某型渦流檢測儀特殊缺陷信號特征的形成原因

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(浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310000)

磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測都是能夠用于表面缺陷檢測的無損檢測方法。目前，焊縫表面缺陷的檢測主要使用磁粉檢測和滲透檢測方法，渦流檢測方法并不常用，這主要是因為焊接接頭表面不平整，渦流檢測時會產生很大的提離效應。提離效應是渦流檢測中的主要干擾源，其會對檢測結果造成嚴重干擾，甚至使檢測無法進行[1]。隨著渦流檢測技術的進步，在渦流探頭設計[2]、檢測方法[3]以及信號處理方法[4]上都有了很大改進，如提高了提離抑制效果，使渦流檢測應用于焊縫表面缺陷的檢測[5-7]成為可能。NB/T 47013.6-2015《承壓設備無損檢測 第6部分：渦流檢測》標準已經添加了焊縫渦流檢測的相關內容。

為了適應新的檢測需要，單位新購置了某廠家生產的焊縫渦流檢測設備。該設備探頭檢測時出現難以解釋的信號特征，咨詢設備代理商的工程師，也沒有得到明確的解釋。為了解釋出現的缺陷信號特征，提高缺陷的渦流檢測能力，筆者通過理論分析、模擬仿真、試驗研究，闡明了該類型渦流探頭的工作模式，解釋了信號特征產生的內在原因。同時，對該類型探頭在檢測過程中應當注意的問題進行了說明，對相關的檢測應用具有一定的參考價值。

1 渦流檢測特殊信號特征

校準試塊尺寸示意如圖1所示，NB/T 47013.6-2015標準中焊縫的渦流檢測校準試塊有0.5，1.0，2.0 mm三個不同深度的刻槽缺陷。探頭的2種移動方式如圖2所示。渦流探頭按移動方式1分別掃查這3個深度的刻槽，然后將探頭轉動90°，按移動方式2再分別掃查這3個刻槽。2種移動方式分別檢測3個深度刻槽得到的缺陷信號如圖3～5所示。圖2(a),2(b)是渦流探頭檢測時的俯視圖，箭頭所示為移動方向，移動方式1和移動方式2只是將探頭轉動90°，其他參數相同。

圖1 校準試塊尺寸示意

圖2 探頭的2種不同移動方式

圖3 0.5 mm深度刻槽的渦流檢測缺陷信號

圖4 1.0 mm深度刻槽的渦流檢測缺陷信號

圖5 2.0 mm深度刻槽的渦流檢測缺陷信號

從不同深度刻槽的檢測結果可以看出：

(1) 同一種移動方式，隨著刻槽深度的增大，信號的幅度也增大，相位基本不變。

(2) 相同深度的刻槽分別按移動方式2和移動方式1檢測，移動方式2得到的檢測信號幅度更大，二者信號相差約180°。

采用渦流檢測表面缺陷時，刻槽深度越大引起的渦流畸變越大，缺陷信號就越大。但是探頭按照移動方式1和移動方式2分別進行掃查時，二者信號相位相差180°，對此現象就不好解釋了。

2 渦流探頭的結構

利用DR(數字射線檢測)技術，得到渦流探頭內部線圈的結構圖。從DR底片上可以看到：該渦流探頭由兩個線圈組成，線圈的法線平行于工件表面，并且兩個線圈的法線相互垂直。渦流探頭DR檢測底片如圖6所示，底片上兩個線圈的大小難以區分。

圖6 渦流探頭DR檢測底片

3 渦流探頭的工作模式

渦流探頭由兩個線圈組成，探頭可能的工作模式有3種：“一發一收”模式，即兩個線圈一個激勵，一個接收；“自發自收，差動輸出”模式，即兩個線圈分別激勵和接收，得到的信號相減輸出；“自發自收，相加輸出”模式，即兩個線圈分別激勵和接收，得到的信號相加輸出。下面分析每一種工作方式可能出現的信號特征，從而確定該渦流探頭的工作模式。

3.1 “一發一收”工作模式

假設渦流探頭按“一發一收”模式工作。當工件中沒有缺陷時，激勵線圈產生的渦流分布如圖7(a)所示。由于接收線圈只能接收到平行于接收線圈的渦流分量，接收到的信號為零。當工件中有刻槽缺陷時，刻槽缺陷的存在會改變工件中的渦流分布，產生平行于接收線圈的渦流分量，如圖7(b)所示。但是由于刻槽上方和下方的渦流分量相對于激勵線圈對稱，且方向相反，接收線圈接收到的信號始終為零，與該探頭的檢測結果不符，該探頭不是“一發一收”的工作模式。

圖7 激勵線圈產生的渦流分布

3.2 “自發自收，差動輸出”工作模式

由于CIVA 9.0軟件的渦流模擬模塊無法直接模擬“十”字型線圈的檢測結果。可以將“十”字形線圈的檢測結果等效為兩個線圈檢測結果的合成，兩個線圈檢測結果的“合成”方式實際上就是探頭的工作模式。

3.2.1 單線圈檢測結果仿真

利用CIVA 9.0軟件仿真時，設定工件材料為Inconel 600(電導率為1.02 MS·m-1，相對磁導率為1)，刻槽缺陷尺寸為長50 mm，寬0.2 mm，深1.0 mm。

CIVA 9.0軟件仿真時，線圈移動路徑如圖8所示，最終得到掃查區域的C掃描圖像，如圖9所示。C掃描圖像上的每一點表示線圈在相對應位置和在復平面電壓圖中的工作點。C掃描圖像的水平線(例如縱坐標為25 mm，圖9中虛線所示)，實際上表示的是探頭沿該線(縱坐標25 mm，垂直于刻槽移動)檢測得到的復平面波形(如圖10所示)。

圖8 探頭移動路徑

圖9 渦流檢測的C掃描圖像

圖10 沿某個路徑掃查得到的波形

由于渦流探頭內部線圈尺寸不明確，只能根據實際渦流探頭規格以及DR底片估計內部線圈尺寸。仿真時設定線圈1規格為外徑8 mm，內徑7.6 mm，高度1 mm，激勵電流1 mA；設定線圈2規格為外徑7 mm，內徑6.6 mm，高度1 mm，激勵電流1 mA。

提離值分別為0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm時，線圈1和線圈2平行于刻槽缺陷(線圈法線垂直于刻槽缺陷)檢測，得到檢測結果如圖11所示(ΔUL和ΔUR分別表示電感和電阻變化導致的電壓變化量)。圖11右上角方框內所示為線圈檢測時的俯視圖。由于線圈平行于刻槽缺陷，俯視圖中不同大小

圖11 線圈平行于刻槽缺陷時的檢測結果

的線圈是長短不同的線段，箭頭表示移動方向，小的矩形方框表示刻槽缺陷。提離值分別為0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm時，線圈1和線圈2垂直于刻槽缺陷(線圈法線平行于刻槽缺陷)檢測，得到的檢測結果如圖12所示。

圖12 線圈垂直于刻槽缺陷時的檢測結果

線圈1和線圈2按不同提離值、不同移動方向檢測，得到缺陷信號的幅度和相位如表1所示。

表1 不同提離值、不同移動方向檢測得到的缺陷信號幅度和相位

從表1的結果可以看出：

(1) 線圈尺寸會影響檢測信號幅度。線圈尺寸越大，信號幅度越大，線圈尺寸對信號相位的影響不大。

(2) 提離會影響檢測信號幅度。提離值越小，信號幅度越大。

(3) 和線圈平行于刻槽移動得到的結果相比，線圈垂直于刻槽掃查時，得到的信號幅度更大。線圈1和線圈2垂直于刻槽移動得到的信號幅度分別是平行于刻槽移動時的5倍和5.7倍。產生如此大的信號幅度差異，主要是由線圈平行于刻槽時，刻槽引起的渦流畸變較小，線圈垂直于刻槽缺陷時，刻槽引起的渦流畸變較大造成的。從另一方面也說明，該類型的單線圈檢測時，最少應當從垂直兩個方向進行掃查，否則容易導致缺陷的漏檢。

3.2.2 “自發自收，差動輸出”工作模式

圖13 “十”字形探頭檢測和單線圈檢測的等效示意

“自發自收，差動輸出”的工作模式，可以等效為兩個單線圈分別激勵和接收，得到的信號相減。圖13是按照不同檢測方式，“十”字形探頭檢測和單線圈檢測的等效示意圖。圖13是俯視圖，圖中大小不同的兩個線圈投影為兩條長短不同的線段。

利用單線圈仿真得到的結果，再進行處理可以得到不同提離值時“十”字形線圈的檢測結果如圖14所示。

圖14 不同提離值時，“十”字形線圈檢測的結果

不同移動方式、提離值得到的缺陷信號幅度和相位如表2所示。

表2 不同移動方式、提離值得到的缺陷信號幅度和相位

從“十”字形探頭，“自發自收，差動輸出”工作模式得到的檢測結果可以得到：

(1) 隨著提離值的增大，信號幅度減小。

(2) 按照圖13所示的檢測方式，探頭角度相差90°，檢測得到的信號相位相差180°(見表2)，和探頭實際檢測結果一致。

3.3 “自發自收，相加輸出”工作模式

根據單個線圈仿真的檢測效果，線圈平行或者垂直于刻槽缺陷得到的信號相位基本相同，線圈垂直于刻槽缺陷得到的信號幅度比平行于刻槽缺陷的信號幅度大。“自發自收，相加輸出”模式的檢測結果與文中第1節所述結果不一致。

3.4 工作模式的試驗驗證

根據以上分析，該探頭中的兩個線圈應是“自發自收，差動輸出”工作模式。如果確實按這種模式工作，當刻槽與兩個探頭夾角均為45°時，輸出信號應當接近于零，不同夾角的檢測方式示意如圖15所示。筆者研究了探頭不同角度移動時得到刻槽缺陷的檢測波形(見圖16～19)。

圖15 刻槽與兩個探頭不同夾角的檢測方式

圖16 夾角為22.5°時不同檢測方式得到的波形

圖17 夾角為45°時不同檢測方式得到的波形

圖18 夾角為67.5°時不同檢測方式得到的波形

圖19 夾角為90°時不同檢測方式得到的波形

可以看到，在夾角為45°時，探頭輸出信號很小，和預計的結果吻合。另一方面也說明，該探頭檢測時應避免探頭和缺陷夾角為45°的情況發生，否則易導致缺陷漏檢。

4 結語

通過以上分析，該渦流檢測探頭特有的缺陷信號特征是探頭的結構和工作模式決定的。探頭由兩個法線相互垂直，且都平行于工件表面的兩個線圈組成。兩個線圈是“自發自收，差動輸出”工作模式。

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