鈦合金深層裂紋缺陷渦流檢測仿真與實(shí)驗(yàn)研究?

張程杰胡明慧徐小雄(華東理工大學(xué)承壓與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237)

為了檢測、定位、評價缺陷,評估構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性,無損檢測通過不損害被測對象的未來用途和功能的方式,對原材料和零部件進(jìn)行檢測[1－2]。渦流檢測(Eddy Current Testing,ET)基于電磁感應(yīng)原理,獲取導(dǎo)電材料的表面或近表面的質(zhì)量信息。其檢測具有無需耦合介質(zhì)、檢測速度快、對表面和近表面裂紋缺陷的檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[3－5],因此在航空航天、核電、鐵路、建筑橋梁等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

近年來,渦流檢測在航空航天無損檢測中的應(yīng)用越來越廣泛,在檢測飛機(jī)蒙皮和多層結(jié)構(gòu)的隱藏缺陷工作中,渦流檢測的占比已經(jīng)超過50%[6]。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件材料的渦流檢測研究方面,曾輝耀[7]等針對單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分層缺陷,設(shè)計了一個共面三矩形線圈,通過有限元仿真研究實(shí)現(xiàn)了分層缺陷的檢測和定量化評估。孟杞鳳[8]等針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料深層缺陷,開發(fā)了一種激勵線圈與檢測線圈相互垂直的新型渦流探頭,并通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究證明了探頭能有效檢測碳纖維復(fù)合材料埋深層2 mm～4 mm處缺陷。在飛機(jī)關(guān)鍵部件渦流檢測方面,Michal Janovec[9]等通過諧波渦流激勵陣列探頭,對飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼鉚接接頭可能存在的裂紋或隱藏腐蝕進(jìn)行檢測。Wang[10]等應(yīng)用激勵線圈和隧道磁阻傳感器(TMR)陣列的方式,在100 Hz和1 kHz頻率激勵下,實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)鈦合金蒙皮多層鉚接結(jié)構(gòu)深埋缺陷的檢測。

鈦合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[11],因此廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、飛機(jī)機(jī)身、航空緊固件等方面。然而目前常規(guī)渦流檢測方法無法檢測出鈦合金深層裂紋缺陷,因此,本文以鈦合金TC4板件深層微小裂紋缺陷為研究對象,設(shè)計了一種基于TMR陣列的差分式雙矩形線圈激勵渦流檢測探頭。通過建立三維仿真模型,模擬探頭移動過程,得到不同尺寸深層缺陷的鈦合金板件表面的磁場圖像,分析了該探頭對3 mm～12 mm不同長度和0.2 mm～2 mm不同寬度尺寸的深層缺陷的檢測能力。研制實(shí)驗(yàn)探頭,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證TMR渦流探頭的檢測性能,為鈦合金材料的深層缺陷渦流檢測探頭設(shè)計提供了參考。

1 探頭結(jié)構(gòu)及其原理

1.1 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁感應(yīng)原理表明,當(dāng)導(dǎo)體處于交變磁場中時,內(nèi)部會感應(yīng)出形成閉合回路的渦流。當(dāng)導(dǎo)體中存在裂紋時,導(dǎo)體材料不連續(xù)導(dǎo)致裂紋處導(dǎo)電性能發(fā)生變化,渦流出現(xiàn)擾動,從而導(dǎo)致渦流產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場發(fā)生變化[12－13],進(jìn)而可直接由TMR傳感器測得磁場變化并判斷缺陷是否存在。

圖1 TMR傳感器R－H響應(yīng)曲線[10]

對于TMR傳感器,在很小的外磁場作用下,其磁隧道結(jié)(MTJs)結(jié)構(gòu)中的鐵磁層磁化方向就會發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)其穿隧電阻的巨大變化[14－15]。TMR傳感器的R－H響應(yīng)曲線如圖1所示,其線性高靈敏度區(qū)域在零外場附近,當(dāng)外加磁場強(qiáng)度高于靈敏度區(qū)域時,R－H曲線線性度下降,TMR傳感器的檢測靈敏度會受到極大影響。

因此,本文所設(shè)計的檢測探頭由兩個激勵線圈和TMR傳感器陣列組成,如圖2所示。其中,激勵線圈為對稱布置的差分式雙線圈結(jié)構(gòu),兩個激勵線圈結(jié)構(gòu)尺寸、匝數(shù)等參數(shù)均相同,線圈串聯(lián)接入激勵電路。TMR傳感器陣列為測量元件,由3個TMR傳感器線性排列構(gòu)成,其靈敏度為25 mV/V/Oe,工作電壓為5 V,由此可以通過輸出信號反算得到試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度大小:

式中:Bz為試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度；Sen為傳感器靈敏度；U為輸出信號幅值；U0為傳感器工作電壓。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律,線圈在空間某點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的大小成正比:

式中:I為線圈電流；er為電流元指向觀測點(diǎn)的單位矢量；μ0為真空磁導(dǎo)率；r為電流源點(diǎn)與觀測點(diǎn)之間的距離。在TMR傳感器所在觀測點(diǎn)處,當(dāng)傳感器處于均勻介質(zhì)中時,兩個激勵線圈通以不同方向的電流,產(chǎn)生大小相等,方向相反的磁場,從而使得兩線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在傳感器陣列所在的中心線上相互抵消,確保TMR陣列處于高靈敏度的狀態(tài)。當(dāng)缺陷進(jìn)入線圈下方的檢測區(qū)域時,兩側(cè)線圈產(chǎn)生的磁場不能完全抵消,故而在傳感器所在中心線上表現(xiàn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。

2 缺陷電磁檢測仿真分析

2.1 深層缺陷三維仿真模型

本文采用COMSOL Multiphysics建立深層缺陷檢測仿真模型,在AC/DC模塊下選擇磁場為物理場,在頻域下進(jìn)行求解。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

模型中仿真試件材料為TC4,相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1,電導(dǎo)率為6×105S/m,試件的長、寬、高分別為120 mm、120 mm和5 mm?？諝夂腿毕莸碾妼?dǎo)率設(shè)為0.1,相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率均設(shè)為1。缺陷設(shè)置于試件背面,其尺寸根據(jù)仿真需求確定。激勵線圈設(shè)置為差分式雙激勵線圈,單個線圈外尺寸為14 mm×84 mm,內(nèi)尺寸為4 mm×74 mm,線圈高度10 mm,線徑0.4 mm,匝數(shù)200匝,兩線圈間距離為2 mm。激勵電流設(shè)置為0.2 A,兩個激勵線圈中的電流方向相反,當(dāng)探頭在無缺陷區(qū)域時,兩激勵線圈在中線處產(chǎn)生的感應(yīng)磁場相互抵消,中線處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。線圈結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所用線圈參數(shù)相同。

2.2 激勵頻率

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)透入深度公式可得不同激勵頻率下的標(biāo)準(zhǔn)透入深度理論值,對于非鐵磁性材料磁導(dǎo)率,有μ≈μ0＝4π×10－7H/m,則標(biāo)準(zhǔn)透入深度為[16]

式中:δ為標(biāo)準(zhǔn)透入深度,f為激勵頻率,μ為材料磁導(dǎo)率,σ為材料電導(dǎo)率?？芍?對于同一待測試件,渦流標(biāo)準(zhǔn)透入深度只與激勵頻率有關(guān)。

為研究探頭檢測深層缺陷的最佳激勵頻率范圍,通過理論計算不同激勵頻率下的標(biāo)準(zhǔn)透入深度與在該激勵頻率下仿真得到的缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值比較。設(shè)置1 kHz～30 kHz不等的激勵頻率檢測距試件表面4 mm深度下缺陷,缺陷的長、寬、高分別為6 mm、0.2 mm、1 mm,得到不同激勵頻率下缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化Bz分量如表1所示。

表1 不同激勵頻率下缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

由此可知,距表面4 mm下缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度在10 kHz～30 kHz激勵頻率均有較大的變化,在20 kHz左右達(dá)到最大值；20 kHz的標(biāo)準(zhǔn)透入深度也接近4 mm。因此,可以通過標(biāo)準(zhǔn)透入深度公式初步確定檢測不同深度缺陷的最佳激勵頻率范圍。

2.3 不同長度缺陷的仿真分析

仿真研究探頭對不同長度缺陷檢測的檢出效果,設(shè)置缺陷位于試件表面下3 mm深度,缺陷寬度和高度分別為0.2 mm、2 mm,長度分別為3 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm,激勵頻率10 kHz,得到不同長度缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量分布的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同長度(3 mm～12 mm)缺陷仿真結(jié)果

由圖4可知,仿真結(jié)果能直接反映缺陷的長度變化,缺陷長度越長,則仿真結(jié)果中磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的范圍對應(yīng)增長。

磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量峰值與缺陷長度的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出,在缺陷長度6 mm以下時,磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量隨著缺陷長度的增加而增大；當(dāng)缺陷長度超過6 mm后,繼續(xù)增加缺陷長度,磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量增長減緩。這是由于線圈繞線寬度為5 mm,繼續(xù)增加缺陷長度時,缺陷長度超出線圈寬度,缺陷長度變化對線圈產(chǎn)生的渦流的擾動效果影響減弱。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz幅值和缺陷長度的關(guān)系

2.4 不同寬度缺陷的仿真分析

仿真研究探頭對不同寬度缺陷檢測的檢出效果,設(shè)置缺陷位于試件表面下3 mm深度,根據(jù)上節(jié)內(nèi)容確定缺陷長度和高度分別為6 mm、2 mm,寬度分別為0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm,激勵頻率10 kHz,得到不同寬度缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量分布的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,不同寬度缺陷的仿真結(jié)果表現(xiàn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量的強(qiáng)弱變化,難以直接判定缺陷的寬度。這是由于缺陷寬度尺寸較小,而單個傳感器所掃查的寬度大于缺陷寬度。因此無法通過Bz分量的變化直接定量判定缺陷的寬度變化。

圖6 不同寬度(0.2 mm～2 mm)缺陷仿真結(jié)果

磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量峰值與缺陷寬度的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出,磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz幅值與缺陷寬度成正相關(guān),但缺陷寬度變化對磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz幅值的影響較小,當(dāng)缺陷寬度由0.2 mm增大10倍至2 mm時,磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz幅值由0.012 mT增加至0.022 mT,增大約80%。

圖7 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz幅值和缺陷寬度的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 渦流檢測實(shí)驗(yàn)裝置

在仿真研究的基礎(chǔ)上,利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計陣列探頭的實(shí)際檢測效果,整體實(shí)驗(yàn)流程如圖8(a)所示。渦流檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生器、功率放大器、線性TMR陣列探頭、被測試件、示波器、NI/DAQ采集卡和LABVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集模塊,如圖8(b)所示。其中,信號發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率幅值可調(diào)的正弦信號,正弦信號經(jīng)過功率放大器放大后施加于線性TMR陣列探頭的激勵線圈上,從而使待測試件中產(chǎn)生渦流。TMR傳感器陣列拾取磁場信號變化后進(jìn)入調(diào)理電路,采集卡采集信號進(jìn)入計算機(jī),由LABVIEW軟件搭建的采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、采集和保存工作。示波器用于實(shí)時監(jiān)測輸入/輸出信號的波形變化,確保系統(tǒng)工作正常。

圖8 渦流檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用TC4板試件進(jìn)行檢測,試件尺寸為200 mm×400 mm×5 mm。在試件同一水平線方向上加工共6個槽型缺陷,從反面對缺陷進(jìn)行檢測,探頭掃查方向如圖9所示,從左往右依次為1～6號缺陷,缺陷尺寸見表2。其中,缺陷1、5、6的寬度和深度均相同,長度不同；缺陷1和缺陷3的長度和深度均相同,寬度不同；缺陷1、3和缺陷2、4長度和寬度各自對應(yīng)相同,其缺陷距表面深度和加工深度不同。

圖9 探頭掃查方向示意

表2 缺陷尺寸參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用激勵頻率為10 kHz的正弦激勵信號。探頭沿缺陷長度方向依次掃查1～6號缺陷,采集得到電壓信號輸出結(jié)果如圖10所示,其中橫軸代表電壓信號隨探頭掃查過程產(chǎn)生的變化,由于掃查速度由人為控制,存在誤差,因此以時間單位表示。

圖10 缺陷掃描檢測結(jié)果

缺陷引起的信號幅值變化數(shù)據(jù)及其反算得到的試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量如表3所示。將實(shí)驗(yàn)中5、1、6號缺陷反算得到的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz值與仿真結(jié)果中不同長度缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz值進(jìn)行對比,如圖11所示。

表3 信號幅值變化數(shù)據(jù)

圖11 不同長度缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

結(jié)合表3數(shù)據(jù),對比5、1、6號缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,輸出電壓信號幅值變化受缺陷長度變化影響較大,缺陷長度由3 mm增加至6 mm時,缺陷引起的電壓信號幅值變化增大約3倍,當(dāng)缺陷長度由6 mm增加至12 mm時,缺陷引起的信號幅值變化增大約30%。由圖11可知,反算得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致。對比1、3號缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,電壓信號幅值變化受缺陷寬度變化影響較小,缺陷寬度由0.2 mm增加至0.4 mm時,幅值變化增大約8%。對比1、2號缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,電壓信號幅值變化受缺陷深度變化影響較大,實(shí)驗(yàn)表明該探頭能有效檢出TC4材料深層4 mm下微小缺陷。實(shí)驗(yàn)對不同長度、寬度的深層裂紋缺陷的檢測結(jié)果與上節(jié)得到的仿真分析結(jié)果具有較好的一致性。

4 結(jié)論

本文針對鈦合金板件深層裂紋缺陷檢測,設(shè)計了一種基于TMR傳感器陣列的雙矩形線圈差分激勵式平面渦流探頭,通過有限元仿真,模擬了探頭的移動掃查過程,得到含不同尺寸深層缺陷的鈦合金板件表面的磁場圖像,結(jié)合圖像分析預(yù)測了該探頭對不同尺寸深層缺陷的檢測能力。并制作實(shí)驗(yàn)探頭,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了探頭對鈦合金深層微小裂紋缺陷渦流檢測的可行性。主要得出了以下結(jié)論:

①探頭對缺陷長度尺寸變化的靈敏度有如下規(guī)律:鈦合金板件表面3 mm下長12 mm、6 mm、3 mm的微裂紋引起的感應(yīng)磁場強(qiáng)度分別為0.01992 mT、0.0152 mT、0.00528 mT；表面4 mm下長6 mm的微裂紋引起的感應(yīng)磁場強(qiáng)度大約為0.00448 mT。所設(shè)計的TMR陣列渦流探頭對缺陷長度變化敏感。通過傳感器信號幅值反算得到的試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值與仿真結(jié)果能保持較好的一致性。

②缺陷寬度變化與信號幅值的變化基本呈線性關(guān)系,當(dāng)缺陷寬度由0.2 mm增加至0.4 mm時,輸出信號幅值增大約8%,寬度變化對信號幅值的影響不顯著。③該探頭能夠檢出鈦合金板件表面3 mm和4 mm下的深層微小裂紋缺陷,初步驗(yàn)證了探頭對非鐵磁性材料深層裂紋缺陷的檢測性能。