基于渦流檢測技術(shù)的腐蝕缺陷損傷研究

摘要：飛機在地面常年停放與空中服役時都極易受到高濕度、高溫、高鹽分的大氣環(huán)境影響，產(chǎn)生的腐蝕缺陷會影響材料的組織結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致疲勞裂紋，進而使材料受損嚴重。因此，需要采用無損檢測技術(shù)定期檢查軍用和民航飛機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，及時發(fā)現(xiàn)損傷并進行評估，對確保其性能和安全至關(guān)重要。渦流檢測作為一種新型的無損檢測技術(shù)，已在飛機材料的無損檢測中進行了嘗試。以國內(nèi)外渦流檢測技術(shù)的研究動態(tài)為基礎(chǔ)，探討了線圈形狀對檢測信號的影響，綜合考慮磁場和渦流的強度與分布情況，最終選擇圓形線圈作為激勵線圈，并證明渦流檢測技術(shù)可以有效檢測鐵磁性材料、準確地對被檢件的缺陷進行測量。

關(guān)鍵詞：高強不銹鋼""腐蝕損傷""腐蝕坑""渦流檢測

Study"on"Corrosion"Defect"Damage"Based"on"Eddy"Current"Detection"Technology

BAI"Jiongjie""LI"Jian"*

School"of"Aerospace"Engineering，"Xiamen"University，"Xiamen，"Fujian"Province，"361100"China

Abstract："Aircraft"are"particularly"vulnerable"to"high"humidity，"high"temperatures，"and"high"salinity"atmospheric"environments"when"parked"on"the"ground"year-round"parking"and"in"air"service."These"conditions"can"cause"corrosion"defects"that"impact"the"material's"organizational"and"structural"qualities，"leading"to"fatigue"cracks"and"significant"material"damage."Therefore，"it"is"imperative"that"non-destructive"testing"technologies"be"used"to"frequently"inspect"the"major"structural"components"of"military"and"civil"aircraft，"timely"detect"damage"and"evaluate"them，"which"is"crucial"to"ensure"the"performance"and"safety"of"military"and"commercial"aircraft，."Eddy"current"detection"has"been"tested"as"a"novel"non-destructive"testing"technology"and"attempted"innbsp;the"non-destructive"testing"of"aircraft"materials."This"essay"is"based"on"the"research"trends"of"eddy"current"detection"technology"at"home"and"abroad"and"investigates"the"impact"of"coil"shape"on"the"detection"signal."It"takes"into"account"the"strength"and"distribution"of"magnetic"field"and"eddy"current，"and"ultimately"selects"a"circular"coil"as"the"excitation"coil."It"demonstrates"that"eddy"current"detection"technology"is"capable"of"accurately"measuring"defects"in"the"inspected"parts"and"successfully"detecting"ferromagnetic"materials.

Key"Words："High"strength"stainless"steel;"Corrosion"damage;"Corrosion"pit;"Eddy"current"detection

飛機在長期服役過程中，溫度、濕度、鹽霧、紫外線輻射、酸雨等因素都會對材料的腐蝕和老化產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的腐蝕缺陷會影響飛機材料的基體組織，進而影響結(jié)構(gòu)性能，產(chǎn)生疲勞裂紋[1]。若未及時發(fā)現(xiàn)隱患，則很有可能威脅到飛行安全。因此，采用無損檢測技術(shù)定期檢查軍用和民航飛機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，及時發(fā)現(xiàn)損傷并進行評估，從而采取有效措施避免結(jié)構(gòu)失效，對確保性能安全至關(guān)重要。

在實際應(yīng)用中，常見的無損檢測技術(shù)主要有5種：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測[2-5]。其中，渦流檢測是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測技術(shù)，適用于導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷檢測，并且由于其易于實現(xiàn)自動化且對工件表面的清潔度要求較低的特性，目前渦流檢測已經(jīng)在飛機材料的無損檢測中進行了很多運用[6-8]。考慮到高強不銹鋼具有良好的導(dǎo)電性能，渦流檢測技術(shù)較適合用于不銹鋼結(jié)構(gòu)件的無損檢測。

1"渦流檢測探頭的仿真模型

采用有限元軟件進行分析，用以指導(dǎo)優(yōu)化線圈設(shè)計和試驗[9-10]。渦流檢測探頭的實際構(gòu)造包含了絕緣部件、外部電路組件、線圈等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。在進行有限元分析時，通常采用空心圓柱形容器來代表這種結(jié)構(gòu)，并在模擬過程中不計入導(dǎo)線內(nèi)部的電磁場差異。

網(wǎng)格劃分在有限元計算中至關(guān)重要。本文通過規(guī)定網(wǎng)格的最大尺寸來優(yōu)化網(wǎng)格劃分，并采用自適應(yīng)三角形網(wǎng)格。鑒于趨膚效應(yīng)限制了渦流的穿透深度，仿真分析的重點集中在表面和近表面區(qū)域，因此，這些區(qū)域的網(wǎng)格單元尺寸應(yīng)盡可能細化。為了保證計算區(qū)域能夠完全覆蓋磁場在空氣中的擴散范圍，本研究將該范圍設(shè)定為線圈直徑的330倍。在設(shè)置完激勵源、仿真時間步長、容錯率和收斂迭代次數(shù)等參數(shù)后，啟動求解器進行仿真分析。

2"渦流檢測探頭形狀的研究

探頭的性能受到線圈形狀對脈沖磁場與工件內(nèi)渦流分布的影響，因此，對不同線圈形狀產(chǎn)生的磁場和渦流場進行分析是至關(guān)重要的。本研究選擇了3種不同形狀的線圈：圓形、方形和矩形，這些線圈因其對稱性而能夠產(chǎn)生更廣泛的均勻渦流場，有利于檢測線圈的排布[11]。本文采用的激勵線圈高度均為2"mm，匝數(shù)為200匝。其中，圓形線圈的尺寸特征為內(nèi)圈直徑為4"mm，外圈直徑為10"mm；方形線圈的尺寸特征為內(nèi)圈邊長為4"mm，外圈邊長為10"mm。矩形線圈的尺寸特征為內(nèi)圈長度為8"mm、寬度為4"mm，外圈長度為14"mm、寬度為10"mm。

首先，對不同線圈形狀產(chǎn)生的脈沖磁場分布進行研究。比較圓形、方形和矩形線圈的磁感應(yīng)強度后，發(fā)現(xiàn)圓形線圈的磁場強度最為顯著，方形線圈居中，矩形線圈的磁場強度最低。這表明圓形線圈在聚焦磁場方面更為高效，能在較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生更強的渦流。此外，矩形線圈在x軸方向上的渦流場衰減不均勻，在線圈內(nèi)側(cè)邊緣處急劇減弱，導(dǎo)致不同區(qū)域的顏色環(huán)寬度不一，影響了檢測信號的穩(wěn)定性。基于磁場強度及其均勻性，圓形或方形線圈應(yīng)被優(yōu)先考慮作為激勵線圈。

依據(jù)疊加定理，渦流檢測信號由兩部分組成：一是檢測線圈與激勵磁場之間的直接耦合；二是與渦流磁場的間接耦合。如果試件中存在腐蝕缺陷，則一般通過分析檢測線圈與渦流磁場間接耦合分量的變化情況來識別代表缺陷的檢測信號。因此，在選取激勵線圈的形狀時，需要綜合考量試件中感應(yīng)渦流的強度與分布情況。本文分析了3種線圈感應(yīng)渦流在試件中的傳播特性，如圖2所示，線圈感應(yīng)渦流分布與其形狀相吻合，渦流密度在每個線圈的正下方達到峰值，隨后向線圈中心及邊緣遞減。通過觀察不同渦流密度的顏色環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)圓形線圈產(chǎn)生的顏色環(huán)寬度一致，方形和矩形線圈在圓角處略窄，表明圓形線圈在圓周上產(chǎn)生的渦流分布更為均勻，方形和矩形線圈稍差。此外，矩形線圈的渦流可能會延伸至試件的邊緣，根據(jù)邊緣效應(yīng)原理，當線圈接近板狀試件的邊緣或薄化區(qū)域時，渦流場會發(fā)生畸變，導(dǎo)致基于渦流密度的分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。

綜上所述，從脈沖磁場強度的角度，線圈的選擇順序是圓形優(yōu)先于方形，最后是矩形；從渦流密度的均勻性角度，圓形線圈同樣優(yōu)于方形或矩形。探頭的設(shè)計標準需要激勵線圈在各檢測點產(chǎn)生的磁場和渦流場保持高度的一致性。基于磁場和渦流的強度及其分布的綜合評估，本研究最終選定圓形線圈作為激勵線圈。

3"激勵參數(shù)對檢測信號的影響

3.1"激勵頻率的影響

除了材料自身的電導(dǎo)性和磁導(dǎo)性之外，激勵線圈的工作頻率同樣會直接影響渦流的穿透能力，進而影響檢測結(jié)果。當頻率增加時，集膚效應(yīng)變得更加顯著，導(dǎo)致能量更多地集中在材料表面，從而增強了渦流的強度。然而，如果頻率過高，則會使阻抗增加，反過來又會減弱渦流的強度。因此，為了檢測特定深度的腐蝕缺陷，需要在檢測中選擇合適的頻率。本文固定提離量1"mm，通過設(shè)置激勵頻率從100～1"500"kHz進行偏移，每次增加100"kHz，分析激勵頻率對電場強度的影響。

對材料表面以下0.5"mm、1"mm、1.5"mm、2"mm、2.5"mm、3"mm深度的電場強度進行測定，如圖3所示。在100"kHz的頻率下，從0.5～3"mm深度的電場強度變化不大。當深度為0.5"mm時，電場強度幅值隨著激勵頻率的升高呈現(xiàn)上升趨勢，然而，一旦頻率超過了1"100"kHz，這種增長趨勢趨于穩(wěn)定。對于1～1."5"mm的深度，電場強度因趨膚效應(yīng)而顯著下降，呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其峰值出現(xiàn)在200～300"kHz的頻率區(qū)間。結(jié)果表明，高頻激勵（1"000～1"200"kHz）更適用于探測表面附近的區(qū)域；對于較深的缺陷，應(yīng)考慮降低激勵頻率至200～300"kHz。

3.2"提離量的影響

為了降低提離效應(yīng)對檢測信號的潛在影響，通過仿真研究了提離量對材料內(nèi)部電場強度幅值的作用。當激勵頻率為300"kHz時，設(shè)定探測深度為0.5～4"mm并每次增加0.5"mm。依次測量了提離量為0.1"mm、0.5"mm、1"mm、1.5"mm、2"mm的電場強度幅值，如圖4所示。隨著探測深度的增加，不同提離量條件下的電場強度幅值普遍呈現(xiàn)出下降的趨勢。對于給定的探測深度，較低的提離量與較高的電場強度幅值相關(guān)聯(lián)。然而，一旦探測深度超過2.5"mm，電場強度幅值的差異變得不明顯，這表明在深層探測時，提離量對電場強度幅值的影響變得不那么顯著。

4"結(jié)語

渦流檢測作為一種新型的無損檢測技術(shù)，已在飛機材料的無損檢測中進行了運用。本文基于渦流檢測技術(shù)對材料的腐蝕缺陷損傷進行了研究，首先探討了線圈形狀對檢測信號的影響，研究表明，相較于方形和矩形線圈，圓形線圈可以更有效地聚焦磁場，且線圈圓周上各處產(chǎn)生的渦流有很好的均勻性，綜合考慮磁場和渦流的強度與分布情況，優(yōu)先選擇圓形檢測線圈。其次，探討了激勵頻率對檢測信號的影響，結(jié)果表明，高頻激勵更適用于探測表面的缺陷；對于較深的缺陷，應(yīng)適當降低激勵頻率。最后，研究了提離量對檢測信號的影響，結(jié)果表明，提離量與電場強度成反比關(guān)系。然而，在深層探測時，提離量對電場強度幅值的影響變得不那么顯著。本文選擇線圈形狀和最優(yōu)的激勵參數(shù)，以便于后續(xù)指導(dǎo)被檢件的不同類型缺陷的測量識別。

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