基于ACFM 的921A 鋼材裂紋檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究＊

高 輝 楊 潔 張 楷 李慧聰

（①北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102600；②能源工程先進(jìn)連接技術(shù)中心，北京 102600）

目前921A 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼被廣泛用于制造船舶、橋梁、高樓等大型工程，由于921A 通常在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，其碳當(dāng)量較高，因此可焊性較差，而且在焊接過程中常會(huì)伴隨著冷裂紋、焊后熱影響區(qū)的脆化和軟化等缺陷產(chǎn)生。因此開展921A 鋼材裂紋檢測對(duì)保障工程安全、避免事故發(fā)生十分重要[1]。目前常用的裂紋檢測技術(shù)主要包括裂紋檢測的模糊學(xué)習(xí)方法、系統(tǒng)建模和實(shí)驗(yàn)測量等。然而現(xiàn)有的檢測技術(shù)對(duì)表面裂紋的檢測仍存在不足。

ACFM 交流電磁場檢測技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，用交變電流的激勵(lì)線圈靠近激發(fā)金屬部件內(nèi)部的渦流磁場，待檢測工件表面的感應(yīng)電流由于集膚效應(yīng)聚集于工件表面，通過磁場變化的強(qiáng)弱檢測出金屬構(gòu)件表面及近表面的缺陷，并給出其尺寸和位置等參數(shù)，與現(xiàn)有的檢測技術(shù)相比，具有非接觸測量、受工件表面影響小等特點(diǎn)[2]。其核心理論為被檢測物體表面與交流電磁場發(fā)生感應(yīng)，耦合出新的畸變電磁場信號(hào)，并利用此信號(hào)進(jìn)行裂紋尺寸的分析。目前ACFM 技術(shù)的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟，TSC 公司提供的ACFM 探傷儀具有較高的性能和穩(wěn)定性，其最新推出的Amigo2 型號(hào)有先進(jìn)的信號(hào)采集和處理能力，處理數(shù)據(jù)的速度有了顯著提升，數(shù)據(jù)的分辨率、精確度都得到了有效的保障；同時(shí)能提高微缺陷、表面裂紋以及涂層缺陷的檢出率，主要用于鐵素體和奧氏體焊縫檢測。

綜上所述，在ACFM 檢測設(shè)備的研發(fā)過程中，一方面，ACFM 檢測所針對(duì)的材料大多數(shù)為低碳鋼、奧氏體不銹鋼，對(duì)于其他特殊材料，如對(duì)921A 艦船鋼的檢測鮮有研究，并存在探頭電磁參數(shù)考慮不夠全面、無法準(zhǔn)確通過擬合得出最優(yōu)參數(shù)組合、檢測數(shù)據(jù)不完備等問題；另一方面，大多數(shù)ACFM 檢測設(shè)備使用高成本的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，降低了檢測設(shè)備的經(jīng)濟(jì)適用性。

基于ACFM 的921A 鋼材裂紋檢測系模型如圖1所示，ACFM 探頭是一種傳感器，用于探測在導(dǎo)體材料中的隱蔽裂紋。其工作原理是基于交變電磁場，通過磁場使用對(duì)方向敏感的探頭探測被測對(duì)象的金屬表面，在表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)金屬表面上存在裂紋或缺陷時(shí)，感應(yīng)電流沿裂紋或缺陷流動(dòng)，產(chǎn)生局部變化的磁場，被探頭感應(yīng)并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)由采集系統(tǒng)采集[3]。ACFM 探頭能夠探測出裂紋的深度、長度和方向等關(guān)鍵參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)非破壞性的損傷檢測。

圖1 ACFM 裂紋檢測模型

本文擬通過研究ACFM 技術(shù)中電磁波的傳播機(jī)理以及各電磁參數(shù)理論值的變化規(guī)律，建立有限元仿真模型，并使用曲面響應(yīng)面法，得出一組適用于TMR2035 型號(hào)磁場傳感器所檢磁場范圍的探頭電磁參數(shù)[4]，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一款適用于檢測921A 材料的裂紋檢測探頭。使用低成本的單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，并使用Qt 和Matlab App Designer進(jìn)行遠(yuǎn)程控制界面的設(shè)計(jì)，替代傳統(tǒng)的Labview 與數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)組合，最終形成完整的檢測系統(tǒng)。

1 ACFM 模擬與仿真

1.1 電磁場模型建立

根據(jù)電磁波傳播理論，研究電磁波在介質(zhì)中的傳播過程。但由于電場和磁場無法單獨(dú)分離進(jìn)行計(jì)算[5]，因此對(duì)物理模型進(jìn)行了簡化，依據(jù)921A 材料裂紋的特點(diǎn)，利用Ansys Maxwell 中的電磁場求解器，將求解對(duì)象的電磁場分布直觀地顯示出來。簡化后的仿真模型如圖2 所示。

圖2 交變電磁場檢測物理模型

由于需要對(duì)磁場每個(gè)點(diǎn)的大小及方向進(jìn)行計(jì)算，因此選擇偏微分形式[6]。仿真模型尺寸參數(shù)和模型電磁參數(shù)分別見表1 和表2。

表1 模型尺寸參數(shù)表

表2 模型電磁參數(shù)表

在仿真分析過程中，由于ACFM 的理論是以麥克斯韋為基礎(chǔ)的電磁耦合效應(yīng)[7]，因此選用Ansys Maxwell 中的渦流場。基于上述條件，分別進(jìn)行待測導(dǎo)體、缺陷及激勵(lì)磁芯的網(wǎng)格劃分并進(jìn)行求解計(jì)算，以頻率為3 kHz、線圈匝數(shù)100 匝、激勵(lì)電流為200 mA 為例進(jìn)行后處理，分別查看待測導(dǎo)體上的磁場云圖與磁場矢量圖，如圖3 所示。

圖3 待測導(dǎo)體的磁場云圖和磁場矢量圖

同時(shí)仿真出磁場強(qiáng)度分量的大小。設(shè)置磁芯為沿x軸掃過裂紋，掃描范圍為-5 mm 到5 mm，步長為1 mm。根據(jù)磁芯方向，可知磁場分量為Bx與Bz，磁場變化曲線如圖4 所示。已知設(shè)置的裂紋尺寸為寬（x軸方向）5 mm、長（y軸方向）0.7 mm、深（z軸方向）0.7 mm，在待測工件表面的坐標(biāo)位置為(0,0)，從圖4 中可以看出，Bx與Bz磁場變化曲線與理論相符，即仿真模型建立成功。

圖4 磁芯沿x 軸移動(dòng)裂紋附近磁場分量變化曲線

1.2 探頭電磁參數(shù)仿真及優(yōu)化

1.2.1 探頭參數(shù)優(yōu)化

不同于低碳鋼和奧氏體不銹鋼，921A 為弱磁材料，相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于低碳鋼。為能檢測出921A 材料上的信號(hào)，首先需要通過仿真確立探頭的最優(yōu)電磁參數(shù)，根據(jù)理論可知，探頭設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵電磁參數(shù)為磁芯的大小與材料、繞組的線徑、繞組匝數(shù)、激勵(lì)電流大小及頻率大小。根據(jù)921A 材料的弱磁特性，當(dāng)磁芯選擇U 型錳鋅鐵氧體材料時(shí)，采取較高的電磁參數(shù)。由于線圈感抗影響交變激勵(lì)效果，因此在保證磁場強(qiáng)度與激勵(lì)電流的情況下，取較低的繞組直徑、繞組匝數(shù)和激勵(lì)頻率參數(shù)值[8]。

綜上所述，設(shè)置固定參數(shù)后，觀察其他因素的改變對(duì)磁場強(qiáng)度的影響，并隨機(jī)挑選14 組參數(shù)進(jìn)行仿真，得到最優(yōu)參數(shù)組合群，如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)磁場為5Oe 下的最優(yōu)參數(shù)組合

結(jié)合TMR2305M 傳感器的飽和磁場強(qiáng)度與功率放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)，選取目標(biāo)磁場強(qiáng)度，最后通過響應(yīng)曲面法選取可以產(chǎn)生目標(biāo)磁場強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)組合。不同目標(biāo)磁場下所得最優(yōu)參數(shù)組合見表3。

表3 不同目標(biāo)磁場下最優(yōu)參數(shù)組合

1.2.2 感抗對(duì)信號(hào)的影響

仿真感抗對(duì)功率放大器的輸出端參數(shù)設(shè)計(jì)以及探頭的設(shè)計(jì)具有重要意義。首先對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行取整，再仿真各組參數(shù)下的感抗[9]。不同組合參數(shù)下感抗的仿真結(jié)果見表4，參數(shù)組合下的感抗大小曲線如圖6 所示。

表4 不同組合參數(shù)下感抗的仿真結(jié)果

圖6 不同參數(shù)組合下的感抗的大小

根據(jù)仿真結(jié)果可知，目標(biāo)磁場為4 Oe 時(shí)參數(shù)組合中電流最小，感抗合適，且在TMR2305M 傳感器線性檢測范圍內(nèi)。因此選擇目標(biāo)磁場為4Oe 時(shí)的探頭參數(shù)組合為電流886 mA、匝數(shù)456、頻率1 896 Hz。

1.2.3 提離高度對(duì)信號(hào)的影響

在ACFM 檢測過程中，探頭距離待測工件的距離會(huì)對(duì)磁場強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響[10]。

分別設(shè)置探頭提離高度為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm，觀察磁場強(qiáng)度的變化規(guī)律及Bx和Bz的畸變量。頻率1 896 Hz、激勵(lì)電流886 mA、匝數(shù)456 時(shí)不同提離高度的磁場強(qiáng)度云圖如圖7 所示，根據(jù)磁場云圖可以得知，當(dāng)提離高度逐漸增大時(shí)，磁場強(qiáng)度迅速衰減。利用曲面響應(yīng)法[11]得出Bx、Bz的變化規(guī)律及擬合曲線，如圖8所示。

圖8 頻率1 896 Hz、激勵(lì)電流886 mA、匝數(shù)456 時(shí)不同提離高度的磁場強(qiáng)度變化規(guī)律曲線圖

從磁場變化規(guī)律及擬合結(jié)果可以看出，當(dāng)探頭匝數(shù)、激勵(lì)頻率與激勵(lì)電流均不變時(shí)，隨著提離高度的增加，磁場強(qiáng)度呈指數(shù)型遞減。

2 檢測系統(tǒng)建立

2.1 探頭檢測部分設(shè)計(jì)

ACFM 探頭設(shè)計(jì)主要包括激勵(lì)源模塊、功率放大模塊、TMR 探頭和信號(hào)調(diào)理模塊[12]，總體框圖如圖9 所示。

圖9 探頭檢測部分總體框圖

激勵(lì)部分與信號(hào)調(diào)理電路部分在外部固定，傳感器檢測線圈部分單獨(dú)封裝，使其可以沿著待檢測對(duì)象表面移動(dòng)，其磁場產(chǎn)生一個(gè)漩渦電流在待檢測對(duì)象內(nèi)表面流動(dòng)，同時(shí)這些感應(yīng)電流引起接受線圈中的感應(yīng)電壓，達(dá)到檢測到對(duì)象表面上的裂紋和缺陷的目的[13]。探頭激勵(lì)部分以及信號(hào)調(diào)理電路部分如圖10 所示。

圖10 探頭激勵(lì)部分以及信號(hào)調(diào)理電路部分

可調(diào)頻激勵(lì)源模塊的設(shè)計(jì)頻率可在100 Hz～10 MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且經(jīng)由Qt 實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)（STM32）進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)功率放大模塊時(shí)電流激勵(lì)為886 mA，則需要將線圈的總阻抗降低到15 Ω，可以通過串聯(lián)電容的方式實(shí)現(xiàn)，不僅可以降低線圈的總阻抗，而且會(huì)降低感抗對(duì)頻率衰減的影響[14]。

封裝好的TMR 檢測線圈如圖11 所示，探頭實(shí)物圖如圖12 所示。

圖11 封裝好的TMR 檢測線圈

圖12 探頭實(shí)物圖

2.2 檢測系統(tǒng)建立

由TMR 傳感器的檢測原理可知，其傳回的信號(hào)為電壓值，在設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)的過程中，需要對(duì)TMR 傳感器電壓值進(jìn)行采樣，為了節(jié)省整體設(shè)備的體積，使用STM32 芯片搭建了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用單片機(jī)內(nèi)部的AD 功能進(jìn)行信號(hào)采集，并使用Matlab App Designer 設(shè)計(jì)的信號(hào)顯示界面顯示信號(hào)波形[15]。然后，分別對(duì)不同長度尺寸和不同深度尺寸的裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析，來檢驗(yàn)裂紋檢測系統(tǒng)的誤差率。

為了完成裂紋掃描測試，實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)包括PLC 控制臺(tái)、探頭、激勵(lì)電路、采集電路及信號(hào)顯示界面。搭建的實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)如圖13 所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)

3 試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證ACFM 方法用于921A 鋼材裂紋檢測的有效性，在試件材料上利用電火花技術(shù)加工出1～8 號(hào)裂紋進(jìn)行檢測，常規(guī)裂紋特征主要體現(xiàn)為長度和深度兩個(gè)維度[16-18]，因此在裂紋寬度不變的情況下，對(duì)不同長度以及不同深度的裂紋進(jìn)行試驗(yàn)。鋼板待檢工件及裂紋位置如圖14 所示。

圖14 待檢工件及裂紋位置

通過仿真得到不同裂紋尺寸下的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以擬合出裂紋尺寸與磁場強(qiáng)度關(guān)系的規(guī)律方程[19]：

式中：f(x) 為裂紋尺寸值，x為變化的磁場強(qiáng)度；常數(shù)a1為1.646，b1為3.509，c1為1.203。通過方程所描述的規(guī)律，可以用來檢驗(yàn)測試結(jié)果的正確性。

3.1 不同長度裂紋檢測試驗(yàn)

為了檢測裂紋長度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)不同長度裂紋進(jìn)行檢測。1～4 號(hào)裂紋長度分別為5 mm、10 mm、15 mm 和20 mm，裂紋寬度為0.7 mm，裂紋深度為0.7 mm，見表5。

表5 不同長度裂紋尺寸表

第一次掃描查看隨裂紋長度不同時(shí)信號(hào)的變化，使得控制臺(tái)攜帶探頭從平板裂紋1 號(hào)開始至4 號(hào)結(jié)束，從右往左依次掃過，設(shè)置掃描速度為0.04 m/s。通過對(duì)待測工件進(jìn)行裂紋檢測，在App 界面上的波形顯示如圖15 所示。

圖15 裂紋深度不同時(shí)Bx 與Bz 磁場強(qiáng)度變化仿真曲線

從結(jié)果中可以提取裂紋的長度信息。不同長度裂紋的磁場峰峰值位置見表6。

表6 不同長度裂紋的磁場峰-峰值位置信息表

通過左右峰值做差，并將Bx與Bz所得的差值求平均值，求出掃描經(jīng)過裂紋的時(shí)間，即可算出裂紋尺寸，并將其與實(shí)際裂紋尺寸進(jìn)行對(duì)照，得出長度檢測結(jié)果的誤差率[20]。求得的裂紋長度尺寸值對(duì)照表以及誤差率見表7。

表7 裂紋長度尺寸對(duì)照表及誤差率

對(duì)4 個(gè)裂紋的誤差率取平均值，裂紋長度檢測平均誤差率為7.325%。

3.2 不同深度裂紋檢測試驗(yàn)

為了檢測裂紋深度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)不同深度裂紋進(jìn)行檢測。5～8 號(hào)裂紋深度分別為0.3 mm、0.7 mm、1.1 mm 和1.5 mm，長度為5 mm，寬度為0.7 mm，見表8。

表8 不同深度裂紋尺寸表

對(duì)5～8 號(hào)裂紋分別進(jìn)行仿真，仿真磁場強(qiáng)度變化曲線如圖16 所示。

圖16 裂紋長度不同時(shí)的測試結(jié)果

第二次掃描查看隨裂紋深度不同時(shí)信號(hào)的變化，使得控制臺(tái)攜帶探頭從平板裂紋5 號(hào)開始至8 號(hào)結(jié)束，從右往左依次掃過，設(shè)置掃描速度為0.04 m/s。通過對(duì)待測工件進(jìn)行裂紋檢測，在上位機(jī)界面上的波形顯示如圖17 所示。

圖17 檢測裂紋波形圖

得到測試結(jié)果后，取Bz裂紋處磁場強(qiáng)度的正峰值，首先使用規(guī)律方程f(x)對(duì)8 號(hào)裂紋測試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，得到實(shí)際裂紋與所得f(x)測試結(jié)果的比值，之后求出其余裂紋的測試f(x)，并按照比值進(jìn)行換算，將換算結(jié)果與實(shí)際裂紋尺寸進(jìn)行比較，得出裂紋深度檢測誤差率，裂紋尺寸標(biāo)定-測試對(duì)照見表9。

表9 裂紋深度尺寸標(biāo)定-測試表

對(duì)測試項(xiàng)裂紋深度誤差率取平均值，平均值為9.9%。

通過對(duì)不同長度及不同深度裂紋進(jìn)行檢測得出的誤差率可知，長度和深度特征精度可達(dá)92%和90%，優(yōu)于一些國內(nèi)外提出的利用超聲檢測、射線檢測或其他檢測方法開發(fā)的裂紋檢測系統(tǒng)所得出的檢測精度。

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)ACFM 理論的研究，以及電磁波在不同介質(zhì)中的傳播機(jī)理，可知電磁波從一種介質(zhì)穿越到另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)衰減。基于錳鋅鐵氧體材料和繞組直徑為0.2 mm 的實(shí)驗(yàn)背景，為了使電磁波的強(qiáng)度值處于TMR 傳感器的線性檢測范圍內(nèi)，使用曲面響應(yīng)法，得出一組適用于921A 鋼板材料的ACFM 無損檢測的探頭參數(shù)。將匝數(shù)確定為456 N，激勵(lì)電流確定為886 mA，激勵(lì)頻率確定為1 896 Hz。

（2）為了節(jié)省成本、降低信號(hào)采集系統(tǒng)體積，基于STM32 單片機(jī)內(nèi)部的AD 模塊設(shè)計(jì)了信號(hào)采集模塊。使用硬件觸發(fā)的方式，可檢出小于100 kHz頻率的信號(hào)。同時(shí)使用Matlab App Designer 設(shè)計(jì)了信號(hào)可視化界面，Qt 編寫信號(hào)軟處理程序，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集及可視化。

（3）基于上述系統(tǒng)進(jìn)行了不同長度及不同深度裂紋特征的檢測實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)可知：長度誤差率為7.325%，深度誤差率為9.9%。實(shí)現(xiàn)了基于ACFM交流電磁場技術(shù)對(duì)921A 鋼材裂紋檢測系統(tǒng)的有效檢測，同時(shí)驗(yàn)證了軟硬件系統(tǒng)和檢測方法的可行性。