表面粗糙度對渦流檢測的影響

湯　祺，馮　搏，楊　蕓，康宜華

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

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表面粗糙度對渦流檢測的影響

湯祺，馮搏，楊蕓，康宜華

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

為探究表面粗糙度對渦流檢測的影響，對不同粗糙度表面上的裂紋開展渦流檢測試驗。結果表明：在較為粗糙的工件表面，裂紋能否被有效檢測不僅取決于粗糙度的大小，還跟加工方式和紋理有關。將粗糙表面等效為多個以Ra值為深度的裂口，從等效裂口對渦流產生截斷的角度，分析了工件表面場強度分布；通過分析裂口對電子流動的阻礙，得出了表面粗糙度與工件電導率的關系。

渦流檢測；粗糙度；表面紋理；電導率；線圈阻抗

渦流檢測因簡單易操作、不需耦合和易實現自動化檢測等優點，被廣泛應用于金屬工件表面或近表面的檢測中[1]。金屬工件在進行加工、與其他工件進行摩擦、或在用被腐蝕等情況下都會形成不同程度的粗糙面。粗糙的工件表面就相當于多個微小缺陷，影響渦流檢測時的精度和準確性。為此，有必要探討在粗糙的金屬表面上對微小裂紋實施渦流檢測的可行性，確定不同環境下的檢測能力，為渦流檢測應用提供指導。筆者通過試驗，得出在較為粗糙的工件表面，裂紋的檢出不僅取決于粗糙度，還與加工方式和紋理有關。

1　粗糙表面上微小裂紋的渦流檢測試驗

1.1試件

為分析表面粗糙度對渦流檢測產生的影響，采用經過機械加工有規則表面紋理的工件進行試驗。選擇經盤刀銑、立刀銑兩種方式加工的工件各3件,Ra(表面粗糙度)值分別為3.2，6.3，12.5 mm，并選用Ra為0.2 mm的平磨表面作為比對，不同粗糙度試件加工表面如圖1所示。

如圖2所示，在每件工件相同位置上刻有三條人工刻槽，刻槽深度由深至淺依次為50，20，5 μm，寬度均為 20 μm,長度均為5 cm。

圖1　不同粗糙度試件加工表面

圖2　試件人工刻槽示意

在試驗中，使用差分式渦流探頭[2]，且保證在掃查過程中探頭和工件表面始終保持緊密接觸、零提離間隙。

1.2試驗結果

圖3為平磨Ra=0.2 mm試件刻槽的信號圖，從左至右依次對應深度為50，20，5 μm的刻槽信號。為了便于分析，將不同工件上，相同深度刻槽信號放在一起進行比對。如圖46所示，每組信號從左至右Ra依次對應3.2,6.3,12.5 mm試件。

圖3　平磨Ra=0.2 mm刻槽檢測信號

圖4　不同試件50 μm刻槽檢測信號

圖5　不同試件20 μm刻槽檢測信號

圖6　不同試件5 μm刻槽檢測信號

根據圖46的信號，進行刻槽信號幅度與底波信號幅度比Rs的計算，得到刻槽信號幅度與底波信號幅度比Rs跟粗糙度的關系如表1所示。

表1表明，在同等粗糙度下，裂紋越深Rs越大，信號越明顯；裂紋深度相同時，隨著粗糙度的加大, 檢測信號中的背景信號不斷增強，Rs減小。當裂紋深度為5 μm時，在三種粗糙度下，Rs接近于0，都不易被檢測出。當裂紋深度為20 μm時，立刀銑Ra=12.5 mm的Rs接近于0，而盤刀銑Ra=12.5 mm的Rs在2.0左右，即說明，在較為粗糙的工件表面，缺陷能否被有效檢測不僅取決于工件表面粗糙度的大小，還與工件加工方式產生的紋理有關。

表1　刻槽信號幅度與底波信號幅度比與粗糙度關系

2　試驗結果分析

2.1不同加工方式產生的干擾信號

在標準GB 3505-1983《表面粗糙度術語 表面及其參數》中，對表面粗糙度的評定方法可從水平x和高度y兩方向進行，其中包含三個基本參數(水平)和三個評定參數(高度)。高度參數中，對Ra系數值定義為在取樣長度l內輪廓偏距絕對值的算術平均值，即：

(1)

水平參數中，含有一個輪廓單峰的平均間距S，兩個相鄰輪廓的波峰在中線上投影的距離為Si，在長度l內，Si的平均值也就是輪廓單峰的平均間距S。

文獻[3]中，對不同加工表面的輪廓峰密度E(E=1/S)與表面系數值Ra之間的關系進行了討論。根據文獻中的關系表，得到Ra-S的關系圖，且對曲線進行直線擬合,如圖7所示。

圖7　不同加工方式的Ra-S關系曲線

從圖7可知，無論是平磨、磨削還是立刀銑，輪廓偏距Ra與輪廓間距S之間都近似成線性關系，且平磨斜率k≈0.062 67，立刀銑斜率k≈0.019 91，刨削斜率k≈0.025 96。可近似認為，同一種加工方式的工件表面，其表面粗糙系數Ra與輪廓間距S成正比；對于不同加工方式的工件表面，Ra-S關系曲線的斜率大小k各不相同，在相同粗糙系數Ra值的情況下，工件表面的輪廓間距S與斜率k有關，且成反比關系，即Ra相同時，k值越大，輪廓間距S越小。由此可對工件表面二維結構進行簡單模擬，如圖8所示。

圖8　粗糙表面紋理的模擬圖

在渦流檢測中，激勵線圈產生交變磁場，在工件表面產生電渦流。若工件表面光滑且無裂紋，工件表面的電渦流呈同心圓環型分布；若工件表面存在裂紋，則渦流會從裂紋的底部繞行，故工件表面的電渦流會發生截斷，垂直于工件表面的法向磁場Bz會相應變化[4]，如圖9所示。

圖9　裂紋周圍渦流分布

在粗糙表面進行渦流檢測時，粗糙表面的紋理可等效為一個深度為Ra值、寬度為S的槽口。當渦流探頭在工件表面掃查時，粗糙紋理引起垂直于工件表面的磁場分量Bz的變化，產生底波信號。

(1) 平磨Ra為0.2工件

平磨加工的Ra-S近似線性關系的斜率k約為0.062 67，對于平磨Ra為0.2的工件，其輪廓間距S約為3.191 3 μm，表面粗糙紋理相當于一個深0.2 μm、寬3.191 3 μm的裂紋槽，因紋理的深度較淺，寬度較小，故對渦流截斷產生的影響很小，所以在平磨工件上的檢測信號清晰。

(2) 不同加工方式Ra值相同的工件

文獻[6]并未對盤刀銑的輪廓峰密度E與輪廓偏距Ra之間的關系進行討論，故暫且不知盤刀銑Ra-S之間的斜率值，但從圖1可知，當盤刀銑和立刀銑的Ra值相同時，立刀銑的紋理寬度明顯比盤刀銑的紋理寬度寬。

對于立刀銑Ra為12.5 mm的工件，工件表面紋理的輪廓間距S約為0.062 78 mm，即立刀銑Ra為12.5 mm工件的表面紋理相當于一個深度為12.5 μm、寬0.627 8 mm的裂紋槽，故表面紋理產生的底波信號很大，Rs較小。雖然盤刀銑的紋理深度與立刀銑相同，但寬度比立刀銑窄，故底波信號相對立刀銑要小些。所以在同等粗糙度條件下，立刀銑比盤刀銑的底波信號大，Rs減小。

(3) 相同加工方式Ra值不同的工件

以立刀銑為例，Ra=6.3 μm時，輪廓間距大約為0.316 4 mm，相當于一個深度為6.3 μm、寬0.316 4 mm的裂紋槽。所以隨著Ra值的減小，產生的底波信號也相應的減小，Rs則增大。

2.2粗糙表面對線圈阻抗值的影響

渦流檢測中，試件因線圈感應出的渦流大小，相位和分布與試件電磁性質，激勵頻率，線圈與試件之間的耦合等因素有關，且渦流的存在又影響檢測線圈周圍的磁場分布，線圈的阻抗也隨著變化[5]。文獻[6]中，筆者通過麥克斯韋方程組以及對應的邊界條件聯立計算進行求解，求得相應的線圈阻抗的表達式,并將線圈阻抗表達式轉化為級數表達式:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ki為電磁場中介質i的傳播常數；h為線圈底平面與導體平面間的距離;線圈內外經分另為r1和r2;m0為磁導率；m2、e2分別為導體的電磁參數;w為線圈激勵角頻率。

式(2)中，入射阻抗僅為感抗，與線圈的激勵頻率以及線圈本身的各種參數，如磁導率、內徑、外徑有關，不會引起線圈阻抗的變化。式(3)中，散射阻抗的表達式中含有變量提離值h，隨著提離值的變大，檢測線圈阻抗增大.從圖8可知，對于Ra值不同的工件，隨著Ra值的增大，線圈到工件表面的提離h也增大，從而影響著線圈阻抗的變化。

散射阻抗表達式(3)中含有變量ui，ui與電磁場中介質i的傳播常數ki有關，且是電導率的函數，故電導率的變化必將引起線圈阻抗的變化。

2.3粗糙表面引起電導率的變化

工件表面的粗糙紋理使工件的顯微組織發生變化，或使工件微觀結構的晶體點陣扭曲變形從而破壞晶體離子勢場的對稱分布，使電子的散射率發生變化，從而引起工件的電導率發生變化。

當檢測探頭到達缺陷位置時，部分電子因受到缺陷的阻隔，使得電導率下降，在探頭位于缺陷中心位置的正上方時，自由電子受到缺陷阻隔的影響最為嚴重，所以此時工件的電導率達到最低值。且隨著缺陷深度的增加，被阻隔的電流密度也在增大，從而電導率的最低值會減小[7]。

粗糙表面工件的紋理可等效為有一定深度和寬度的缺陷，隨著粗糙表面工件Ra值的不同，紋理的寬度、深度各不同，對工件電導率的分布也相應會產生一定影響。即Ra值越大，工件表面紋理深度越深，工件電導率達到的最低值越小，下降速度也越快，從而對檢測線圈的阻抗影響也越大。電導率的減小，引起線圈的散射阻抗值增大，隨著電導率減小的差量增大，使得線圈散射阻抗值增大的差量也增大，即工件表面Ra值越大，工件電導率達到的最低值越小，則線圈散射阻抗值越大。工件的表面越粗糙，引起電導率的變化越大，相應對渦流檢測的阻抗值影響也越大。

3　結論

(1) 渦流檢測過程中，粗糙表面紋理相當于多個缺陷引起渦流截斷，產生底波干擾信號，底波信號的大小與工件加工方式和Ra值有關。

(2) 粗糙表面會對線圈的阻抗產生影響，使得檢測過程中會產生噪聲信號，且隨著工件表面粗糙度Ra值的增大，信噪比減小，缺陷信號不易被辨別，不易檢測出較淺裂紋。

(3) 粗糙表面對電子的流動產生阻隔，引起電導率變化，影響線圈散射阻抗的變化。

(4) 渦流檢測的工程應用中，要結合表面狀況實施合適的檢測精度標準,表面紋理幾何特征和期望的檢測裂紋深度間存在一定的關系，紋理深度Ra與檢測裂紋深度比超過0.5后，檢測信號的信噪比很低，從而難以實施有效檢測。

(5) 在紋理深度Ra與檢測裂紋深度比大于0.5的相對粗糙表面上實施絕對尺度微小的裂紋檢測時，強噪聲背景下的缺陷信號增強方法有待進一步研究。

[1]劉寶，徐彥霖，王增勇，等. 渦流檢測技術及進展[J].測控技術，2006,25(3)：80-82.

[2]張課紅，孫堅，徐紅偉. 渦流檢測探頭的設計應用研究[J].科技創新導報,2008(26)：11-12.

[3]李伯奎.不同機械加工表面輪廓峰密度的研究[J]. 工具技術，2006，32(9):39-42.

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[7]刑麗.攪拌摩擦焊未焊透缺陷形貌對渦流電導率的影響[D].南昌:南昌航空大學，2010:20-42.

Influence of Surface Roughness on Eddy Current Testing

TANG Qi, FENG Bo, YANG Yun, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China)

To explore the influence of surface roughness on eddy current testing, a series of experiments was applied to work pieces with different surface roughness value Ra. The experiment results show that: for work pieces with rough surface, the detectability of defects is not only dependant on the roughness value but also on the ways of manufacturing and texture. In this paper, the rough surface is equivalent to numbers of defects with depth of Ra. The distribution of magnetic field is analyzed on the basis of the truncation of eddy current caused by equivalent defect. Furthermore, the influence of surface roughness on specimen conductivity is proposed based on the hinder of electron flow caused by equivalent defect.

Eddy current testing; Roughness; Surface texture；Electrical conductivity；Probe impedance

2015-04-07

國家自然科學基金資助項目(51475194，51275193)

湯祺(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測及儀器。

康宜華(1965-)，男，博士生導師，主要從事無損檢測技術及儀器方向研究工作。

10.11973/wsjc201603012

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0047-05