有色金屬通電測磁探傷方法可行性研究*

張繼楷， 康宜華， 李冬林， 鄧志揚

(華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

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有色金屬通電測磁探傷方法可行性研究*

張繼楷， 康宜華， 李冬林， 鄧志揚

(華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

有色金屬零部件應用廣泛，但已有的磁性檢測方法均不能對其有效探傷。提出一種基于磁場測量的有色金屬電磁探傷方法，在有色金屬中通以直流電流，其體表會產生一個穩恒磁場，當有色金屬表面或內部存在裂紋等缺陷時，有色金屬體內電流分布發生變化，引起外部磁場變異，利用高靈敏度梯度磁場傳感器測量磁場的畸變，可檢出表面微小裂紋和內部缺陷。以銅板為例，建立了仿真模型，分析表面各個方向磁場分量的特征。實驗結果表明：裂紋特征參數與測量磁場最大變化量間存在線性關系的結論，對有色金屬探傷提供了新的方法。

有色金屬； 裂紋； 直流電； 磁場傳感器； 探傷

0　引　言

有色金屬是非鐵磁性材料，針對鐵磁性材料的磁粉探傷、漏磁檢測方法均不適用，一般針對有色金屬的常用無損檢測方法有超聲檢測、渦流檢測、射線檢測和滲透檢測。超聲檢測對薄板、帶材檢測有難度；渦流檢測僅能探測表面及近表面刻槽；射線檢測成本高、速度慢；滲透檢測僅能探測表面開口裂紋。而磁檢測具有探傷速度快、探傷深度厚、設備簡潔等優點，適用于高速自動化探傷，在鐵磁性金屬探傷中已廣泛應用。

目前，建立在有色金屬導電性基礎上的無損檢測方法有直流電位降法(DCPD)、交流電位降法(ACPD)、交流場測法(ACFM)、電流擾動(ECP)、電場測量法(EFM)等。其中，電位降法需要檢測被測工件的電位變化[1,2]，無法做到非接觸測量；交流場測法是以交流電為激勵，利用線圈將交流電引入被測工件，測量工件外空間磁場變化[3]，與渦流檢測一樣受到趨膚效應的影響，只能檢測表面傷和近表面傷；電流擾動法是通過線圈將交流電導入到工件，再利用與激勵線圈垂直的差分線圈來檢測外磁場信號[4，5]，同樣收到趨膚效應的限制。電場測量法是通過檢測通電試件外電場變化來探傷，需要高電壓激勵[6，7]。

本文基于計算機仿真分析，結合實驗進行驗證，通過給銅板直接加載直流電，觀察因銅板上裂紋對電流的影響導致的外部磁場的變化，判別裂紋特征。

1　通電測磁探傷原理

當電流在導體中流動時，導體表面空氣中的磁場分布是均勻的。如圖1所示，當電流流經裂紋等刻槽時，電流的流動和電流密度發生改變，該處空氣中的磁場也會發生變化。用高靈敏度磁場傳感器探測因電流擾動導致的磁場變化，可對導體上的刻槽作出表征。

圖1　有色金屬通電測磁探傷原理Fig 1　Theory of non-ferrous metal defect inspection by introducing direct current

穩恒電流產生的磁場可由畢奧薩伐爾定律描述

式中B→ 為場點處的磁感應強度矢量，μ0為真空中的磁導率，j→ 為電流密度，r→ 為源點到場點的坐標向量。

可以看出，磁感應強度與導體中的電流密度有關，且電流密度的方向與磁場方向滿足右手螺旋法則。以銅板寬度方向為x、電流加載方向為y(與x垂直)、銅板表面法向為z，在沒有刻槽的位置，電流均勻分布，導體外存在Bx,Bz兩個方向與電流方向垂直的磁感應強度分量，與電流方向平行的By分量為0。當有刻槽時，由于導體橫截面積發生改變，電流會從刻槽兩端及上、下方繞過，電流密度發生變化，產生一個磁場擾動。

刻槽處j→y的減少使得刻槽上方Bx信號存在一個波谷，而在刻槽兩端，j→y的增加使得Bx信號存在一個波峰。且j→x的方向決定刻槽處By的方向，j→x在刻槽兩端反向，對By的影響體現在By信號為一峰一谷。

2　仿真計算與分析

使用Comsol軟件進行建模仿真，模型選擇20 mm×100 mm×4 mm的銅板，銅板上有一10 mm×2 mm×2 mm的刻槽，在銅板兩端通1A的直流電。在距離銅板表面0.1 mm的平面上，設置如圖2所示的3個探頭掃查路徑，提取磁場信號。其中，路徑1,3在靠近刻槽兩端的位置，路徑2在刻槽正中間。

圖2　探頭掃查路徑Fig 2　Scanning path of probe

分別觀察每個路徑上兩個方向磁場分量Bx,By的大小。仿真計算結果如圖3、圖4所示。

圖3　磁場分量Bx信號Fig 3　Signal of magnetic field component Bx

圖4　磁場分量By信號Fig 4　Signal of magnetic field component By

由磁場分量Bx信號圖可以看出：在刻槽上方，信號出現一個單谷，且越靠近刻槽中間位置，磁場分量最大變化量ΔBx越大。

由磁場分量By信號圖可以看出：僅在刻槽正中間位置信號恒為零，其余部分均出現一峰一谷或者一谷一峰的信號；在刻槽兩端對稱的位置上，信號波形反相。

為進一步研究不同刻槽特征對外磁場信號的影響，從刻槽的幾何尺寸以及延伸方向幾個方面仿真計算。

2.1刻槽寬度對外磁場信號的影響

仿真模型選取深度為2 mm、長度10 mm、寬度依次為1,1.5,2,2.5,3 mm的刻槽，記錄探頭掃查路徑1上Bx的最大變化量ΔBx，以及探頭掃查路徑2上By的最大變化量ΔBy。結果如表1所示。

表1　不同刻槽寬度下ΔBx和ΔBy值

根據表1，利用最小二乘法進行直線擬合可以得到：ΔBx=0.072 4w+0.300 4,擬合優度R2=0.996;ΔBy=0.004 9d+0.027 24, 擬合優度R2=0.989。可認為ΔBx，ΔBy與刻槽寬度線性相關。

由仿真結果可以看出：刻槽寬度越寬，變化量ΔBx，ΔBy越大，且在其他條件一定的情況下，ΔBx，ΔBy與刻槽寬度存在一個線性關系。

2.2刻槽深度對外磁場信號的影響

仿真模型選取寬度為2 mm，長度10 mm，在不同時刻刻槽深度，記錄探頭掃查路徑1和路徑2上Bx，By的最大變化量ΔBx，ΔBy。結果如表2所示。

表2　不同刻槽深度下ΔBx和ΔBy值

根據表2，利用最小二乘法進行直線擬合可以得到：ΔBx=0.323 2w-0.175 8,擬合優度R2=0.993;ΔBy=0.025 14d-0.011 56, 擬合優度R2=0.995。可認為ΔBx,ΔBy與刻槽寬度線性相關。

仿真結果可以看出：隨著刻槽深度加深，ΔBx，ΔBy均增大，且在其他條件一定的情況下，ΔBx，ΔBy與刻槽深度存在線性關系。

2.3刻槽方向與電流方向夾角θ對磁場信號的影響

為簡化分析，僅對比在不同θ角情況下，掃查路徑2上的By磁場信號，仿真結果如圖5所示。

圖5　不同θ角度下By信號Fig 5　Signal of By in different θ

由圖4、圖5可以看出，當刻槽延伸方向與電流加載方向不垂直時，信號特征有了顯著的變化，由一峰一谷2個極值點變為一峰兩谷3個極值點。由圖5中的數據可得：隨著θ的減小，兩個波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。

3　實驗驗證

實驗選取5 mm×20 mm×1 000 mm的銅板作為載流導體，載流大小為1 A，銅板上分別有不同特征的刻槽，其中，刻槽參數如表3所示(長度均為10 mm，夾角θ指電流方向與刻槽延伸方向的夾角)。

實驗采用江蘇多維公司生產的隧道磁阻(TMR)傳感器，具有靈敏度高以及磁滯低等特性，適合微弱磁場檢測。

表3　人工刻槽參數

實驗測量并記錄了探頭按路徑1掃查1#～6#刻槽的Bx信號、按路徑3掃查1#～9#刻槽所得By信號，實驗裝置示意圖如圖6。

圖6　實驗裝置示意圖Fig 6　Diagram of experimental device

為方便觀察，將各信號平移到同一基準點，得到信號圖如圖7～圖9所示。

圖7　不同深度刻槽磁場信號Fig 7　Signal of magneticfield in different depths of groove

圖8　不同寬度刻槽磁場信號Fig 8　Signal of magneticfield in different widths of groove

由圖7可以看出，刻槽深度越深，ΔBx,ΔBy值越大。由圖8可以看出，刻槽寬度越寬，ΔBx,ΔBy值越大。由圖9可以看出，隨著θ的減小，兩個波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。實驗信號圖與仿真結果一致。

根據實驗結果列出不同情況下ΔBx和ΔBy值，結果如表4所示。由于ΔBy較小，所以，在實驗過程中探測By信號時，增大了電路放大倍數，故實驗結果中ΔBy比ΔBx大。

由表3和表4數據可得：ΔBx，ΔBy隨著刻槽深度的增加而增大，且與刻槽深度呈近似線性關系；ΔBx，ΔBy隨著刻槽寬度的增加而增大，且與刻槽深度呈線性關系。實驗結果與仿真結果一致。

圖9　不同θ角度磁場信號Fig 9　Signal of magneticfield in different angles of θ

編號ΔBxΔBy編號ΔBxΔBy10.01540.032340.01840.027620.03290.057350.03870.062030.04790.075960.06260.1214

4　結　論

1)有色金屬通電測磁探傷方法可行，以銅板為例，不同特征的刻槽均能檢出；2)刻槽越深，ΔBx，ΔBy值越大，且與刻槽深度線性相關；3)刻槽越寬，ΔBx，ΔBy值越大，且與刻槽寬度線性相關；4)當刻槽延伸方向與電流加載方向夾角θ減小時，兩個波谷的間距增大，且極大值與極小值的差值先增大后減小。

[1]LeeJH,SakaM,AbeH.LoadingeffectonACPDofacrackinferromagneticmaterial[J].ExperimentalMechanics,1997,32(2):132-136.

[2]YuJ,BarkerJC,BrookR.OptimizationofcracklengthmeasurementbyDCPDinDCBSpecimens[C]∥ProceedingsoftheThirdInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,Singapore,1993:6-11.

[3]KnightMJ,BrennanFP,DoverWD.EffectofresidualstressonACFMcrackmeasurementsindrillcollarthreadedconnection-s[J].NDT&EInternational,2010,43(4):348-353.

[4]BurkhardtGL,BeissnerRE.ElectriccurrentperturbationNDE[J].ASMMetalsHandbook,1989,17:136-142.

[5]BeissnerRE,SablikMJ,TellerCM.Reviewofprogressinquantitativenondestructiveevaluation[M].Berlin/Heidelberg:Springer,1983:1237-1254.

[6]李冬林，康宜華，孫燕華，等.一種基于電場測量的無損檢測方法[J].中國機械工程，2015,26(13):1810-1814.

[7]YeZhijian,SunYanhua,KangYihua,etal.Noncontactsurfacediscontinuitydetectionformetalmaterialusingadisplacementcurrentsensor[J].MaterialsEvaluation,2015,73(4):513-518.

Feasibility study of non-ferrous metal defect inspection by electrified magnetic measuring*

ZHANG Ji-kai, KANG Yi-hua, LI Dong-lin, DENG Zhi-yang

(School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074，China)

Non-ferrous metal components have been widely used,but present magnetic detection methods are not effective for their detection.A method for non-ferrous metal electromagnetic defect inspection based on magneticfield measurement is put forward.By introducing direct current to non-ferrous metal,a constant magnetic field will be excited on surface of non-ferrous metal.As cracks exist on surface or inside of non-ferrous metal,current distribution inside non-ferrous metal changes,which causes heteromorphosis of external magnetic field,so that tiny cracks on surface and inside defects can be detected by using gradient magnetic field sensor with high sensitivity.Taking copperplate as an example,simulation models are set up to analyze characteristics of magnetic field on surface in all directions.Results of experiment indicate that the maximum variation of measured magnetic field is linear relation to characteristic parameters of crack,which provides a new method for non-ferrous metal detection.

non-ferrous metal; crack; direct current;magnetic field sensor; defect inspection

2015—11—05

國家自然科學基金資助項目(51475194，51275193)

TG 115.28

A

1000—9787(2016)08—0047—04

張繼楷(1992-),男，湖北武漢人，博士研究生，研究方向為電磁和光學自動化無損檢測。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0047—04