào)的幅值Bx0的比值. 各示意參數(shù)如圖 8 所示. 以相對(duì)誤差&和Bz，Bz檢測(cè)的靈敏度Sx,Sz來判定激勵(lì)線圈結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)缺陷檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度的影響，結(jié)果如表 3 所示.

圖 6 不同形狀缺陷示意圖Fig.6 Schematic diagram of different shape defects

圖 7 3種缺陷模型的仿真檢測(cè)結(jié)果圖(磁感應(yīng)強(qiáng)度B,T)Fig.7 Three simulation test result diagram of defect model(magnetic induction intensity B,T)

圖 8 靈敏度各參數(shù)示意圖(磁感應(yīng)強(qiáng)度B,T)Fig.8 Schematic diagram of the sensitivity parameters(magnetic induction intensity B,T)

在圖 7 中，所有Bx曲線圖都存在明顯的凹陷，曲線兩側(cè)逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定磁場(chǎng)強(qiáng)度值，根據(jù)理論計(jì)算便能夠得到缺陷的深度情況. 所有Bz圖中，缺陷位置的兩端都出現(xiàn)尖銳的波峰波谷，其位置和間距都與缺陷的位置和長度相對(duì)應(yīng)，可以得到缺陷信息.

由表 3 可以得到：長方體缺陷、橢圓形缺陷和圓柱形缺陷檢測(cè)的相對(duì)誤差相差不大，但靈敏度存在不同趨勢(shì)； 長方體缺陷的檢測(cè)誤差最小，橢圓形缺陷相對(duì)于長方體缺陷，其檢測(cè)的誤差更大，分析是由其兩端過于狹窄，使得工件表面上的感應(yīng)電流在缺陷兩端偏轉(zhuǎn)不明顯，甚至直接流過不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致感應(yīng)磁場(chǎng)分布的波峰波谷間距比實(shí)際尺寸更小. 兩者的兩個(gè)方向上的感應(yīng)磁場(chǎng)相差不大，是由于兩者的空間形狀是接近的； 圓柱體缺陷相對(duì)于長方體缺陷，其檢測(cè)的誤差更大，分析是由于圓柱形缺陷在感應(yīng)電流流過時(shí)，由于圓截面弧度的影響，使得電流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)得多，使得感應(yīng)磁場(chǎng)波峰波谷間距變大； 與前兩者比較，圓柱形缺陷的檢測(cè)靈敏度較小，這是由于該空間缺陷形狀在檢測(cè)表面的磁場(chǎng)變化很弱，使其不如長方形缺陷和橢圓形缺陷檢測(cè)的靈敏度高.

從以上幾種缺陷的仿真分析可知：ACFM對(duì)于各類缺陷的檢測(cè)都有較好的效果，雖然都存在一定的誤差，但都在允許范圍之內(nèi). 通過曲線識(shí)別能定性描述缺陷的尺寸和缺陷形狀的大概輪廓； 通過對(duì)多種缺陷形狀信號(hào)特征庫的建立和分析，可以實(shí)現(xiàn)缺陷形狀的描述. 這說明ACFM對(duì)不同形狀體積型缺陷能很好地識(shí)別.

2.2 缺陷簇群的仿真分析

在實(shí)際測(cè)量中，待測(cè)工件中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)缺陷存在的缺陷簇群. 建立不同缺陷間距的缺陷簇群進(jìn)行仿真分析，研究ACFM對(duì)缺陷簇群檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度. 設(shè)定3個(gè)缺陷簇群，每個(gè)缺陷簇群中有5個(gè)缺陷，按長度走向排列在X方向上，其缺陷間的間距分別為0.1 mm, 0.5 mm和3 mm，每個(gè)缺陷都設(shè)定為長3 mm，深4 mm，寬0.15 mm 的橢圓形缺陷，通過仿真計(jì)算得到的特征曲線如圖 9 所示.

從圖 9(a) 中可知：當(dāng)缺陷簇中的缺陷間距為0.1 mm時(shí)，通過其Bx,Bz特征信號(hào)曲線所得出的結(jié)論為該處存在一個(gè)長度約為15 mm的缺陷，而不是實(shí)際存在的5個(gè)缺陷，即ACFM很難識(shí)別過小的間距； 在圖9(b)中，當(dāng)缺陷間距為0.5 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的Bz曲線中，有比較明顯的5個(gè)波峰波谷，在Bx曲線中也出現(xiàn)了5個(gè)凹陷區(qū)，二者都表明了該處存在5個(gè)缺陷. 但在Bz曲線中，其5個(gè)峰谷之間的間距并不相當(dāng)，即雖然在此缺陷間距下能夠識(shí)別出缺陷的個(gè)數(shù)，但不能對(duì)其進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量分析； 在圖9(c)中，將缺陷間距取3 mm，此時(shí)缺陷簇群的Bx,Bz變化曲線雖然能夠判斷出缺陷的個(gè)數(shù)，變化的幅值進(jìn)一步增加，但其依然不能對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量識(shí)別. 由此得出：在一個(gè)缺陷間距較小的缺陷簇群中，ACFM雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其中缺陷個(gè)數(shù)的識(shí)別，但很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷尺寸的識(shí)別，只有當(dāng)缺陷之間的距離足夠大時(shí)，ACFM才能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量識(shí)別，但是仍然存在著尺寸檢測(cè)的誤差.

3 結(jié) 論

本文利用ANSYS Maxwell 3D電磁場(chǎng)仿真模塊，建立了U形激勵(lì)探頭電磁檢測(cè)仿真模型； 針對(duì)缺陷形狀變量和缺陷簇群變量建立了不同的缺陷檢測(cè)模型，對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的適用性進(jìn)行了探討，從而得出結(jié)論：ACFM技術(shù)檢測(cè)對(duì)于長方體、橢圓形和圓柱體等體積型缺陷的檢測(cè)都有較好的效果，存在一定的誤差，特別是對(duì)長方體缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確度最高,對(duì)橢圓形的檢測(cè)靈敏度最高，ACFM很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷尺寸的定量識(shí)別，但缺陷的形狀識(shí)別較難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行后處理. ACFM雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其中缺陷個(gè)數(shù)的識(shí)別，但當(dāng)缺陷間隔距離很短時(shí)，很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的尺寸的識(shí)別，只有當(dāng)缺陷之間的距離足夠大時(shí)，才能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷尺寸的定量識(shí)別，但是仍然存在著尺寸檢測(cè)的誤差.