脈沖渦流熱成像金屬材料裂紋檢測研究

邢曉軍 左憲章 王建斌 張玉華

摘 要：為分析不同激勵條件下不同材料感應加熱特性，采用有限元仿真軟件分析鐵磁性材料45#鋼和非鐵磁性材料不銹鋼感應加熱時的渦流分布和溫度分布，發(fā)現(xiàn)45#鋼趨膚深度很小，裂紋邊沿感應電流密度較大；不銹鋼趨膚深度受激勵電流頻率影響很大。隨激勵電流頻率的增大，趨膚深度減小，裂紋邊沿感應電流密度增大。渦流的分布和裂紋對熱擴散的阻礙作用共同決定裂紋附近溫度的分布，并通過實驗對仿真結論進行驗證，確定兩種材料表面裂紋的最佳激勵條件。

關鍵詞：金屬材料；趨膚深度；渦流分布；熱成像

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0139-06

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，無損檢測在質量保證系統(tǒng)中越來越顯示出它的重要性和必要性，成為保障產品質量和控制在役設備安全運行的重要手段[1-2]。脈沖渦流熱成像無損檢測技術與常規(guī)無損檢測技術相比，具有非接觸測量、靈敏度高、反應速度快、信號處理速度快、檢測面積大等特點，非常適合現(xiàn)場以及在線檢測[3-4]。

目前，國內對于感應加熱趨膚效應對渦流場和熱場的影響研究較少，大多集中在檢測機理以及熱圖的處理上[5-9]。奧地利學者Beate Oswald-Tranta等對鐵磁性材料和非鐵磁性材料進行了感應加熱實驗，比較了兩種材料裂紋附近溫度分布的差異[10-11]。在實際檢測中，由于激勵電流頻率不同，不同材料的物理特性不同，會使導體試件趨膚深度相差很大；而且隨著加熱時間的持續(xù)，熱擴散影響不容忽視，使得工件表面的溫升比受到較多因素的影響，呈現(xiàn)復雜的變化規(guī)律。本文針對常用的45#鋼和不銹鋼兩種材料，分析趨膚效應對其渦流場和溫度場分布的影響以及在不同激勵電流頻率下加熱時間發(fā)生變化時的溫升比，為脈沖渦流熱成像無損檢測技術的實際應用提供技術參考。

4 結束語

1）由于45#鋼和不銹鋼趨膚深度相差很大，感應加熱時的渦流場和溫度場呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律：45#鋼渦流緊貼裂紋流動，加熱后裂紋邊沿為高溫分布；不銹鋼渦流被推離裂紋邊沿，加熱后裂紋邊沿為低溫分布。

2）對于45#鋼試件，增大激勵電流頻率和感應加熱時間能夠提高溫升比，但頻率大于250 kHz時溫升比變化不明顯，而且加熱時間過長時熱擴散作用加劇， 激勵電流頻率為250 kHz，加熱時間為200 ms時裂紋識別效果比較好。

3）對于不銹鋼試件，激勵電流頻率較小且加熱時間較短時裂紋邊沿溫升比較低，有利于缺陷的識別。隨激勵電流頻率的增加，趨膚深度變小，裂紋邊沿溫度升高。激勵電流頻率為50 kHz，加熱時間為50 ms時裂紋識別效果較好。

參考文獻

[1] WEEKES B， ALMOND D， CAWLEY P， et al. Eddy-current induced thermography-probability of detection study of small fatigue cracks in steel， titanium and nickel-based superalloy[J]. NDT&E International，2012（49）：47-56.

[2] GOLDAMMER M， MOOSHOFER H， ROTHENFUSSER M， et al. Automated induction thermography of generator components[J]. Review of Quantitative Nondestructive Evaluation，2010（29）：451-457.

[3] SEUNGHOON B， WILLIAM X， MARIA Q F， et al. Nondestructive corrosion detection in RC through integrated heat induction and IR thermography[J]. J Nondestruct Eval，2012（31）：181-190.

[4] 曾金晶，儀向向，楊隨先. 熱成像無損檢測技術比較研究[J].中國測試，2015，41（2）：5-10.

[5] 左憲章，常東，錢蘇敏，等. 脈沖渦流熱成像裂紋檢測的機理仿真分析[J]. 激光與紅外，2012，42（9）：998-1003.

[6] 孫曉瑩，侯德鑫，葉樹亮. 平行激勵下脈沖渦流熱成像響應規(guī)律的研究[J]. 激光與紅外，2015，45（4）：393-399.

[7] 周星濤，侯德鑫，葉樹亮. 基于渦流鎖相熱成像的剎車片內部氣泡檢測[J]. 激光與紅外，2015，45（7）：800-804.

[8] 胡德洲，左憲章，王建斌，等. 脈沖渦流熱成像缺陷檢測圖像的因子分析[J]. 紅外技術，2014，36（12）：1009-1015.

[9] 胡德洲，左憲章，李偉，等. 鋼板表面腐蝕的脈沖渦流熱成像檢測研究[J]. 激光與紅外，2015，45（2）：144-149.

[10] OSWALD-TRANTA B. Thermo-inductive crack detection[J].Nondestructive Testing and Evaluation，2007，22（2-3）：137-153.

[11] WALLY G， OSWALD-TRANTA B. The influence of crack shapes and geometries on the result of the thermo-inductive crack detection[C]∥Proceedings of SPIE， the International Society for Optical Engineering. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，2007：654111.1-654111.8.

[12] 胡德洲，左憲章，王建斌，等. 脈沖渦流熱成像檢測激勵參數(shù)的優(yōu)化[J]. 無損檢測，2014，36（8）：23-28.

（編輯：李妮）