基于磁導率的焊縫裂紋檢測傳感器的設計研究

任尚坤，任仙芝，劉 威

(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌 330063)

0 引言

鐵磁表面裂紋的檢測(特別是焊縫區(qū)附近的應力裂紋或疲勞裂紋)是當前工業(yè)安全生產領域面臨的重大技術問題。在現代工業(yè)中，鐵磁材料廣泛應用于電力、航空、航天、鐵路、壓力容器、石油管道等行業(yè)[1]。通常在應力集中或疲勞損傷區(qū)域出現應力腐蝕裂紋、疲勞斷裂等現象，造成事故[2]。特別是鐵磁構件表面往往存在防腐層、油漆層、腐蝕層和污染雜質層，表面裂紋不容易被發(fā)現。因此在對構件進行無損檢測時，研究能不需要清理表面，就可快速、方便、準確、早期地檢測出裂紋區(qū)域，對預防構件斷裂事故具有重要意義[3]。

目前對鐵磁試件進行早期檢測和評價的方法有金屬磁記憶檢測法[4]、脈沖電磁法[6]、巴克豪森效應檢測法[7]、聲發(fā)射檢測法[8]等，但從檢測可靠性、檢測分辨率和實際效果來看都存在各自的局限性，不足以解決當前工業(yè)所面臨的新問題，有待進一步研究新的檢測方法，提高檢測靈敏度和測量精度。磁導率檢測技術是利用電磁感應原理、基于磁導率的變化對材料的微觀結構變化進行分析的一種技術，是可對導致磁導率變化的各種因素進行檢測的一種方法[9]。該方法可以提前預測鐵磁材料應力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度[10]。但到目前為止，基于磁導率檢測技術對裂紋特征的檢測研究還很少見報道。本文研究基于磁導率檢測技術對鐵磁構件表面裂紋檢測的可行性。設計出新的磁導率檢測傳感器，實現對鐵磁構件表面裂紋的特征檢測。

1 檢測試驗

1.1 檢測傳感器的設計

傳感器磁芯材料設計為“M”形錳-鋅鐵氧體磁芯。由于錳-鋅鐵氧體材料電阻大且磁導率高，用作為纏繞線圈的導磁介質。每個檢測線圈和激勵線圈匝數均為100匝。磁芯磁性參數和尺寸規(guī)格見表1和表2。

表1 傳感器磁芯磁學參數

表2 傳感器磁芯規(guī)格參數

圖1為“M”形傳感器鐵氧體骨架結構圖，每一部分尺寸分別表示為A、B、C、D、E、F、G。尺寸大小見表2。

圖1 “M”形傳感器鐵氧體骨架結構圖

圖2 “M”形探頭檢測原理

1.2 傳感器檢測原理

(1)

(2)

式中：Rm1為參考磁回路中磁軛部分的磁阻，與檢測磁回路中磁軛部分的磁阻相同；Rm2為參考磁回路中對應待檢構件參考區(qū)部分的磁阻；c2為常數。

(3)

(4)

式中：Rm3為檢測磁回路中對應待檢構件裂紋區(qū)部分的磁阻；c1為常數。

結合兩磁路，c1+c2=1，c2/c1=(Rm3+Rm1)/(Rm2+Rm1)，可聯(lián)合求解得：

c1=(Rm1+Rm2)/(2Rm1+Rm2+Rm3)，

c2=(Rm3+Rm1)/(2Rm1+Rm2+Rm3)

可得參考感應信號和檢測感應信號:

(5)

(6)

(7)

設由于裂紋等磁性不均勻的影響，檢測區(qū)的磁阻變化量為Δ，Rm3-Rm2=Δ，設Δ遠小于Rm3或Rm2，Rm3≈Rm2，由式(7)得:

(8)

(9)

設傳感器磁軛的磁阻遠小于待測區(qū)域的磁阻，即Rm1<

(10)

式(10)表明，裂紋區(qū)和參考區(qū)的磁阻之差的相對值的2倍近似等于兩區(qū)域檢測信號差值的相對值?？梢姡梢酝ㄟ^輸出差值信號的檢測判定待檢區(qū)域磁阻的變化，進而判定表面裂紋的特征。

磁路的磁阻與磁導率有關，隨磁導率的增加而減少，可以通過測定磁阻的變化，判定磁導率的變化狀況，進而判定引起磁導率變化的裂紋狀況。當檢測區(qū)磁回路中不含有裂紋時，兩檢測探頭的檢測信號相同，差值為零；當其中一邊磁回路磁阻因裂紋產生變化時，差值輸出信號不為零，從而實現對裂紋的檢測。實際上，對鋼板無缺陷區(qū)域檢測，兩磁回路輸出信號并非完全抵消，定義為噪聲，是由兩磁回路的非理想對稱引起的。

1.3 檢測系統(tǒng)的結構

設計檢測系統(tǒng)的結構如圖3所示，試驗平臺主要由檢測線圈、激勵線圈、激勵源、信號放大電路和調理電路、INSTEK臺式萬用表搭建而成。激勵線圈纏繞在磁芯中心磁極上，檢測線圈分別纏繞在磁芯對稱的兩端磁極上。激勵信號采用正弦交流的形式，激勵頻率為350 Hz。探頭檢測線圈和激勵線圈匝數均為100匝，激勵電壓40 mV，通過進一步功率放大可滿足試驗要求。

圖3 試驗檢測系統(tǒng)結構

2 試驗結果分析與討論

2.1 裂紋與檢測信號關系的試驗分析

圖4表示規(guī)格為150 mm×10 mm×570 mm的45#鋼板，等間距(70 mm)刻有長度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的5條矩形槽人工裂紋，裂紋深度都為3 mm，裂紋寬度都為0.5 mm。

圖4 待檢45#鋼板試件示意圖

檢測信號與裂紋的關系如圖5所示。對3 mm深、長度在20 mm以上的裂紋時，檢測信號的幅值隨裂紋長度的減小而減小，但變化較??；當裂紋長度小于20mm時，檢測信號的幅值隨裂紋長度的減小迅速減小。可見，磁導率檢測技術可以實現對表面裂紋的特征檢測。檢測信號峰值的半寬度與裂紋長度近似相等，可以依據信號峰值半寬度對裂紋長度進行定量分析。

圖5 鋼板試件檢測信號的空間分布規(guī)律

2.2 裂紋尺寸對檢測信號的影響

圖6表示在裂紋長度分別取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm時檢測信號隨裂紋深度D的變化關系。 圖7表示在裂紋深度分別取1 mm、2 mm、3 mm、5 mm時檢測信號隨裂紋長度L的變化關系。

圖6 檢測信號隨裂紋深度D的變化關系

圖7 檢測信號隨裂紋長度L的變化關系

圖6表明，裂紋深度與檢測信號的幅值有關，缺陷深度在1 mm左右時，檢測信號較小，受待檢試件表面噪聲的影響較大；當缺陷深度大于1 mm時，裂紋信號隨裂紋深度的增加而增加；圖7表明，裂紋長度與檢測信號的幅值有關，裂紋長度小于10 mm時，檢測信號較小，受待檢試件表面噪聲的影響較大；當裂紋長度大于10 mm時，信號隨裂紋長度的增加而增加。研究結果表明，檢測信號是裂紋深度和長度的二元函數，在確定的長度時，可判定裂紋的深度，在確定的裂紋深度時，可判定裂紋的長度。

2.3 掃查偏移量對檢測信號的影響

在檢測過程中，檢測掃查線往往偏離裂紋中心線。設待檢試件為刻有人工裂紋深度為3mm的45#鋼板，將探頭檢測端緊貼在裂紋中心線附近，沿偏離裂紋距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的檢測線做掃查檢測，每4 mm測一個數據點，繪制不同偏移量對應的掃查結果曲線。圖8表示對裂紋深度為3 mm試件檢測時檢測信號的空間分布，表示了檢測偏移距離對檢測信號的影響。

圖8 檢測信號的空間分布與掃查偏移量的關系

圖8表明，檢測掃查線與裂紋中心線左右各偏移4 mm時，檢測信號變化很小，說明裂紋只要處在傳感器的檢測區(qū)就不影響檢測的靈敏度。隨著偏移距離的進一步增加，檢測信號峰值迅速下降。掃描檢測的有效范圍可以達到10 mm。

2.4 剩磁對檢測信號的影響

待檢構件由于應力集中和地磁場的磁化或周圍其他環(huán)境磁場的影響，往往被磁化，具有明顯的剩磁現象。對剩磁對檢測信號的影響進行了研究。檢測對象為裂紋深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、5 mm的4塊鋼板試件，檢測前分別做磁化處理和退磁處理。對磁化試件退磁前后的兩種情況進行試驗檢測。在檢測時，移動探頭使探頭檢測端沿著鋼板中心線位置進行掃查檢測，以鋼板兩端±30 mm處為信號起始和截止位置(忽略鋼板邊緣效應的影響)。每移動4 mm記錄一個值，然后將所測得的數據導入到Origin中處理。磁化試件在退磁前后兩種情況下試件檢測信號的空間分布基本相同，如圖9所示。

圖9 磁化試件退磁前后檢測信號的空間分布

圖9表示磁化試件在退磁前后兩種情況下試件檢測信號相同，說明鋼板表面的剩磁對檢測靈敏度和檢出率的影響可以忽略。

3 結論

磁導率檢測技術是基于磁導率的變化對導致磁導率變化的各種因素進行檢測的一種方法。通過研究可得出如下結論：

(1) 對設計的探頭，理論分析表明裂紋區(qū)和參考區(qū)的磁阻之差的相對值的2倍近似等于兩區(qū)域檢測信號差值的相對值，可以通過輸出差值信號的特征判定待檢區(qū)域磁阻的變化，進而判定表面裂紋的特征。

(2)以45#鋼的人工裂紋為研究對象，設計一新的“M”形磁導率檢測傳感器，采用感應信號差分輸出的方法，實現了對鐵磁構件表面裂紋的特征檢測。檢測信號峰值的半高寬度與裂紋長度近似相等。

(3)通過對裂紋特征的檢測信號分析，可以通過信號特征對裂紋進行定量分析。通過信號的半高寬可判定裂紋的長度，依據裂紋長度和信號幅值可判定裂紋的深度。

(4)該檢測方法對待檢構件的磁化狀態(tài)和檢測掃描偏移不敏感，基本不影響檢測靈敏度。