銅合金接觸線夾雜物缺陷的新型渦流檢測探索

李 寧，王 勃，郭曉昕，賈正峰

0 引言

截至2022 年底，我國鐵路營運里程已達15.5萬公里，其中高速鐵路4.2 萬公里。隨著高速動車組運行速度及安全性能要求的不斷提高，電氣化鐵路接觸線作為向機車傳輸動力的中間媒介，在保證機車正常運行中起著至關重要的作用，且逐漸呈現出以銅為主合金元素的趨勢[1]。

目前，CT、CTA 兩類接觸線的導電率已達97%IACS 以上，接觸線作為與電力機車受電弓滑板接觸的導線部件，其材料特性不僅要求具備高導電率，同時還應具有優異的綜合機械性能[2-3]。據可查數據顯示[4-5]，接觸線故障在接觸網相關設備故障的總體占比中占據較大比例，而這些接觸線故障很大程度上與其生產環節的質量管控密切相關。因此，如何在接觸線生產環節對其缺陷進行在線檢測，有效降低因自身質量所引起的事故率，已經成為銅合金接觸線生產領域的一個重要課題。

銅合金接觸線規模化生產的拉制速度大致在0.2～0.6 m/s[6]，因銅合金接觸線生產工藝特點，部分缺陷存在于成品的次表面及內部，人工目測無法檢測。在銅合金接觸線生產環節，多采用渦流檢測技術，如雙頻四通道渦流探傷[7]。傳統渦流檢測法多采用線圈作為激勵和檢測元件，檢測線圈的靈敏度與激勵線圈的激勵頻率成正比，因趨膚效應的存在致使其在檢測深度和靈敏度間存在矛盾，且線圈元件不易滿足微型化、高精度的生產需求[8-10]，導致傳統渦流檢測法在銅合金接觸線檢測領域受到限制，在檢測過程中存在著漏檢、誤報等現象。

為克服傳統渦流檢測的限制，研究人員提出采用磁場傳感器代替檢測線圈單元的檢測方法[11-14]，這類方法獲得矢量信號，信息度更為豐富。針對銅合金接觸線生產過程中傳統渦流檢測方法存在的諸多不足，本文提出一種新渦流檢測法測量導體中的缺陷，并通過實驗驗證其在銅合金接觸線領域應用的可行性。新型渦流檢測法采用隧道磁阻傳感器（Tunnel Magneto Resistance，TMR）為測量元件，永磁體為激勵元件共同組成測量系統，該方法使測量、激勵元件實現微型化，測量結果為更加直觀的脈沖信號。

1 新型渦流檢測法檢測原理

新型渦流檢測法的原理如圖1 所示，電導率為σ的導電金屬試樣與永磁體提供的激勵磁場B間保持速度v的相對運動，在導電金屬試樣內部感應產生渦流J：

圖1 新型渦流檢測法渦流分布示意圖

式中：E為外電場強度。

在外電場強度E= 0，且不計位移電流的條件下，渦流J將激發再生磁場B′，即渦流磁場，該渦流磁場可由安培定律確定。

式中：μ0為真空磁導率。

當待測金屬試樣存在微顆粒缺陷時，因缺陷與金屬試樣間電導率的差異，渦流的大小及分布狀態將發生變化。相應地，渦流磁場的空間狀態與待測金屬試樣無缺陷時也將發生變化。將磁場傳感器放置于待測試樣表面附近，即可通過其獲得試樣中缺陷形狀、尺寸、數量等特征信息。

2 實驗裝置

2.1 實驗設備及參數設置

為驗證新型渦流檢測法在銅合金接觸線生產環節應用的可行性及檢測效果，搭建了如圖2 所示的實驗測量裝置。

圖2 實驗測量裝置

實驗過程中采用掃描圓盤側壁的方式代替接觸線實際生產中拉制成線的環節，測量元件的提離距離為0.10 mm，實驗裝置的主要組成部件：三維平移臺、直流無刷電機、磁場傳感器、永磁體、圓銅盤試樣（導電率為100%IACS）、示波器等。實驗裝置搭建在氣動自平衡系統的光學平臺（型號ZTP-F-Y）上，可有效降低外界機械振動；三維平移臺（HGAM306）可精確控制定位測量元件與待測試樣件間的空間位置；測量元件選用單軸敏感的隧道式磁阻傳感器（型號TMR9001），其采用由4 個TMR 傳感器元件組成的推挽式惠斯通全橋結構，靈敏度達300 mV/V/Oe，選用AD8241 作為信號放大器；永磁體選用邊長為2 mm 的立方體NdFeB（N36 系列）材質的永磁體，磁化方向垂直于待測圓盤試樣側壁；銅圓盤試樣直徑為50.0 mm，厚度為5.0 mm，在其側壁分別制作等距直徑?=500、100、200 μm，非等距直徑?= 200、150、100 μm 的圓孔模擬微顆粒缺陷，銅圓盤試樣由直流電機驅動保持旋轉，其運行線速度選定為0.4 m/s 和0.6 m/s 兩種；選用示波器（型號MDO3022，Tektronix）作為數據信號采集裝置，其帶寬為200 MHz，最高采樣速率達每秒2.5 G。

2.2 實驗結果分析

新型渦流檢測法對等距缺陷圓銅盤試樣在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 種速度條件下的測量結果如圖3 所示。圖3 中?= 500、1 000、2 000 μm 3 類缺陷對應的測量信號均非常明顯，其信號均具有較高的信噪比。在該測量條件下對多組數據信號進行處理，如圖4 所示，可以看出，在測量較大尺寸的微顆粒缺陷時，測量信號的幅值與測量速度在一定區域內呈線性關系。由此可知，在測量500 μm 以上量級的微顆粒缺陷時，測量速度對測量信號的獲取起著重要的作用。

圖3 不同測量速度時等距圓盤試樣測量結果

圖4 測量信號幅值與速度關系

非等距缺陷圓銅盤試樣在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 種速度條件下的測量結果如圖5 所示。在設定條件下，新型渦流檢測法可以檢測出?= 100 μm 的微顆粒缺陷。對于圖5 中4 組測量信號，經計算，各組測量信號與待測試樣預制非等距缺陷位置相吻合，僅在圖5（b）測量條件下，新型渦流檢測法能測量到?= 100 μm 的微顆粒缺陷，其他測量條件下，可測量出150、200 μm 的微顆粒缺陷。

圖5 不同測量速度下非等距圓盤試樣測量結果

由圖6 可知，在測量小于200 μm 量級的微顆粒缺陷時，較高的測量速度不利于微小缺陷所引起磁場變化被測量單元所探測，因此在該種測量要求下，測量系統整體的穩定性應優先于測量速度。

圖6 測量信號幅值與速度關系

綜上所述，可以得出利用永磁體作為激勵源的新型渦流檢測法在接觸線生產端檢測缺陷的可行性。針對測量結果中存在著與測量信號脈沖幅值較為相似的電勢波動，這種情況在圖5 所示4 組測量信號中尤為明顯，這主要是直流電機與銅圓盤試樣的同軸度以及銅圓盤試樣自身圓度等因素所引起，這些因素將在后續實驗中加以改進完善，以提高測量信號的信噪比。

3 結論

（1）上述實驗結果表明，新型渦流檢測法在銅合金接觸線生產環節缺陷檢測中的應用是可行的，現有實驗條件下可檢測到最小?= 100 μm 量級的微顆粒缺陷；

（2）新型渦流檢測法在檢測不同尺寸的微顆粒缺陷時，測量系統整體穩定性與測量速度之間具有不同的優先級，這兩種測量因素之間的側重選擇是測量信號成功獲取的重要組成部分；

（3）新型渦流檢測法測量裝置簡單可靠，脈沖信號可更加直觀反映缺陷相關信息，為實現銅合金接觸線生產過程的高效在線檢測提供了一種可借鑒的方法。