基于脈沖渦流熱成像的金屬材料裂紋檢測研究

胡德洲，左憲章，王建斌，張玉華

（軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊050003）

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基于脈沖渦流熱成像的金屬材料裂紋檢測研究

胡德洲，左憲章，王建斌，張玉華

（軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊050003）

摘要：脈沖渦流熱成像無損檢測技術可以對金屬材料的表面裂紋進行快速準確的檢測，通過比較鐵磁性的45#鋼和非鐵磁性的不銹鋼感應加熱時渦流場和溫度場的不同分布規律，發現由于二者趨膚深度相差很大，45#鋼試件表面和裂紋底部感應電流密度基本相等，不銹鋼裂紋邊緣感應電流密度較小、底部角落處感應電流密度較大，感應電流密度分布和裂紋對熱擴散的阻礙作用共同決定裂紋附近的溫度變化規律。結合實驗對結論進行驗證，為金屬材料裂紋的定量檢測提供指導。

關鍵詞：感應加熱；熱成像；金屬材料；渦流場；溫度場

0　引言

機械設備中的許多關鍵部件都由金屬材料制成，部分設備由于經常運行在高溫、高壓、高速或高負載等惡劣條件下，在其表面或內部會產生腐蝕、裂紋、坑洞等缺陷，影響設備的正常使用、給人員的生命財產造成嚴重威脅。因此，對設備進行無損檢測，判定其質量狀態，對于保證設備安全運行和提高生產效率有著重要的現實意義。脈沖渦流熱成像無損檢測技術與常規無損檢測技術相比，具有非接觸測量、靈敏度高、反應速度快、信號處理速度快、檢測面積大、直觀和準確的特點，非常適合現場以及在線檢測[1-3]。

目前，國內對于脈沖渦流熱成像無損檢測技術的研究尚處于起步階段，多側重于定性分析，研究了檢測機理以及材料缺陷附近的溫度分布規律[4-8]。奧地利學者Beate等[9-10]比較了鐵磁性和非鐵磁性材料感應加熱時裂紋附近溫度分布的差異。感應加熱過程涉及渦流場和溫度場兩個方面，受材料的物理特性影響明顯。但是在實際檢測中,材料電磁特性、熱特性等參數千差萬別，導致不同材料感應加熱現象相差很大，需要進一步研究不同材料參數在感應加熱時裂紋附近的渦流場和溫度場分布規律及其產生的原因，便于對實際檢測中出現的各種現象進行合理解釋。因此，本文選取45#鋼、不銹鋼兩種典型材料，比較了鐵磁性材料和非鐵磁性材料感應加熱時渦流場和溫度場分布規律，并結合實驗進行驗證，為下一步裂紋的定量檢測提供指導。

1　脈沖渦流熱成像檢測技術原理

線圈中通入交變電流時，根據電磁感應定律，在導線附近的導電試件中會有感應電流（渦流）產生，由于導體本身存在電阻，將在導體中產生焦耳熱。試件中的缺陷（如裂紋、腐蝕等）將會對感應電流的分布造成影響，進而引起試件表面溫度的變化。利用紅外熱像儀將試件表面的溫度分布記錄下來，經過計算機對溫度圖像處理，即可實現缺陷的識別、分類、定量檢測等。

趨膚效應是影響感應加熱時導體內部渦流分布的一個重要現象，即產生的渦流集中在導體表面，渦流密度在深度方向上由表面至中心按指數規律衰減。當渦流密度降低為表面渦流密度的1/e時距離表面的深度稱為趨膚深度，趨膚深度與激勵電流頻率和材料的電導率有關，其計算式為

其中：δ——趨膚深度；

f——激勵電流頻率；

μ——磁導率；

σ——電導率。

由于鐵磁性材料相對磁導率較大，而非鐵磁性材料相對磁導率為1，在相同激勵條件下，二者的趨膚深度相差很大，導致感應加熱現象存在明顯差異。因此，本文以45#鋼和不銹鋼兩種典型材料進行仿真分析，然后進行實驗驗證，研究鐵磁性材料和非鐵磁性材料的感應加熱規律。

2　感應加熱仿真研究

2.1仿真模型建立

利用有限元仿真分析軟件COMSOL Multiphysic 3.5a建立如圖1所示的二維模型，其中試件尺寸為100 mm×40 mm×10 mm；矩形感應線圈位于試件中央，線圈截面3mm×3mm，長21mm，距離試件2mm；缺陷為淺槽型（slot）裂紋，寬3 mm，深5 mm，位于試件上表面中心，與試件長度方向垂直；激勵電流幅值為350 A，頻率為256 kHz，加熱時間為200 ms，初始溫度為293K。仿真所用材料參數見表1。經計算可得45#鋼和不銹鋼的趨膚深度分別為0.03 mm、0.83mm。

圖1　仿真模型

表1　仿真參數

2.2仿真結果分析

2.2.1渦流場和溫度場比較

加熱200 ms后兩種材料渦流分布和溫度分布如圖2所示。從圖2（a）、圖2（b）中可以看出，對于45#鋼，趨膚深度很小，渦流緊貼著裂紋流動；對于不銹鋼，趨膚深度較大，渦流被推離裂紋邊緣，靠近邊緣處的渦流密度低于其他位置。渦流分布的差異導致兩種材料溫度分布出現明顯差異，如圖2（c）、圖2（d）所示，45#鋼裂紋邊緣溫度明顯高于其它區域，而不銹鋼裂紋邊緣溫度相對較低，遠離邊緣以及裂紋底部出現高溫分布。

2.2.2感應電流密度比較

為分析兩種材料感應加熱溫度分布差異產生的原因，分別觀察了試件表面和裂紋底部的感應電流密度大小，如圖3所示（L=0 mm對應裂紋中心位置）。由于45#鋼渦流緊貼裂紋流動，試件表面和裂紋底部感應電流在裂紋附近基本相等；不銹鋼渦流被推離裂紋邊緣，因此靠近裂紋邊緣時感應電流密度較小，而裂紋底部角落處感應電流出現聚集。由于兩種材料趨膚深度相差很大，45#鋼的感應電流密度遠大于不銹鋼。

圖2　加熱200ms時渦流分布和溫度分布

圖3　裂紋附近感應電流密度分布

圖4　試件表面溫度分布

2.2.3裂紋附近溫度分布規律比較

為進一步分析兩種材料裂紋附近的溫度變化規律，分別觀察了試件表面和裂紋底部在不同加熱時間的溫度分布情況。

首先討論試件表面的溫度分布，如圖4所示。對于45#鋼，裂紋附近感應電流密度均勻分布，但是裂紋邊緣會對熱量的擴散產生阻礙作用，隨著加熱時間的增加，邊緣處熱量聚集會更加顯著，與周圍無缺陷處溫差逐漸增大。對于不銹鋼，靠近裂紋邊緣感應電流密度逐漸降低，因此裂紋邊緣出現低溫分布，其溫度分布規律與圖3（b）中對應的感應電流密度相一致；當加熱時間＞100 ms時，裂紋邊緣與附近區域之間溫差減小，這是由于長時間加熱，熱量的不均勻分布逐漸被熱擴散所削弱。

圖5　裂紋底部溫度分布

圖6　感應加熱紅外熱圖

圖7　裂紋附近的溫度分布

裂紋底部的溫度分布規律如圖5所示。可以看出，45#鋼裂紋中心位置溫度較高，裂紋底部角落處溫度略低，隨加熱時間增加溫度上升速率逐漸減小（注意時間間隔不均勻）。這是由于45#鋼裂紋底部感應電流密度均勻分布，但是裂紋底部靠近中心位置對熱量擴散阻礙能力較強，因此溫度上升較快。不銹鋼由于裂紋底部角落處感應電流密度較高，加熱初期呈現明顯的高溫分布，隨著加熱時間的增加，由于裂紋底部靠近中心位置對熱擴散的阻礙作用和角落處向周圍熱量的擴散，溫度差異逐漸減小。與45#鋼不同的是，不銹鋼在200ms內底部溫度上升速率隨加熱時間增加逐漸增大；結合圖3可知，是由感應電流分布和材料物理屬性的差異引起。

3　實驗驗證

為了驗證仿真結果的正確性，對兩種材料的表面人工裂紋進行檢測，裂紋和激勵條件與仿真中參數相同。兩種材料感應加熱200ms時的紅外圖像和不同觀察時間的表面溫度分布分別如圖6、圖7所示。其中，圖7（a）、圖7（b）分別表示圖6（a）、圖6（b）中沿紅線的溫度分布情況，為減小誤差，取加熱區域附近5行像素點的平均值。圖中橫軸為位置坐標，取裂紋中心位置為L=0mm，縱軸為歸一化溫度。

從兩種材料的裂紋附近（裂紋邊緣在橫坐標±1.5mm處）的溫度分布可以看出，對于45#鋼，由于趨膚深度較小，感應加熱時裂紋邊緣溫度明顯高于附近區域，隨著加熱時間增加，邊緣溫度迅速升高，而裂紋底部溫度上升速率逐漸降低；而對于不銹鋼，趨膚深度較大，裂紋邊緣低于附近區域，遠離裂紋邊緣位置為高溫分布，裂紋底部溫度上升速率逐漸增加。

4　結束語

1）由于45#鋼和不銹鋼趨膚深度相差很大，感應加熱時的渦流場和溫度場呈現不同的分布規律：45#鋼渦流緊貼裂紋流動，加熱后裂紋邊緣為高溫分布；不銹鋼渦流被推離裂紋邊緣，加熱后裂紋邊緣為低溫分布。

2）感應電流密度分布和裂紋對熱擴散的阻礙作用共同決定了感應加熱時的溫度變化規律：45#鋼試件表面和裂紋底部感應電流密度基本相等，裂紋對熱擴散的阻礙導致裂紋邊緣和底部中心位置附近熱量迅速積累；不銹鋼裂紋邊緣感應電流密度較小，裂紋底部角落處感應電流密度較大，因此加熱初期邊緣溫度較低而底部角落處溫度較高，隨著加熱過程的持續，熱量的不均勻分布逐漸被熱擴散所削弱。

3）加熱過程中，由于感應電流分布規律和材料物理屬性的差異，45#鋼裂紋底部溫度上升速率逐漸減小，而不銹鋼裂紋底部溫度上升速率逐漸增加。

參考文獻

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（編輯：劉楊）

Study on the crack detection of metallic materials based on pulsed eddy current thermography

HU Dezhou，ZUO Xianzhang，WANG Jianbin，ZHANG Yuhua
（Department of UAV Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract:The surface cracks of metallic materials can be detected efficiently and accurately by pulsed eddy current thermography，The different distribution patterns of temperature and eddy current fields between magnetic 45#steel and non-magnetic stainless steel are compared in this paper，It shows that，because of significant differences in skin depth，the induced current density is substantially equal on the crack surface and bottom of 45#steel，but it is smaller in the crack edge and larger at the crack bottom of the stainless steel，The temperature variation is determined by the distribution of induced currents and the inhibiting effect of cracks on thermal diffusion，The conclusions have been experimentally verified and have provided a guide for quantitative measurement of metallic material cracks，

Keywords:inductive heating；thermography；metallic material；eddy current field；temperature field

作者簡介：胡德洲（1990-），男，湖北襄陽市人，碩士研究生，專業方向為電磁熱成像無損檢測。

基金項目：國家自然科學基金項目（51307183）

收稿日期：2015-03-20；收到修改稿日期：2015-05-10

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.006

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0028-05