基于ACFM檢測(cè)技術(shù)的表面裂紋特征評(píng)價(jià)方法研究

王景林　任尚坤　張丹　張文君

摘要：交變電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)（alternating current filed measurement，ACFM）是利用電磁感應(yīng)原理，通過拾取缺陷處的磁場(chǎng)畸變信號(hào)，分析判斷缺陷信息的一種電磁無損檢測(cè)方法。ACFM檢測(cè)技術(shù)在探頭掃描方向與裂紋走向一致的情況下檢測(cè)效果最佳。但在實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)的金屬表面通常都有油漆層保護(hù)，并不知道裂紋走向。因此，該文重點(diǎn)研究裂紋長度、裂紋深度、探頭掃描方式、探頭起落波動(dòng)、探頭偏離裂紋的水平距離及探頭提離高度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的掃描模式，檢測(cè)信號(hào)具有不同的特征，可以從不同的模式特征對(duì)裂紋特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該研究成果可為表面裂紋的檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：交變電磁場(chǎng)檢測(cè);探頭掃描方式;裂紋走向;檢測(cè)與評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0040-07

0 引言

交變電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)（ACFM）是一種在渦流和漏磁檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無損檢測(cè)技術(shù)[1]。相比于渦流檢測(cè)，ACFM檢測(cè)發(fā)展較晚，其檢測(cè)原理是由激勵(lì)探頭在待測(cè)工件表面感應(yīng)出均勻交變電流，當(dāng)工件中無缺陷或者遠(yuǎn)離缺陷時(shí)，工件表面感應(yīng)電流均勻分布;當(dāng)感應(yīng)電流流經(jīng)缺陷區(qū)域時(shí)，電流從裂紋的兩邊和底部繞過，引起表面電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，檢測(cè)探頭采集缺陷上方電磁場(chǎng)畸變信息并處理分析，可獲得描述缺陷狀態(tài)的尺寸信息，其檢測(cè)原理如圖1[2]所示。

由ACFM檢測(cè)理論分析可知，缺陷部位的檢測(cè)磁場(chǎng)有3個(gè)方向的分量，其方向分別為：在表面內(nèi)與裂紋方向平行標(biāo)注為x方向，在表面內(nèi)與裂紋方向垂直標(biāo)注為y方向及與工件表面垂直標(biāo)注為z方向[3-4]。當(dāng)探頭掃查無缺陷工件表面時(shí)，其工件表面感應(yīng)電流平行于y方向均勻分布，B_y和B_z磁場(chǎng)分量為0[5]。當(dāng)探頭平行掃查工件表面裂紋時(shí)，探頭在剛進(jìn)入裂紋及離開裂紋的兩個(gè)位置，B_z分量上表現(xiàn)出一對(duì)極性相反的特征極值信號(hào)，同時(shí)在探頭進(jìn)入裂紋區(qū)域時(shí);B_x分量信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，呈現(xiàn)出一個(gè)寬凹陷區(qū)。由于B_y分量與感應(yīng)電流方向平行，因而變化微弱不予考慮，在檢測(cè)時(shí)，只對(duì)B_x和B_z進(jìn)行信號(hào)分析處理就可獲得描述裂紋狀態(tài)的尺寸信息，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的[6-7]。該項(xiàng)技術(shù)具有非接觸檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)金屬表面的油漆、涂層和雜質(zhì)無須清理或只做少量清理即可。對(duì)金屬表面和近表面的裂紋，可一次性定性和定量完成，檢測(cè)的精度高，且檢測(cè)速度快[8-9]。

目前ACFM檢測(cè)技術(shù)對(duì)于表面覆蓋有防腐涂層或絕緣層結(jié)構(gòu)的表面和近表面裂紋檢測(cè)是一重要的檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。由于結(jié)構(gòu)表面都覆蓋有防腐涂層或絕緣層，在未打磨前，事先并不清楚構(gòu)件內(nèi)部情況，且裂紋外形和電磁場(chǎng)信號(hào)是非線性關(guān)系[10]。檢測(cè)信號(hào)受裂紋長度、裂紋深度、探頭抖動(dòng)、提離高度和偏移距離等影響因素較多，因而，基于ACFM檢測(cè)技術(shù)的表面裂紋特征評(píng)價(jià)方法研究對(duì)缺陷評(píng)定及量化評(píng)估具有參考意義。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括探頭的設(shè)計(jì)，檢測(cè)信號(hào)的分析，信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的處理與分析，檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建框圖如圖2所示。

在探頭設(shè)計(jì)中，將激勵(lì)+檢測(cè)線圈兩者設(shè)計(jì)為一體，用于拾取B_x和B_z磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)線圈放置于纏繞線圈的U型磁芯下[11]。其中，激勵(lì)線圈骨架用錳鋅鐵氧體材料的U型磁芯，U型磁芯尺寸規(guī)格為：兩腳外徑45mm，內(nèi)徑33mm，高度25mm。采用0.67mm粗的紫銅漆包線在U型磁芯上繞制200匝[12-13]。檢測(cè)線圈骨架用錳鋅鐵氧體材料的圓柱形磁芯，磁芯直徑1mm。由于需要拾取B_x和B_z磁場(chǎng)分量，因此需要相互垂直的兩個(gè)檢測(cè)線圈。豎直線圈用于拾取B_z磁場(chǎng)分量，磁芯長度7.6mm，在磁芯上繞制400匝直徑為0.07mm的紫銅漆包線;水平線圈用于拾取B_x磁場(chǎng)分量，磁芯長度3mm，在磁芯上繞制200匝直徑為0.07mm的紫銅漆包線。探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

對(duì)檢測(cè)線圈拾取的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示。本文基于實(shí)驗(yàn)室自制的ACFM檢測(cè)儀及檢測(cè)界面進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，探頭應(yīng)盡量保持平穩(wěn)。

2 影響ACFM檢測(cè)信號(hào)和裂紋特征評(píng)價(jià)的相關(guān)因素分析

2.1 金屬表面裂紋長度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響

試驗(yàn)選取如圖4所示尺寸規(guī)格為600mm×150mm×10mm的45#鋼板試塊為研究對(duì)象，研究金屬表面裂紋長度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響。在45#鋼板表面中心線上利用電火花技術(shù)加工寬度和深度均為：0.5mm×3mm，長度分別為10，20，30，40，50mm的矩形凹形缺陷。

探頭沿著與裂紋平行的方向進(jìn)行掃查，將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理后通過MySql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，origin75軟件進(jìn)行繪圖，分析如圖5所示。B_x和B_z特征信號(hào)最大幅值與最小幅值之間的差值△B_x和ΔB_z隨裂紋長度變化如表1所示。

由表1可知，裂紋長度的變化對(duì)ΔB_x影響很小，而對(duì)ΔB_z的影響較大，說明裂紋長度的變化更適合由B_x來反演計(jì)算。從表中提取△B_z和裂紋長度的值，通過origin75軟件繪出長度變化與ΔB_z信號(hào)幅值的關(guān)系，如圖5（b）所示。裂紋長度變化與ΔB_z信號(hào)幅值的關(guān)系符合函數(shù)關(guān)系式（1），帶入表1數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到公式（2），由此可知在裂紋深度一定的條件下，探頭沿著與裂紋平行的方向進(jìn)行掃查時(shí)，可以通過△B_z信號(hào)幅值反演出裂紋長度的值。

y=bln（x-a）（1）

y=259.1ln（x-2）（2）

由圖5（a）可發(fā)現(xiàn)，隨著裂紋長度的逐漸增大，B_x由只有一個(gè)最低的波谷出現(xiàn)到有兩個(gè)波谷轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)殡S著裂紋長度的增大，感應(yīng)電流從裂紋中心底部繞過的電流相對(duì)增大，導(dǎo)致感應(yīng)電流在表面感應(yīng)磁場(chǎng)的水平分量增大。隨著裂紋長度的不斷加大，Bx的凹陷區(qū)域的寬度也不斷加大，與裂紋長度影響相對(duì)應(yīng)。

2.2 金屬表面裂紋深度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響

因ACFM檢測(cè)技術(shù)對(duì)于45#鋼板和304奧氏體不銹鋼等金屬材料的檢測(cè)原理一樣，在研究裂紋深度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)影響時(shí)，試驗(yàn)選取尺寸規(guī)格為600mm×200mm×6mm的304奧氏體不銹鋼試件為研究對(duì)象。在304奧氏體不銹鋼表面中心線上利用電火花技術(shù)加工長度和寬度均為30mm×0.5mm，深度分別為1，2，3，4，5mm的矩形凹槽裂紋。探頭沿著與裂紋平行的方向進(jìn)行掃查。B_x和B_z特征信號(hào)最大幅值與最小幅值之間的差值ΔB_x和ΔB_z與裂紋深度的關(guān)系如表2所示。

由表2可知，裂紋深度的變化對(duì)ΔB_x和ΔB_z檢測(cè)信號(hào)的影響非常明顯。從表中提取ΔB_x、ΔB_z與裂紋深度的值，通過origin75軟件繪出裂紋深度變化與ΔB_x和ΔB_z信號(hào)幅值的關(guān)系，如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，B_x和B_z信號(hào)曲線變化幅度隨著裂紋深度的加深而快速增大，但B_z檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度變化比B_x檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度變化大很多，這是因?yàn)锽_z方向產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)相比B_x方向產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)大。深度變化與ΔB_x，ΔB_z信號(hào)幅值的關(guān)系近似符合函數(shù)關(guān)系式（3），代入表2數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到深度變化與ΔB_x函數(shù)關(guān)系式（4），和深度變化與ΔB_z函數(shù)關(guān)系式（5）。由此可知，在探頭沿著與裂紋平行的方向進(jìn)行掃查時(shí)，可以通過ΔB_x和△B_z信號(hào)幅值反演出裂紋深度的值。

由圖6（a）可知，信號(hào)曲線波峰和波谷間的距離基本無變化，這是由于裂紋長度不變導(dǎo)致感應(yīng)電流聚集在同一位置引起，B_z的波峰與波谷各幅值之差ΔB_z與裂紋深度有關(guān)，裂紋越深，△B_z越大。

由2.1和2.2可知，B_x和B_z可以反映裂紋的長度信息，也可以反映裂紋的深度信息。利用B=信號(hào)對(duì)表面裂紋進(jìn)行評(píng)價(jià)具有更高的靈敏性。

2.3 探頭抖動(dòng)對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響

將檢測(cè)探頭水平放置在鋼板試件上，平穩(wěn)時(shí)檢測(cè)信號(hào)平穩(wěn)。如將探頭快速提取并放下，檢測(cè)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)如圖7所示信號(hào)曲線圖，這是由于探頭在提取并放下的過程中產(chǎn)生一快速磁場(chǎng)突變的過程。在檢測(cè)過程中，當(dāng)探頭不斷發(fā)生抖動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生特別多的突變信號(hào)，以奧氏體不銹鋼板為檢測(cè)對(duì)象，裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，檢測(cè)信號(hào)曲線圖如圖8所示。特征曲線中有很多微小突變信號(hào)，但B_x和B_z特征信號(hào)變化趨勢(shì)總體仍保持不變?？梢姡珹CFM檢測(cè)技術(shù)對(duì)于不平滑的待檢區(qū)域仍可進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，但要考慮校正探頭抖動(dòng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

2.4 提離高度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響

試驗(yàn)選取304奧氏體不銹鋼試件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，表面裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，研究提離高度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響。探頭沿著與裂紋平行的方向進(jìn)行掃描，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度受提離高度的影響較大，檢測(cè)信號(hào)如圖9（a）和9（b）所示。圖9（c）表示提離高度對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值的影響，其中橫坐標(biāo)表示的是探頭的提離高度，縱坐標(biāo)左右兩邊分別表示的是B_x和B_z特征信號(hào)最大幅值與最小幅值之間的差值△B_x和△B_z。由圖9（c）可知，探頭離檢測(cè)工件表面越高，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度越弱，在提離高度達(dá)到6mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)仍可達(dá)最大值的20%。這里定義B_z檢測(cè)信號(hào)最大值一半時(shí)的提離高度稱為有效提離高度，由試驗(yàn)結(jié)果可知：在裂紋深度為3mm左右時(shí)，探頭提離有效高度為3mm。

2.5 探頭與裂紋水平距離對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響

試驗(yàn)所選取的試驗(yàn)對(duì)象及探頭掃描方式和2.4相同，研究探頭距離裂紋水平距離對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響。檢測(cè)信號(hào)隨探頭與裂紋水平距離的分布特征曲線如圖10（a）和圖10（b）所示。檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度受探頭離裂紋水平距離的影響很大，影響規(guī)律如圖10（c）所示。圖10（c）橫坐標(biāo)表示的是探頭與裂紋水平距離，縱坐標(biāo)左右兩邊分別表示B_x和B_z特征信號(hào)最大幅值與最小幅值之間的差值ΔB_x和△B_z。由圖10（c）可知，隨著探頭與裂紋水平距離的增大，Bx和Bz特征信號(hào)幅值變化逐漸減小，在達(dá)到12mm時(shí)，ΔB_x和△B_z特征信號(hào)幅值約減到最大值的15%，隨著偏移距離的進(jìn)一步增加，檢測(cè)信號(hào)回到背景值。這里定義B_z檢測(cè)信號(hào)最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的探頭與裂紋水平距離稱為探頭檢測(cè)的有效偏移距離，由圖10（c）結(jié)果分析，在裂紋深度3mm左右時(shí)，探頭偏離裂紋水平距離的有效距離為6mm。說明探頭掃查裂紋時(shí)，一次檢測(cè)的有效寬度為6×2=12mm。

2.6 探頭掃描方向?qū)z測(cè)信號(hào)的影響

試驗(yàn)選取304奧氏體不銹鋼試塊為試驗(yàn)對(duì)象，裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，研究放置方位和掃描方向?qū)z測(cè)信號(hào)的影響。分別研究探頭6種模式掃查下的特征信號(hào)，掃查模式如圖11所示。其中M₁模式為探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描，檢測(cè)信號(hào)為ACFM信號(hào);M₂模式為兩腳連線方向垂直于裂紋方向，且探頭垂直于裂紋方向掃描，檢測(cè)信號(hào)為交流漏磁信號(hào);M₃模式為兩腳連線方向平行于掃描方向，且探頭與裂紋成45°方向掃描;M₄模式為兩腳連線方向平行于掃描方向，且探頭與裂紋成-45°方向掃描;M⁵模式為激勵(lì)探頭兩腳連線方向與裂紋方向垂直，且沿裂紋方向掃描;M₆模式為激勵(lì)探頭兩腳連線方向與裂紋方向平行，垂直于裂紋方向掃描，且探頭移動(dòng)路徑與裂紋保存一定的距離。M₃和M₄模式檢測(cè)信號(hào)為ACFM信號(hào)與漏磁信號(hào)之和。M₅模式檢測(cè)信號(hào)為交流漏磁信號(hào)，M₆模式為ACFM信號(hào)。

不銹鋼規(guī)格為600mm×200mm×6mm，分別在6種模式下對(duì)裂紋尺寸為30mm×3mm×0.5mm的裂紋試驗(yàn)，檢測(cè)信號(hào)特征如圖12（a）和圖12（b）所示。由圖12（a）和圖12（b）可知，在M1，MZ，M3，M₄模式下，B_x和B_z的特征信號(hào)符合一般的ACFM裂紋信號(hào)規(guī)律，但檢測(cè)信號(hào)幅值變化相差明顯。其中，M₁和M₂模式相當(dāng)于分別檢測(cè)的是縱向裂紋和橫向裂紋，在探頭進(jìn)行M₂掃查時(shí)，相當(dāng)于檢測(cè)的是長度更短的一段裂紋，所以檢測(cè)信號(hào)相比平行掃描時(shí)信號(hào)強(qiáng)度低[14]。而在M₃和M₄掃查模式過程中，根據(jù)2.5所研究的探頭離裂紋水平距離的影響分析可知，探頭同樣能感知其一定水平距離內(nèi)的感應(yīng)磁場(chǎng)，只是感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)水平掃描來說有所下降。

對(duì)于M₅模式，檢測(cè)試塊中的感應(yīng)電流是沿著裂紋方向流動(dòng)的，且裂紋寬度較窄，裂紋兩端電流擾動(dòng)較小[15]。在探頭進(jìn)入和離開試件表面裂紋時(shí)，信號(hào)變化都較小，僅B_y方向上的磁場(chǎng)變化更明顯一些，由于B_x和B_z上磁場(chǎng)變化很小，所以出現(xiàn)如圖12所示檢測(cè)信號(hào)微弱的特征[16]。

對(duì)于M₆模式，由檢測(cè)結(jié)果圖可知，B_x向下凹陷，而B_z向上凸起，B_x方向上的檢測(cè)信號(hào)較強(qiáng)。由于此種模式下掃描，相當(dāng)于檢測(cè)的是很短的一段裂紋長度，在探頭剛進(jìn)入缺陷時(shí)，B_z出現(xiàn)明顯的凸起特征信號(hào)，但裂紋長度太短，導(dǎo)致B_z上的信號(hào)來不及經(jīng)歷波谷就回到了背景值。

通過試驗(yàn)，研究了放置方位和掃描方向?qū)z測(cè)信號(hào)的影響。當(dāng)探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描模式時(shí)，檢測(cè)信號(hào)最強(qiáng)。在實(shí)際檢測(cè)過程時(shí)，因不知裂紋走向，因而當(dāng)檢測(cè)信號(hào)微弱時(shí)，不能定義此處無裂紋的產(chǎn)生，而需改變探頭掃描方向進(jìn)行來回的檢測(cè)，以達(dá)到裂紋的最大檢出率。

3 結(jié)束語

通過試驗(yàn)研究可知，裂紋長度、裂紋深度、探頭掃描方式、探頭起落波動(dòng)、探頭偏離裂紋的水平距離及探頭提離高度等因素的變化對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響較大。本文的試驗(yàn)研究對(duì)于金屬表面裂紋的評(píng)定及量化具有較重要的指導(dǎo)意義，由試驗(yàn)結(jié)果可知：

1）裂紋長度在10～50mm，深度在1～5mm范圍內(nèi)，裂紋長度和深度對(duì)ACFM檢測(cè)信號(hào)的影響較大。裂紋深度一定，隨著裂紋長度增大，檢測(cè)信號(hào)的幅值變化幅度不斷增大，可通過△B_z反演出裂紋長度;裂紋長度一定，隨著裂紋深度的加深，檢測(cè)信號(hào)的幅值變化也不斷增大，△B_x和△B_z都可以用來反演裂紋深度的信息。

2）在掃描過程中，探頭的抖動(dòng)對(duì)Bx，B=檢測(cè)信號(hào)影響較明顯，但檢測(cè)特征信號(hào)的總體趨勢(shì)仍符合ACFM法特征信號(hào)一般變化規(guī)律。

3）探頭的提離高度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響較大，對(duì)于深度為3mm左右深的裂紋，其提離有效高度為3mm，探頭偏離有效距離為6mm。

4）掃描方式的不同將會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大的變化。對(duì)于平行，垂直和與裂紋成一定角度的掃描模式下，特征信號(hào)的變化規(guī)律符合ACFM法特征信號(hào)變化一般規(guī)律。其中探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描模式下檢測(cè)效果最佳。而在探頭兩腳連線方向與裂紋方向垂直，且沿裂紋方向掃描模式下基本無檢測(cè)信號(hào)，在探頭兩腳連線方向與裂紋方向平行，且垂直于裂紋方向掃描模式下特征信號(hào)存在凹陷與凸起的變化。

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