高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷ACFM檢測方法及檢測系統(tǒng)的研究

陳 濤，董袁航，張 賽，呂 程，張立紅，廖春暉

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院，湖北 武漢 430077）

隨著高壓電纜使用環(huán)境的多樣化，其保護(hù)方式逐漸增多，外加鋁護(hù)套的保護(hù)方式是最常見的一種[1-2]。由于制作簡單、加工成本較低，鋁護(hù)套生產(chǎn)廠家大多采用氬弧焊焊接的方法加工高壓電纜鋁護(hù)套[3]，將鋁制環(huán)形帶進(jìn)行縱向焊接從而形成密閉鋁圓筒。而在焊接過程中，易出現(xiàn)漏焊、未焊透以及焊穿等焊接質(zhì)量問題[4-6]，因此在焊接完成后須及時對高壓電纜鋁護(hù)套的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測、評定并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

目前，針對氬弧焊型電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷的檢測，業(yè)內(nèi)主要采用氣壓檢測、目視檢測、渦流檢測和超聲檢測等方法[7]。氣壓檢測法是通過向密閉鋁護(hù)套套內(nèi)加壓的方式檢測鋁護(hù)套焊接后的氣密性[8]。該方法雖然能有效檢測出鋁護(hù)套焊縫區(qū)域的焊穿缺陷，但其檢測效率及精度較低，并且無法檢測出未焊透缺陷。目視檢測法是直接用眼睛觀察焊縫接頭處是否存在小黑點、微孔等焊接缺陷，如果存在焊接缺陷，則采用手工TIG（tungsten inert gas，鎢極惰性氣體）焊接進(jìn)行補(bǔ)焊[4]。該方法存在易出現(xiàn)漏檢的不足。渦流檢測法是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理檢測缺陷。該方法對被檢測工件表面的平整度要求較高，且存在明顯的趨膚效應(yīng)[9-11]，難以檢出非開口狀缺陷。超聲檢測法是根據(jù)超聲波在焊縫處的反射聲程確定缺陷的位置，其對厚度較薄的電纜鋁護(hù)套有一定的檢測盲區(qū)，且小缺陷的檢出靈敏度較低[12]。綜上可知，上述鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測方法都存在一定的局限性，故研究新的高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測與評估方法具有重要意義。

交流電磁場檢測（alternating current field measurement,ACFM）技術(shù)是以精確的電磁場數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在交流電壓降測量法（alternating current potential drop measurement,ACPD）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型的、不須預(yù)先標(biāo)定的電磁無損檢測方法[13]。該方法通過測量工件表面由缺陷引起的磁場變化來實現(xiàn)缺陷的評估以及表面和亞表面裂紋的定性和定量評價，具有檢測精度和效率高、對提離不敏感、無須接觸、無須清理工件材料表面的油漆和涂層、檢測成本低等優(yōu)點，能夠較好地用于定向缺陷檢測[14-15]，在焊縫檢測中得到廣泛應(yīng)用。筆者利用COMSOL多物理場仿真軟件構(gòu)建電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷ACFM模型，研究U形磁芯上的勵磁線圈在不同類型鋁護(hù)套焊縫缺陷區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電流的密度分布特征和磁場信號特征；設(shè)計一種用于電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測的ACFM探頭，并搭建相應(yīng)的實驗系統(tǒng)，用實驗測試的方法驗證ACFM的檢測效果。

1 ACFM原理

ACFM是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損探傷技術(shù)。其原理如圖1所示。當(dāng)繞在U形磁芯上的勵磁線圈加載交變電流時，在高磁導(dǎo)率的U形磁芯兩腳之間會形成閉合的交流磁場回路，交流磁場在被測金屬試件近表面區(qū)域激發(fā)出均勻的交變電流。若被測金屬試件近表面沒有缺陷，則交變電流在金屬近表面均勻分布，并在被測試件上方激勵出均勻的二次磁場；若被測金屬試件近表面存在缺陷，均勻電流就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從裂紋的兩端和底部繞過，從而導(dǎo)致被測試件上方的均勻二次磁場發(fā)生擾動。通過對擾動磁場的測量可以獲取缺陷的尺寸信息[16-18]。

圖1 ACFM原理示意Fig.1 Schematic of ACFM principle

2 鋁護(hù)套焊縫缺陷的信號特征分析

為了研究高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷的信號特征，構(gòu)建了鋁護(hù)套焊縫缺陷ACFM仿真模型，如圖2所示。該仿真模型主要包括電纜鋁護(hù)套、U形磁芯、矩形勵磁線圈和空氣域。在檢測過程中輕微凹陷的焊縫對電磁場有一定的影響，但影響關(guān)系是確定的，因此為了便于建模和仿真信號的處理，采用表面平整的簡化焊縫模型。設(shè)置高壓電纜鋁護(hù)套的外半徑為75 mm，厚度為3 mm，長度為80 mm。U形磁芯和勵磁線圈結(jié)構(gòu)尺寸的標(biāo)注如圖2所示，其中：A=58 mm，B=14 mm，C=30 mm，D=26 mm，E=14 mm，F(xiàn)=34 mm。仿真模型的材料參數(shù)見表1。設(shè)置勵磁線圈的激勵頻率為7 kHz，驅(qū)動電流為2 A。建模完成后，仿真分析鋁護(hù)套焊縫表面漏焊缺陷、埋藏未焊透缺陷和焊穿缺陷的信號特征。

表1 鋁護(hù)套焊縫缺陷ACFM仿真模型的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of ACFM simulation model of weld defects of aluminum sheath

2.1 表面漏焊缺陷的信號特征

表面漏焊缺陷是較常見的高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷。為了分析表面漏焊缺陷區(qū)域感應(yīng)電流密度分布的特點和磁場信號特征，沿焊縫方向在鋁護(hù)套焊縫表面預(yù)設(shè)了長、寬、深分別為10，0.3，1 mm的表面漏焊缺陷，并將U形磁芯放置于焊縫正上方，其兩腳平行于焊縫方向。當(dāng)勵磁線圈加載激勵頻率為7 kHz、驅(qū)動電流為2 A的交流電時，得到表面漏焊缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布，如圖3所示。由圖可知：在U形磁芯兩腳附近，感應(yīng)電流密度較大，但分布不均勻；在兩腳連線的中心位置附近，感應(yīng)電流密度較小，但分布較均勻；感應(yīng)電流在漏焊缺陷的兩端聚集，形成了明顯的感應(yīng)電流聚集區(qū)域?？梢?，針對表面漏焊缺陷，在U形磁芯兩腳連線的中心位置附近會激勵出均勻的感應(yīng)電流，平行于U形磁芯兩腳連線的漏焊缺陷會阻斷感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流在缺陷兩端聚集。

圖3 表面漏焊缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布Fig.3 Induced current density distribution in surface missed welding defect area

在仿真過程中為了實現(xiàn)鋁護(hù)套焊縫缺陷的有效檢測，在焊縫缺陷上方設(shè)置三維截線以便獲取焊縫上方由焊縫缺陷引起的畸變磁場信號。在焊縫上方高0.5 mm處設(shè)置了平行于焊縫方向、長度為16 mm的檢測路徑，如圖4所示。

圖4 焊縫缺陷檢測路徑Fig.4 Detection path of weld defects

提取了該檢測路徑上垂直于焊縫方向（Z向）和沿焊縫方向（X向）的磁場強(qiáng)度分量Bz和Bx隨位置的變化曲線，如圖5所示。其中橫坐標(biāo)x=0 mm對應(yīng)X向缺陷中心位置。由圖5（a）可知，Bz的波形呈現(xiàn)1個波谷和1個波峰，波谷和波峰的位置分別與表面漏焊缺陷的兩端相對應(yīng)，波谷與波峰之間的距離表征了表面漏焊缺陷的長度。由圖5（b）可知，Bx在缺陷兩端點處產(chǎn)生突變，在有恒定缺陷深度的區(qū)域內(nèi)Bx保持一個較穩(wěn)定的較小值，表明Bx的突變是由缺陷引起的。

圖5 表面漏焊缺陷區(qū)域的磁場強(qiáng)度Fig.5 Magnetic field strength in surface missed welding defect area

2.2 埋藏未焊透缺陷的信號特征

埋藏未焊透缺陷也是一種常見的高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷。從焊縫表面難以觀察到此類缺陷，但其對焊縫焊接質(zhì)量影響極大。為了分析埋藏未焊透缺陷區(qū)域感應(yīng)電流密度分布的特點和磁場信號特征，沿焊縫方向設(shè)置了一個埋藏深度為2 mm，長、寬、深分別為10，0.3，1 mm的埋藏未焊透缺陷。檢測方法同表面漏焊缺陷的檢測。檢測后得到埋藏未焊透缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布和磁場強(qiáng)度，分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，相較于表面漏焊缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布，埋藏未焊透缺陷導(dǎo)致的缺陷區(qū)域感應(yīng)電流密度分布的差異有一定的減小，但仍然能有效表征有缺陷區(qū)域和無缺陷區(qū)域。由圖7可知：相較于表面漏焊缺陷，埋藏未焊透缺陷上方的Bz有所減小，Bz信號基線下降，波谷到基線的變化量也有所減少。通過分析可知：相較于表面漏焊缺陷，埋藏未焊透缺陷導(dǎo)致缺陷兩端的渦流聚集點遠(yuǎn)離測試點，且由于缺陷深度增大，感應(yīng)電流密度減小，因此Bz減??；同時，由于渦流的趨膚效應(yīng)，隨著缺陷埋藏深度增大，渦流密度值衰減，缺陷對渦流的擾動減少，導(dǎo)致Bx有所減小。由此表明，對于電纜鋁護(hù)套埋深為2 mm的埋藏未焊透缺陷，ACFM方法是有效的。

圖6 埋藏未焊透缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布Fig.6 Induced current density distribution in buried incomplete penetration defect area

圖7 埋藏未焊透缺陷區(qū)域的磁場強(qiáng)度Fig.7 Magnetic field strength in buried incomplete penetration defect area

2.3 焊穿缺陷的信號特征

焊穿缺陷也是一種常見的高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷。為了分析焊穿缺陷區(qū)域感應(yīng)電流分布的特點和磁場信號特征，設(shè)置了一個長、寬分別為2，0.3 mm的通孔來模擬焊穿缺陷。檢測方法同表面漏焊缺陷的檢測。檢測后得到焊穿缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布和磁場強(qiáng)度，分別如圖8和圖9所示。由圖8可知，焊穿缺陷周圍的感應(yīng)電流密度明顯增大，有效表征了焊穿缺陷。由圖9可知，焊穿缺陷上方Bx、Bz變化明顯，其能夠有效表征焊穿缺陷的長度和深度。

圖8 焊穿缺陷區(qū)域的感應(yīng)電流密度分布Fig.8 Induced current density distribution in weld penetrating defect area

圖9 焊穿缺陷區(qū)域的磁場強(qiáng)度Fig.9 Magnetic field strength in weld penetrating defect area

3 鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測實驗及結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗證ACFM方法用于不同類型鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測的有效性，按照前文仿真模型中設(shè)置的參數(shù)，制作了U形激勵探頭實物，繞制了正交式檢測線圈以拾取Bx、Bz信號，并利用交流信號源、信號處理模塊和NI數(shù)據(jù)采集卡搭建了ACFM實驗平臺，如圖10所示。

圖10 ACFM實驗平臺Fig.10 ACFM experimental platform

3.1 表面漏焊缺陷的檢測及分析

采用電火花刻蝕技術(shù)在外半徑為75 mm、厚度為3 mm的電纜鋁護(hù)套的焊縫上加工出長、寬、深分別為10，0.3，1 mm的槽形人工缺陷，如圖11（a）所示。在搭建的ACFM實驗平臺上對該缺陷進(jìn)行檢測。探頭的激勵頻率為7 kHz，驅(qū)動電流為2 A，電流方向與仿真時相反。當(dāng)探頭兩腳的連線平行于裂紋的走向而平穩(wěn)掃過后，得到表面漏焊缺陷檢測信號，如圖11（b）所示。

圖11 表面漏焊缺陷檢測實驗Fig.11 Detection experiment of surface missed welding defect

由圖11（b）可知：Bz的波形為一連續(xù)的波峰和波谷，這是因為實驗時設(shè)置的勵磁線圈的電流方向與仿真時相反，因此檢測得到的Bz曲線與仿真結(jié)果反向；Bx的波形為兩波峰之間夾一較寬的波谷?？梢姍z測結(jié)果與仿真結(jié)果一致。圖中Bz與Bx合成的蝶形信號可用于缺陷類型的快速區(qū)分[18-20]。實驗表明，ACFM技術(shù)可以用于電纜鋁護(hù)套焊縫表面漏焊缺陷的檢測。

3.2 埋藏未焊透缺陷檢測及分析

采用電火花刻蝕技術(shù)在電纜鋁護(hù)套焊縫上加工出埋深為2 mm，長、寬、深分別為10，0.3，1 mm的埋藏未焊透缺陷。檢測后得到埋藏未焊透缺陷的檢測信號，如圖12所示。由圖可知，檢測結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，由于受探頭結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)電路的影響，實驗信號存在一定的失真。實驗表明，ACFM技術(shù)可以有效識別該埋藏未焊透缺陷。

圖12 埋藏未焊透缺陷檢測信號Fig.12 Detection signal of buried incomplete penetration defect

3.3 焊穿缺陷檢測及分析

同樣采用電火花刻蝕技術(shù)在電纜鋁護(hù)套焊縫上加工出長、寬分別為2，0.3 mm的焊穿缺陷。檢測后得到焊穿缺陷檢測信號，如圖13所示。由圖可知，檢測結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖13 焊穿缺陷檢測信號Fig.13 Detection signal of weld penetrating defect

另外，比較圖11（b）、圖12、圖13的蝶形圖可以看出，表面漏焊缺陷和焊穿缺陷區(qū)域磁場強(qiáng)度的信號較弱，埋藏未焊透缺陷區(qū)域的信號較強(qiáng)，且蝶形圖具有各自典型的特征，因此蝶形圖能夠在一定程度上表征缺陷的類型。

4 結(jié)束語

分析了高壓電纜鋁護(hù)套焊縫表面漏焊、埋藏未焊透和焊穿缺陷區(qū)域在交流電磁場激勵下感應(yīng)電流密度的分布，設(shè)計了能夠獲取焊縫缺陷長度和深度信息的ACFM探頭及檢測平臺。實驗表明，采用基于ACFM技術(shù)的高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷檢測方法對3 mm厚鋁護(hù)套常見焊縫缺陷的檢測是可行的，不僅能夠檢測鋁護(hù)套焊縫表面漏焊和焊穿缺陷，而且能夠有效識別埋深為2 mm，長、寬、深分別為10，0.3，1 mm的埋藏未焊透缺陷；同時，由測得的Bx與Bz合成的蝶形圖能夠在一定程度上表征焊縫缺陷類型。今后，將對所提出的ACFM方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，將其應(yīng)用于高壓電纜鋁護(hù)套焊縫缺陷的快速檢測及缺陷類型的準(zhǔn)確識別。