不銹鋼焊縫的渦流正交探頭檢測試驗

馬冰洋，黃桂林，楊澤榕

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519000)

不銹鋼具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于承壓設(shè)備領(lǐng)域。不銹鋼在焊接過程以及使用過程中產(chǎn)生的缺陷嚴(yán)重威脅著特種設(shè)備的安全運行。目前，不銹鋼承壓設(shè)備的定期檢驗通常采用射線檢測和滲透檢測法，射線檢測用于發(fā)現(xiàn)不銹鋼的埋藏缺陷，滲透檢測用于發(fā)現(xiàn)不銹鋼的表面開口缺陷，不銹鋼表面打磨情況的好壞直接影響著缺陷的檢出。

渦流檢測技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)工件表面與近表面缺陷的檢測，具有較高的檢測靈敏度[1]，其在不銹鋼等金屬材料表面缺陷的檢測中應(yīng)用較多，可用于含油漆層、絕緣層、不銹鋼堆焊層等金屬材料的檢測，以及有限小空間位置的檢測[1-2]，同時對高溫對象也具有較好的檢測效果。然而，常規(guī)的渦流檢測探頭對工件的表面粗糙度具有較高的要求，所以對焊縫類型的檢測對象進(jìn)行渦流檢測時，焊縫表面的焊道以及凹凸不平等產(chǎn)生的噪聲信號干擾正常缺陷的檢出[3]。因此，需要研制對焊縫等表面凹凸不平不敏感的渦流探頭，近年來不少學(xué)者開展了有關(guān)焊縫傳感器的研究，以期能夠?qū)缚p渦流檢測的效果有所改善。筆者以304不銹鋼焊縫為研究對象，通過自制正交焊縫檢測探頭開展檢測試驗，并對其特性進(jìn)行研究，以供同行交流。

1 正交探頭檢測原理

2004年市場上出現(xiàn)了一種特殊的電磁擾動探頭，該探頭可連接常規(guī)的渦流檢測儀，并能夠抑制提離效應(yīng)和其他噪聲。其對提離方向不敏感，采用兩個正交布置的激勵線圈和檢測單元，激勵線圈平行于被檢測表面，檢測單元置于激勵線圈的上方，用于感應(yīng)激勵線圈的磁場變化。當(dāng)激勵線圈相對檢測線圈尺寸足夠大時(相對于小尺寸的感應(yīng)線圈)，感應(yīng)電流可近似視為沿單一方向直線流動，感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致，感應(yīng)線圈法線方向平行于電流流動方向。當(dāng)工件中無缺陷時，穿過兩個感應(yīng)線圈的磁通量最少；當(dāng)因缺陷存在引起電流擾動而導(dǎo)致磁通變化時，即使是微弱的變化，感應(yīng)線圈也能很靈敏地測出，且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小，對裂紋及其他表面材料不連續(xù)性的缺陷檢出最有效。正交線圈探頭對磁導(dǎo)率的緩慢變化也不敏感，因此可同時檢測鐵磁性材料和非鐵磁性材料[4-5]。電流擾動磁敏探頭檢測原理示意如圖1所示。

圖1 電流擾動磁敏探頭檢測原理示意

2 焊縫的正交檢測探頭檢測

采用兩個矩形線圈兩兩正交，構(gòu)成正交檢測探頭，具有較小的檢測接觸面，可以根據(jù)需要將檢測端部設(shè)置為弧面。將探頭與常規(guī)渦流檢測儀連接，探頭檢測面為兩線圈十字交叉所在面，其中線圈檢測面直徑僅為6 mm，線圈匝數(shù)為100匝，線圈絲徑為0.05 mm，兩線圈中一個為激勵線圈，另一個為檢測線圈。正交檢測探頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 正交檢測探頭結(jié)構(gòu)示意

采用304不銹鋼手工焊焊接試樣為對象開展試驗，為了模擬現(xiàn)場檢測的真實情況，采用電火花方式在試樣上加工槽型缺陷，以模擬焊縫上的裂紋缺陷。不銹鋼手工焊焊接試樣上的缺陷尺寸(長×寬×深)如表1所示。不銹鋼手工焊焊接試樣缺陷位置示意如圖3所示，試驗設(shè)備為EEC-39型渦流檢測儀。

表1 不銹鋼手工焊焊接試樣上的缺陷尺寸 mm

圖3 不銹鋼手工焊焊接試樣缺陷位置示意

2.1 探頭抖動提離的影響

圖4 焊縫和母材的渦流檢測結(jié)果

當(dāng)工件表面光滑或者較為平整時，探頭檢測面與工件基本貼合，渦流在工件中激發(fā)出均勻的渦流場，探頭移動時幾乎無干擾信號，母材無缺陷處檢測結(jié)果如圖4(a)所示。對于焊縫表面，手持探頭對焊縫進(jìn)行檢測，焊縫表面激發(fā)出渦流場，渦流場的均勻程度與工件表面的凹凸情況有關(guān)，表面不平引起探頭抖動，產(chǎn)生干擾信號，如圖4(b)所示。將自制正交探頭置于待檢測焊縫上，同時在圓周方向±5°范圍內(nèi)抖動探頭，模擬檢測過程中探頭的抖動，同時將探頭分別掃過序號為A-7和A-8的缺陷，檢測結(jié)果如圖5所示，可以看出抖動信號基本在一條直線上，與缺陷信號能較好地區(qū)分開，探頭可以對深度為1 mm和0.5 mm的缺陷進(jìn)行檢測。檢測時可通過旋轉(zhuǎn)相位使抖動信號處于水平位置，相對于傳統(tǒng)的放置式探頭，該焊縫檢測探頭對抖動信號不敏感，抖動信號幅值較小，且方向特征較為明顯，容易與缺陷信號區(qū)分開，在檢測時可以通過渦流儀設(shè)置幅值和相位報警來判斷是否存在缺陷。

圖5 焊縫缺陷的檢測結(jié)果

2.2 掃查角度的影響

正交傳感器的結(jié)構(gòu)使得焊縫檢測探頭相對于單線圈具有結(jié)構(gòu)上的不對稱性，以兩線圈相交的角平分線為掃查方向起點，對A-8號缺陷進(jìn)行掃查，分別設(shè)置探頭角平分線與掃查方向呈0°，15°，30°，45°，得到缺陷檢測結(jié)果如圖6所示，可見探頭不同掃查角度得到的檢測結(jié)果明顯不同，主要表現(xiàn)在檢測信號幅值上。

圖6 探頭角平分線與掃查方向呈不同角度時的檢測結(jié)果

焊縫檢測傳感器采用兩個正交布置的線圈實現(xiàn)檢測，檢測過程中通有交變電流的激勵線圈，在其周圍產(chǎn)生交變磁場，并在工件中激發(fā)出渦流場，交變磁場局限在激勵線圈附近，并與線圈形狀相關(guān)，相應(yīng)的渦流場也局限于激勵線圈附近的工件表層，工件中缺陷的存在會影響渦流流動，并影響原有磁場的分布。探頭在對工件進(jìn)行掃查的過程中，檢測線圈處于激勵線圈產(chǎn)生的磁場和工件渦流場的疊加磁場中，由于激勵線圈與檢測線圈的正交結(jié)構(gòu)特性，激勵線圈產(chǎn)生的磁場磁感線穿過檢測線圈的數(shù)量最少，幾乎不受激勵線圈磁場的影響。檢測線圈法線方向平行于工件表面，當(dāng)該方向具有電流擾動時，即使是微弱的電流信號，檢測線圈也能感應(yīng)到。當(dāng)工件中有缺陷時，缺陷引起的被檢測區(qū)域的變化磁場被檢測線圈接收，其信號大部分來源于缺陷引起的渦流擾動區(qū)域的電磁信號。在交變磁場的作用下，激勵線圈以及檢測線圈均對各自法線方向上的交變磁場有反應(yīng)。檢測過程中，探頭對兩線圈相交角平分線方向的缺陷敏感，且對提離反向變化的敏感度也減至最小，采用該方向?qū)θ毕輰嵤z測，具有較大的信號幅值；而探頭對平行于檢測線圈或者垂直于檢測線圈方向的缺陷不敏感，具有較小的信號幅值，或者幾乎無缺陷信號，從而導(dǎo)致正交探頭具有45°的檢測盲區(qū)，因此在檢測時將正交線圈角平分線作為掃查方向才能避免漏檢。

2.3 檢測頻率的影響

渦流檢測中，由于存在趨膚效應(yīng)，渦流局限在工件表層中流動。渦流的激勵頻率降低時，渦流滲透深度增加；渦流的激勵頻率增大時，渦流在工件表層流動，因此檢測中需要調(diào)節(jié)合適的檢測頻率。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第6部分:渦流檢測》中規(guī)定，焊縫渦流檢測中，應(yīng)根據(jù)提離和其他不希望出現(xiàn)的信號，將頻率調(diào)到最佳靈敏度，其中給出了鐵磁材料焊縫渦流檢測的推薦頻率，對于非鐵磁性材料，標(biāo)準(zhǔn)中并未給出確定的頻率范圍，而應(yīng)根據(jù)實際所檢測材料進(jìn)行選擇。不同的材料存在一個特征頻率，在該頻率下的渦流檢測效果最好。試驗中調(diào)節(jié)渦流儀激勵頻率為80 kHz1 MHz，對1 mm深缺陷進(jìn)行檢測，獲得不同激勵頻率下的缺陷信號(見圖7)，其中檢測中發(fā)現(xiàn)激勵頻率大于454 kHz時，得到的缺陷信號開始出現(xiàn)畸變。

圖7 不同檢測頻率下的缺陷信號

圖8 探頭驅(qū)動設(shè)置中的失真信號

由圖7可以看出：缺陷檢測幅值隨著檢測頻率的增大而增大，當(dāng)激勵頻率增大至400 kHz時，缺陷信號幅值達(dá)到最大；而當(dāng)激勵頻率為454 kHz時，缺陷信號幅值反而出現(xiàn)下降，此時觀察渦流儀探頭驅(qū)動設(shè)置(見圖8)，發(fā)現(xiàn)渦流儀中對應(yīng)探頭驅(qū)動處推薦設(shè)置信號已經(jīng)出現(xiàn)失真，這是由于此頻率下的渦流信號已經(jīng)超出了前置放大器對檢測信號進(jìn)行等比例放大的范圍，導(dǎo)致該頻段出現(xiàn)頻率失真，最終導(dǎo)致阻抗圖中顯示的缺陷信號畸變，相應(yīng)阻抗圖的信號顯示不再是缺陷的真實渦流信號，因此設(shè)置缺陷的檢測頻率應(yīng)避免出現(xiàn)失真信號，同時考慮到現(xiàn)場檢測過程中探頭抖動及其他干擾，設(shè)置檢測頻率為200 kHz附近，具有較好的檢測效果。

2.4 不同方向裂紋缺陷的信號特征

分別對試塊焊縫上橫向和縱向深度為1 mm的缺陷進(jìn)行檢測，其中橫向缺陷(A-8)掃查方向垂直于缺陷走向，縱向缺陷(A-4)掃查方向平行于缺陷走向，這兩個缺陷的檢測結(jié)果如圖9所示，形狀上略有區(qū)別，橫向缺陷(“8字”)的橫向方向較寬，而縱向缺陷(“8字”)呈細(xì)長形狀。獲取兩個缺陷的檢測幅值，橫向缺陷幅值為191 mV，相位為134.3°；縱向缺陷幅值為196 mV，相位為140.2°。這兩個缺陷的幅值相當(dāng)，相位基本一致，從兩個方向均可以實現(xiàn)缺陷的檢測。

圖9 橫向裂紋和縱向裂紋的檢測信號

3 結(jié)語

通過試驗，焊縫正交探頭達(dá)到了預(yù)定的檢測效果，可以檢出0.5 mm和1 mm深的缺陷。探頭結(jié)構(gòu)特性使以兩線圈相交的角平分線為掃查方向時，傳感器靈敏度最高；而對平行于或者垂直于檢測線圈方向的缺陷，傳感器不敏感，僅具有較小的信號幅值或者幾乎無缺陷信號。因此，在檢測時將正交線圈角平分線作為掃查方向才能避免漏檢。今后需從傳感器結(jié)構(gòu)和激勵信號方面進(jìn)行考慮，防止漏檢和提高檢測率。對不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測時，考慮到現(xiàn)場檢測過程中探頭抖動及其他干擾，兼顧靈敏度及儀器的兼容性，檢測頻率為200 kHz為宜。