渦流檢測(cè)在鋁板超聲缺陷檢測(cè)盲區(qū)中的應(yīng)用研究*

陳 濤, 曹 恒, 張 賽, 宋小春, 李冬林, 廖春暉

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0 引 言

在航空航天、核能、軍事、交通等領(lǐng)域中，鋁板材的使用極其廣泛。而鋁板材在其生產(chǎn)及服役過(guò)程中，往往會(huì)由于高溫高壓、疲勞應(yīng)力等因素影響在內(nèi)部產(chǎn)生埋藏缺陷及損傷，這些埋藏缺陷及損傷需要及時(shí)檢測(cè)，以免發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。因此，如何有效地解決鋁板材埋藏缺陷檢測(cè)問(wèn)題得到了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。目前，對(duì)于鋁板材及其它金屬板材深層缺陷的檢測(cè)主要運(yùn)用超聲檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋁板材深層缺陷有著很高的檢測(cè)靈敏度，但由于回波信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)幾乎重疊難以區(qū)分，超聲檢測(cè)技術(shù)難以有效檢測(cè)出位于鋁板材近表面(1～2 mm)的埋藏缺陷[2]。

渦流無(wú)損檢測(cè)作為常用的缺陷檢測(cè)方法之一，由于其本身具有的無(wú)需耦合劑、檢測(cè)速度快、適用于所有導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn)，在缺陷檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且在深層缺陷檢測(cè)方面上也取得了一定的突破。Majidnia S等人[3]針對(duì)渦流滲透深度做了有限元仿真分析，仿真結(jié)果表明線(xiàn)圈內(nèi)外徑、提離距離的變化均會(huì)改變渦流在鋁板中滲透深度；Smith C H等人[4]制作了巨磁阻(giant magneto resistance,GMR)陣列渦流檢測(cè)探頭用來(lái)對(duì)鋁板埋藏缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在8～20 kHz的激勵(lì)頻率下，能檢測(cè)出埋深在1.6～2.0 mm的鋁板缺陷；Zhong C R等人[5]利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)搭建的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在350 Hz的激勵(lì)頻率下，能夠達(dá)到4.2 mm鋁板的檢測(cè)深度；周德強(qiáng)等人[6]針對(duì)平板導(dǎo)體深層缺陷檢測(cè)問(wèn)題，分別研究了反射式、透射式渦流檢測(cè)中激勵(lì)頻率及探頭尺寸對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，得到透射式探頭對(duì)深層缺陷的檢測(cè)效果優(yōu)于反射式探頭的結(jié)論；鄒國(guó)輝等人[7]設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的探頭，使用隧道磁電阻(tunneling magneto resistance,TMR)作為檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)探頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)鉚釘周?chē)癫厝毕莸臋z測(cè)；楊賓峰等人[8]利用脈沖渦流法對(duì)飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)中的裂紋缺陷、腐蝕缺陷進(jìn)行了檢測(cè)和定量識(shí)別研究，對(duì)探頭提離的影響進(jìn)行了深入研究。何赟澤等人[9]通過(guò)提取快速傅里葉變換幅值譜中頻率分量進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中埋藏缺陷的檢測(cè)與識(shí)別。雖然，渦流用于深層缺陷的檢測(cè)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但用渦流檢測(cè)技術(shù)彌補(bǔ)超聲檢測(cè)技術(shù)在鋁板材近表面埋深缺陷檢測(cè)中存在檢測(cè)盲區(qū)缺陷的問(wèn)題的文獻(xiàn)還很鮮見(jiàn)。

本文首先利用RITEC5000型號(hào)超聲探測(cè)儀驗(yàn)證了超聲技術(shù)在鋁板檢測(cè)中的檢測(cè)盲區(qū)。針對(duì)超聲在鋁板淺表層埋深缺陷的檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，研究了渦流在該超聲檢測(cè)盲區(qū)中的特性，優(yōu)化了渦流線(xiàn)圈幾何參數(shù)及激勵(lì)頻率來(lái)增大渦流在超聲檢測(cè)盲區(qū)的檢測(cè)靈敏度，并搭建了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 仿真分析

利用RITEC5000型號(hào)的超聲探測(cè)儀檢測(cè)了缺陷埋深分別為1，2，3，4 mm的鋁板，得到如圖1所示鋁板不同埋深缺陷的超聲回波信號(hào)圖。

圖1 鋁板不同埋深缺陷的超聲檢測(cè)信號(hào)圖

從圖1(c)，(d)中可以看出鋁板缺陷埋深為3.0，4.0 mm時(shí)，超聲回波信號(hào)和始波信號(hào)區(qū)分較明顯；從圖1(b)中可以看出，當(dāng)鋁板缺陷埋深減小為2 mm時(shí)；回波信號(hào)已經(jīng)和始波信號(hào)有一部分重合，難以區(qū)分；從圖1(a)中可以看出，當(dāng)鋁板缺陷埋深為1 mm，超聲始波信號(hào)和回波信號(hào)混雜在一起，已經(jīng)完全區(qū)分不了超聲始波信號(hào)和回波信號(hào)。圖1說(shuō)明當(dāng)鋁板埋深缺陷太淺時(shí)，由于超聲回波信號(hào)與始波信號(hào)時(shí)間間隔太短，難以區(qū)分超聲回波信號(hào)峰值位置。因此，在利用超聲技術(shù)檢測(cè)鋁板埋深缺陷時(shí)，存在約2 mm的近表面埋深缺陷檢測(cè)盲區(qū)。

針對(duì)超聲技術(shù)檢測(cè)鋁板埋深缺陷時(shí)，存在約2 mm的缺陷檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。本文采用渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鋁板埋深1～3 mm的埋深缺陷，彌補(bǔ)超聲檢測(cè)存在近表面檢測(cè)盲區(qū)的缺陷。本文利用COMSOL Multiphysics 5.3構(gòu)建如圖2所示鋁板淺表層缺陷二維仿真模型，該模型由空氣域、激勵(lì)線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈、被測(cè)試件組成。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示，在AC/DC模塊下選擇物理場(chǎng)為“磁場(chǎng)”對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

圖2 鋁板淺表層缺陷模型

表1 仿真模型材料參數(shù)

1.2 仿真模型建立

如圖2所示，鋁板試件模型長(zhǎng)度為50 mm,厚度為4 mm，中間設(shè)置埋深1.0 mm，寬0.5 mm的矩形缺陷。檢測(cè)方式設(shè)定為一個(gè)線(xiàn)圈激勵(lì)，一個(gè)線(xiàn)圈接收的模式，且任何情況下激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈參數(shù)完全相同。設(shè)置激勵(lì)和檢測(cè)線(xiàn)圈初始參數(shù)如表2所示。在激勵(lì)線(xiàn)圈中加載電流為0.1 A，頻率1 kHz的激勵(lì)電流。

表2 渦流探頭初始設(shè)置參數(shù)

接著通過(guò)控制變量法，研究不同激勵(lì)頻率、線(xiàn)圈內(nèi)徑、匝數(shù)條件下，線(xiàn)圈掃查鋁板缺陷時(shí)的靈敏度S

S=(Vbroken-Vnormal)/Vnormal×100 %

(1)

式中Vnormal為鋁板上無(wú)缺陷時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的輸出電壓值，Vbroken為鋁板上經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈輸出電壓值。

1.3 仿真結(jié)果

1)線(xiàn)圈激勵(lì)信號(hào)頻率對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

經(jīng)典電磁場(chǎng)理論中，電磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δ公式為

(2)

式中f為激勵(lì)信號(hào)的頻率，μ為被測(cè)導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，σ為被測(cè)導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

對(duì)于電導(dǎo)率σ為3.03×107S/m的鋁板材，10 kHz電磁場(chǎng)的滲透深度約為1 mm，1 kHz電磁場(chǎng)的滲透深度約為3 mm，因此想要實(shí)現(xiàn)對(duì)最大埋深3 mm的鋁板材深層缺陷的檢測(cè)，必須降低渦流線(xiàn)圈激勵(lì)信號(hào)頻率為1 kHz左右?？刂凭€(xiàn)圈內(nèi)徑及匝數(shù)不變，通過(guò)改變激勵(lì)信號(hào)頻率，研究在鋁板材近表層埋深缺陷檢測(cè)過(guò)程中激勵(lì)頻率對(duì)渦流線(xiàn)圈檢測(cè)靈敏度的影響。選取激勵(lì)電流為100 mA，頻率分別為200，300，400，500 Hz，1，2，3，4 kHz的正弦信號(hào)作為渦流線(xiàn)圈激勵(lì)信號(hào)，對(duì)埋深為1.0 mm，寬為0.5 mm的鋁板缺陷進(jìn)行檢測(cè)，得到渦流線(xiàn)圈檢測(cè)靈隨著激勵(lì)頻率變化的關(guān)系，如圖3(a)所示?？梢钥闯?，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率從200 Hz開(kāi)始增加時(shí)，檢測(cè)靈敏度隨之增加，并且在1 kHz附近達(dá)到峰值。之后隨著激勵(lì)信號(hào)頻率增加，檢測(cè)靈敏度逐漸降低。由圖3可知，對(duì)于埋深為1.0 mm的鋁板缺陷，1 kHz的激勵(lì)信號(hào)頻率能夠得到較好的檢測(cè)靈敏度。

2)線(xiàn)圈內(nèi)徑對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

在仿真模型其他參數(shù)不變的情況下，同時(shí)改變激勵(lì)和接收線(xiàn)圈內(nèi)徑，從0.5 mm以0.5 mm為步長(zhǎng)增加到3.0 mm，對(duì)埋深1 mm，寬度為0.5 mm的缺陷進(jìn)行求解，得到如圖3(b)所示的檢測(cè)渦流線(xiàn)圈檢測(cè)靈敏度隨著線(xiàn)圈內(nèi)徑變化的關(guān)系?？梢钥闯觯诰€(xiàn)圈內(nèi)徑從0.5 mm變化到2.0 mm的過(guò)程中，渦流線(xiàn)圈的檢測(cè)靈敏度隨著線(xiàn)圈內(nèi)徑的增大緩慢減小，而線(xiàn)圈內(nèi)徑從2.0 mm變化到3.0 mm的變化過(guò)程中，檢測(cè)靈敏度隨著線(xiàn)圈內(nèi)徑增大而迅速降低。由圖3(b)可知，隨著線(xiàn)圈內(nèi)徑的逐漸增大檢測(cè)靈敏度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。針對(duì)埋深1.0 mm，寬度為0.5 mm的鋁板材缺陷，線(xiàn)圈內(nèi)徑在0.5～3.0 mm范圍內(nèi)，線(xiàn)圈內(nèi)徑越小，檢測(cè)靈敏度越高。但是較小內(nèi)徑的線(xiàn)圈所感應(yīng)出的感應(yīng)電壓信號(hào)值也越小，信號(hào)處理難度越大[10]。本文中線(xiàn)圈內(nèi)徑選擇2.0 mm。

3)線(xiàn)圈匝數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

在仿真模型中，其他參數(shù)不變，設(shè)置線(xiàn)圈匝數(shù)分別為50，100，150，200，250，300，對(duì)埋深1 mm，寬度0.5 mm的缺陷進(jìn)行求解，得到不同匝數(shù)下對(duì)埋深1 mm，寬度0.5 mm的缺陷的檢測(cè)靈敏度，并作出線(xiàn)圈檢測(cè)靈敏度隨著線(xiàn)圈匝數(shù)變化的關(guān)系圖，如圖3(c)所示?？梢钥闯?，檢測(cè)靈敏度在線(xiàn)圈匝數(shù)為50～300匝的范圍內(nèi)呈上升的趨勢(shì)，并隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加，線(xiàn)圈檢測(cè)靈敏度增長(zhǎng)的越快。圖3(c)表明較大的線(xiàn)圈匝數(shù)可以提供更高的檢測(cè)靈敏度，但是由于線(xiàn)圈匝數(shù)越大其阻抗就越大，檢測(cè)過(guò)程中線(xiàn)圈越容易發(fā)熱。因此，本文選擇線(xiàn)圈匝數(shù)為250匝。

圖3 仿真結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

采用圖2仿真模型中所示單激勵(lì)單接收模式的渦流檢測(cè)探頭，激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈并列排布。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，激勵(lì)和檢測(cè)線(xiàn)圈均采用0.1 mm直徑的漆包線(xiàn)繞制，匝數(shù)均為250，線(xiàn)圈內(nèi)徑和外徑分別為2.0 mm和4.0 mm，高度為3.0 mm。

2.1 渦流無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)

平臺(tái)主要由信號(hào)發(fā)生器、激勵(lì)線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈、鎖相放大器以及被測(cè)試件組成。信號(hào)發(fā)生器主要產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)施加于激勵(lì)線(xiàn)圈上，檢測(cè)線(xiàn)圈的感應(yīng)信號(hào)通過(guò)鎖相放大器被采集后上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 缺陷埋深實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在4 mm厚的鋁板上加工出尺寸為10 mm×0.5 mm×h(長(zhǎng)×寬×埋深)，h從0.5 mm以0.5 mm為步長(zhǎng)增加至3.0 mm的矩形裂紋缺陷，設(shè)置激勵(lì)頻率為1 kHz，勻速移動(dòng)探頭掃過(guò)所有缺陷，得到寬度相同，不同埋深下的鋁板埋深缺陷波形，如圖4所示。

圖4 不同埋深缺陷下感應(yīng)電壓值的變化

從圖4中可以看出，當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)不同埋深的裂紋缺陷時(shí)，缺陷檢測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)一組明顯的波峰；寬度均為0.5 mm的鋁板埋深缺陷，在埋深從0.5 mm增加至3.0 mm的過(guò)程中，缺陷響應(yīng)信號(hào)逐漸減小。圖4表明，該渦流探頭能夠有效檢測(cè)到寬度為0.5 mm，最大埋深為3.0 mm鋁板人工缺陷。

2.2.2 缺陷寬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同寬度裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在厚為4 mm的鋁板上加工尺寸為10 mm×w×1 mm(長(zhǎng)×寬×埋深)，w從0.1 mm以0.2 mm為步長(zhǎng)增加至1.1 mm的矩形裂紋缺陷，設(shè)置激勵(lì)頻率為1 kHz，勻速移動(dòng)探頭掃過(guò)所有缺陷，得到埋深相同，不同寬度下的鋁板缺陷信號(hào)如圖5所示。

圖5 不同寬度缺陷下感應(yīng)電壓值的變化

從圖5中可以看出，當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)不同寬度的裂紋缺陷時(shí)，缺陷檢測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)一組明顯的波峰，埋深均為1 mm的鋁板缺陷，在寬度從0.1 mm增加至1.1 mm的過(guò)程中，缺陷響應(yīng)信號(hào)逐漸增大。圖5表明，該渦流探頭能夠有效檢測(cè)到埋深為1 mm,最小寬度為0.1 mm的鋁板人工缺陷。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法能夠有效識(shí)別鋁板近表面的埋藏缺陷，且能識(shí)別出最大埋深3.0 mm，最小寬度0.1 mm的鋁板埋藏缺陷。彌補(bǔ)了超聲鋁板缺陷檢測(cè)中存在近表面檢測(cè)盲區(qū)的缺陷，后續(xù)有望結(jié)合超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋁板表面缺陷及不同埋深的埋藏缺陷進(jìn)行快速檢測(cè)。