基于動生渦流效應(yīng)的高速運行構(gòu)件亞表面缺陷檢測

王豐龍，袁 飛，孫 誠，于亞婷

(電子科技大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，成都 611731)

疲勞失效是持續(xù)運動的零件和構(gòu)件的主要失效形式[1-3]，在工程領(lǐng)域中金屬構(gòu)件斷裂失效的情況普遍存在。疲勞導(dǎo)致金屬構(gòu)件表面或者亞表面產(chǎn)生疲勞裂紋，其中亞表面疲勞裂紋隱藏在金屬構(gòu)件內(nèi)部，難以被發(fā)現(xiàn)。帶有缺陷的構(gòu)件在高速運動中更容易發(fā)生斷裂和疲勞失效，造成災(zāi)難性的事故。因此，對構(gòu)件亞表面缺陷檢測方法的研究對于預(yù)防工程事故、保護(hù)生命財產(chǎn)安全具有重大意義。

動生渦流是指運動金屬構(gòu)件高速切割磁力線而在表層產(chǎn)生的漩渦狀電流，近幾年國內(nèi)外學(xué)者對動生渦流檢測技術(shù)做了探索性研究。SHIN[4]通過對運動狀態(tài)下漏磁檢測產(chǎn)生的動生渦流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)動生渦流會對漏磁檢測信號的幅值產(chǎn)生影響，并且檢測信號隨傳感器安放位置的不同而發(fā)生變化。ZEC等[5]基于被測金屬表面產(chǎn)生的動生渦流對永磁體的阻力作用，提出了一種利用洛倫茲力檢測金屬表面缺陷的方法，該方法通過測量永磁體在金屬上方運動時所產(chǎn)生的力的大小，實現(xiàn)對缺陷的識別。ROCHA提出了動生渦流檢測技術(shù)，采用運動永磁鐵對鋁板亞表面缺陷進(jìn)行了檢測試驗，找出缺陷和檢測信號的關(guān)系。高運來等[6]對高速漏磁檢測中的速度效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)檢測設(shè)備與金屬發(fā)生相對運動時，金屬表面將產(chǎn)生動生渦流，動生渦流所產(chǎn)生的磁場將疊加在原有磁場上，對金屬表面缺陷處的磁場強度和磁場分布產(chǎn)生影響，最終影響高速漏磁檢測精度。伍劍波等[7]對鋼管高速漏磁檢測中磁化線圈所產(chǎn)生的動生渦流的變化規(guī)律以及其對鋼管磁化狀態(tài)的影響開展研究，發(fā)現(xiàn)動生渦流可改變鋼管的磁化狀態(tài)，導(dǎo)致鋼管管頭、管體及管尾處的同尺寸缺陷產(chǎn)生不同強度的漏磁場，從而影響缺陷的定量識別。FENG等[8]利用運動狀態(tài)下漏磁檢測中產(chǎn)生的動生渦流，提出一種基于動生渦流檢測非鐵磁性材料的電磁無損檢測方法。WANG等[9-10]對渦流熱成像系統(tǒng)在動態(tài)掃描過程中產(chǎn)生的動生渦流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)動生渦流的拖影和橫向熱擴散會使圖像變得模糊，從而淹沒噪聲信號。YUAN等[11]對動生渦流生成機理及其在電磁無損檢測技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)并使用動生渦流檢測方法對鋼軌試樣進(jìn)行檢測，分析了傳感器檢測位置與檢測信號強弱的關(guān)系。

文章采用直流激勵線圈，首先從仿真角度建立含缺陷高速運動構(gòu)件的2D電磁仿真模型，并就該模型研究典型的鐵磁性材料和非鐵磁性材料在不同運動速度下檢測信號和缺陷埋藏深度之間的關(guān)系，最后構(gòu)建試驗平臺，進(jìn)行試驗驗證。

1 含缺陷高速運動構(gòu)件的二維電磁場建模

1.1 建立有限元數(shù)值仿真模型

高速運動構(gòu)件動生渦流檢測仿真模型包含被測試件、激勵線圈和磁傳感器。采用Maxwell 2D軟件建立如圖1 (a)所示的二維高速運動構(gòu)件動生渦流檢測系統(tǒng)仿真模型，其中淺綠色線框表示金屬構(gòu)件運動區(qū)域，其總長度為440.75 mm，高度為7.5 mm；深藍(lán)色線框為被測試件，其長度為244.75 mm，高度為6 mm。被測試件中的缺陷尺寸定義如圖1 (b)所示。激勵線圈位于被測試件上方，其高度為8 mm，線圈內(nèi)徑、外徑分別為10，16 mm，提離為1 mm。由于傳感器安放位置對電磁信號和檢測效果也有一定影響，所以為了探究這一問題，以激勵線圈位置作為參照分別設(shè)置了3組不同位置的監(jiān)測點以供后續(xù)試驗。仿真采集檢測點1#～3#的信號，檢測點分布如圖1 (c)所示。

圖1 高速運動構(gòu)件動生渦流檢測系統(tǒng)

1.2 鐵磁性材料亞表面缺陷檢測仿真

1.2.1 仿真模型材料選定

材料設(shè)置包括3部分，分別是激勵線圈材料、軌道區(qū)域材料、被測試件材料。材料選定結(jié)果如表1所示。

表1 材料選定結(jié)果

1.2.2 仿真模型邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

軟件可以設(shè)置5種邊界條件，分別是自然邊界條件(紐曼邊界條件)、狄里克萊邊界條件(矢量磁位邊界條件)、對稱邊界條件、氣球邊界條件和主從邊界條件。仿真時各系統(tǒng)被空氣包圍，因此將4個邊界設(shè)為氣球邊界[見圖1(a)中灰色線框部分，表示無限遠(yuǎn)處電荷為零]。

由于動生渦流存在趨膚效應(yīng)，因此選擇基于趨膚深度的網(wǎng)格劃分方法(表面處網(wǎng)格劃分密集，距離表面越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏)，以保證在滿足精度的同時減少計算規(guī)模。試件上表面與激勵線圈之間的運動區(qū)域需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，保證仿真能得到較為精確的求解結(jié)果。網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分效果圖

1.2.3 亞表面缺陷深度與磁場信號仿真分析

基于1.2.1的有限元模型，研究鐵磁性材料(45鋼)亞表面缺陷深度與輸出磁場信號的關(guān)系。在研究中，缺陷寬度為固定值0.8 mm，將缺陷深度設(shè)置為0.1，0.3，0.5，0.8，1.0，2.0 mm，運動速度為10 m·s-1。采集2#測點水平和豎直方向的磁場信號，可得到不同亞表面缺陷埋藏深度的磁場信號和運動距離之間的關(guān)系(見圖3)。通過圖3可看出：① 不同埋藏深度亞表面缺陷信號的變化趨勢基本一致，缺陷位置水平方向磁場分量信號下降，形成波谷特征；豎直方向磁場分量信號則先降后升再降，形成波谷-波峰特征；② 缺陷埋藏深度越淺，信號的特征越明顯，當(dāng)埋藏深度達(dá)到2.0 mm時，水平和豎直方向磁場分量信號幾乎呈一條直線，即埋藏深度超過2.0 mm的缺陷難以被檢測。主要原因是45鋼相對磁導(dǎo)率較大，趨膚深度較淺，當(dāng)缺陷埋藏深度超過趨膚深度時，缺陷對渦流信號的干擾很小。

圖3 45鋼中不同埋藏深度缺陷的磁場信號

1.2.4 構(gòu)件運動速度與磁場信號仿真分析

目前常用于運動鐵磁構(gòu)件的渦流檢測(ECT)技術(shù)主要采用靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)檢測，檢測速度小于10.0 m·s-1[12-13]；而文章仿真研究主要針對高速運行構(gòu)件，平均運行時速約80～100 km/h，因此仿真組中設(shè)置構(gòu)件的運動速度為10，15，20 m·s-1。45鋼亞表面缺陷寬度、深度分別為0.8，1.0 mm，運動速度為10，15，20 m·s-1時缺陷的磁場分布如圖4所示。圖5為不同運動速度下2#檢測點水平和豎直方向的磁場信號。由圖4和圖5可看出，運動速度越大，趨膚效應(yīng)越明顯，拖影效應(yīng)也越明顯，水平方向磁場信號越強，而豎直方向磁場信號越弱，同時也可看出，相比于20 m·s-1，速度10 m·s-1時的水平和豎直方向磁場信號幅值較大。

圖4 45鋼不同速度下缺陷的磁場分布

圖5 45鋼2#檢測點不同速度下的磁場信號

1.2.5 傳感器安放位置與磁場信號仿真分析

因動生渦流存在拖影效應(yīng)，故該節(jié)研究檢測點位置對檢測信號的影響。在運動速度為10 m·s-1，亞表面缺陷寬度為0.8 mm、深度為0.3 mm條件下，得到1#～3#檢測點的磁場信號如圖6所示。從圖6可看出，1#檢測點水平方向磁場信號基線值最大，但3#檢測點水平方向磁場信號幅值最高，對缺陷最敏感；豎直方向磁場信號也呈現(xiàn)類似規(guī)律，即在檢測運動構(gòu)件亞表面缺陷時，檢測點越靠近線圈與試件運動方向相反的內(nèi)側(cè)位置，越有利于缺陷檢測。

圖6 45鋼不同檢測點位置的磁場信號

1.3 非鐵磁性材料亞表面缺陷檢測仿真

1.3.1 缺陷深度與磁場信號仿真分析

非鐵磁性材料選用典型航空鋁合金材料7075。缺陷埋藏深度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm，缺陷寬度為0.8 mm，運動速度為10 m·s-1。不同埋藏深度缺陷的磁場信號如圖7所示。由圖7可看出不同深度亞表面缺陷的磁場信號趨勢基本一致，即水平方向磁場信號先小幅上升再大幅下降，形成波峰-波谷，而豎直方向磁場信號先微幅上升再降低再升高，形成波峰-波谷-波峰特征；同時，缺陷埋藏深度越小，信號特征越明顯。由此可見，兩種不同材料的磁場信號變化趨勢相似。

圖7 鋁合金不同埋藏深度缺陷的磁場信號

1.3.2 構(gòu)件運動速度與磁場信號仿真分析

對于動生渦流信號來說，由于趨膚深度與激勵頻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而直流激勵與構(gòu)件發(fā)生相對運動產(chǎn)生的動生渦流可以類似于低頻諧波信號激勵下產(chǎn)生的感生渦流，所以趨膚深度更大[14]。構(gòu)件運動速度為10，20，30 m·s-1時，亞表面寬度為0.8 mm、埋藏深度為1.0 mm缺陷的動生渦流分布如圖8所示。不同速度下2#檢測點的水平方向磁場信號如圖9所示。從圖8和圖9可看出，與鐵磁性材料相比，非鐵磁性材料的趨膚深度更大，可以檢測埋藏更深的缺陷。運動速度對檢測信號的影響與鐵磁性材料的影響基本一致，即運動速度對缺陷的定位幾乎沒有影響；但速度越大，信號越強；同時也可看出速度越小，缺陷檢測信號越明顯。

圖8 不同速度下鋁合金缺陷的動生渦流分布

圖9 鋁合金不同速度下2#檢測點的水平方向磁場信號

1.3.3 傳感器安放位置與磁場信號仿真分析

和1.2.3中檢測點的位置相同，當(dāng)運動速度為10 m·s-1，亞表面缺陷寬度為0.8 mm、深度為1.0 mm時，1#～3#檢測點的水平方向磁場信號如圖10所示。從圖10可看出，2#檢測點信號相對1#和3#檢測點信號波動更大。因此對于非鐵磁性材料亞表面缺陷檢測，2#檢測點更合適；而對于鐵磁性材料則3#檢測點更合適。這是由于鐵磁性材料拖影效應(yīng)更加嚴(yán)重，非鐵磁性材料渦流分布相對均勻，檢測效果最好的是中間檢測點。

圖10 鋁合金不同檢測點的水平方向磁場信號

2 高速運動構(gòu)件亞表面缺陷檢測試驗

2.1 檢測試驗平臺搭建

高速運動構(gòu)件亞表面缺陷檢測平臺由高速運動構(gòu)件旋轉(zhuǎn)平臺、檢測系統(tǒng)和計算機構(gòu)成[見圖11(a)]，其中高速構(gòu)件旋轉(zhuǎn)平臺由電機、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及被檢構(gòu)件組成；檢測探頭[見圖11(b)]固定在被檢件邊緣處，由激勵線圈和霍爾傳感器構(gòu)成。系統(tǒng)速度為100～1 200 r·min-1，即轉(zhuǎn)動速度為1.36～15 m·s-1。埋藏缺陷刻在厚為6 mm的45鋼圓盤上，缺陷寬度為0.8 mm，埋藏深度為0，2，3，4，5，5.5 mm，缺陷分布如圖11(c)所示(加工在試件外表面)。

圖11 試驗平臺及缺陷分布示意

試驗采用霍爾傳感器獲取磁場信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，電信號經(jīng)過濾波器后被數(shù)據(jù)采集卡采集，濾波器截止頻率設(shè)置為1 500 Hz，提離為1 mm。

2.2 試驗結(jié)果分析

試驗涉及兩種探頭，其內(nèi)置傳感器是相同型號的霍爾傳感器，但其安放方向相垂直，其中一個用來測量水平方向磁場信號，另一個用來測量豎直方向磁場信號。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時的磁場信號如圖12所示。由圖12可看出，缺陷埋藏深度為0，2，3 mm的亞表面缺陷可以被清楚地識別出，而由于受到趨膚效應(yīng)的影響，其他埋藏較深的缺陷則無法檢測出。這與仿真結(jié)論一致。對比圖3可看出，試驗和仿真中亞表面缺陷對水平方向磁場信號和豎直方向磁場信號的影響特征是一致的。相比豎直方向磁場信號，水平方向磁場信號更適合用于亞表面缺陷的定量檢測。

圖12 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時的磁場信號

選擇水平方向磁場信號來研究運動速度對磁場信號的影響。轉(zhuǎn)速為200，400，800，1 200 r·min-1(分別對應(yīng)圓盤邊緣線速度為2.5，5，10，15 m·s-1)時得到的檢測信號如圖13所示。

圖13 不同速度下構(gòu)件旋轉(zhuǎn)一圈的檢測信號

從圖13可看出，不同運動速度下構(gòu)件轉(zhuǎn)動一周所得的電磁信號幾乎一致，即在缺陷處出現(xiàn)波谷。因此，可通過波谷信號實現(xiàn)缺陷的定位。同時，可以看到缺陷信號的波谷值隨速度而變化，基本上運動速度越大，波谷值越小，證明了運動速度會對缺陷檢測信號的強度產(chǎn)生影響，與仿真結(jié)果吻合。

3 結(jié)語

采用數(shù)值仿真和試驗方法研究缺陷檢測信號與缺陷埋藏深度、構(gòu)件運動速度以及傳感器位置的關(guān)系，確定了針對鐵磁性材料和非鐵磁性材料的亞表面缺陷的檢測特征信號以及最佳的檢測位置，為金屬構(gòu)件亞表面缺陷的定量檢測奠定基礎(chǔ)。

受試驗條件的限制，研究獲取的不同缺陷、不同材料的檢測信號數(shù)量有限；同時金屬構(gòu)件在運行過程中由于轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸的不垂直度引起轉(zhuǎn)盤邊緣和檢測探頭距離的變化也是引起誤差的一個重要原因。