基于脈沖渦流熱成像鋼材表面裂紋檢測效果分析

蘇伯泰　李強　韓靜濤　張永軍

摘要：基于脈沖渦流熱成像檢測技術原理設計開發檢測平臺，以截面125mm×125mm，壁厚5mm的Q345D方矩管為試驗材料，在其表面機加工不同深度和角度的矩形凹槽作為裂紋。裂紋區域和無裂紋區域的溫差大小直接決定檢測效果的優劣，以被檢材料傳送速度、感應加熱功率和線圈提離為3個因素做正交試驗，帶有裂紋的方矩管在勻速動態狀態下被檢測，通過對每組試驗不同深度裂紋和無裂紋區域的溫差數據分析，得到各因素對檢測效果的影響趨勢和程度。最后通過試驗判定感應加熱對不同角度裂紋檢測效果的影響。結果表明：加熱功率和線圈提離對裂紋檢測效果影響顯著，傳送速度影響較小；裂紋自身深度和角度對檢測效果有很大影響，深度越大，越容易檢測；裂紋與渦流之間的角度越大，檢測效果越好。

關鍵詞：脈沖渦流熱成像；無損檢測；鋼材表面裂紋；傳送速度；加熱功率；線圈提離；裂紋深度；裂紋角度

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0147-05

0引言

由于鋼坯本身、成形設備和成形過程的影響，鋼材成形時，其表面會產生裂紋、刮傷、結疤等缺陷，影響鋼材的正常使用，給人員的生命財產安全造成嚴重威脅。因此國內很多科研機構和企業致力于實現對鋼材表面缺陷連續非人工的準確檢測。

脈沖渦流熱成像檢測技術相比于其他無損檢測技術，具有響應速度快、測量范圍寬、非接觸測量、測量結果直觀形象、安全性強、靈敏度高等優點，受到國內外眾多科研機構關注。

脈沖渦流熱成像檢測技術采用載有高頻交流電的感應線圈在導體材料表面和內部感應出渦流，根據焦耳定律，部分渦流轉化為焦耳熱：該熱量會在導體材料表面和內部進行傳播，并導致材料表面的溫度變化：采用紅外熱像儀記錄分析材料表面的溫度變化，就可以達到缺陷檢測的目的。鐵磁性材料具有較大的磁導率，通常肌膚深度非常小，激勵信號頻率為100kHz時，肌膚深度約為0.04mm，在這種情況下，鐵磁性材料表面裂紋檢測主要依靠渦流場的攪動來分析。部分渦流繞過裂紋的端部和底部時受到阻礙，裂紋端部和底部會產生較多焦耳熱，進而展現較高溫度。

渦流熱成像檢測技術對鐵磁性材料表面裂紋的檢測效果主要取決于裂紋區域和無裂紋區域溫差的大小，溫差越大，檢測效果越好。對于同一個裂紋，溫差大小受感應加熱激勵參數的影響，傳送速度、加熱功率和線圈提離都對檢測效果有一定影響。裂紋自身的形狀和大小也對檢測效果有一定影響，研究表明，裂紋長度和寬度對裂紋區域和無裂紋區域溫差大小影響不大，但裂紋深度和裂紋走向對溫差大小影響很大。

本文通過自主發明的脈沖渦流熱成像檢測平臺，分析了傳送速度、加熱功率和線圈提離對鋼材表面裂紋檢測效果的影響以及裂紋本身深度和走向對檢測效果的影響。

1試驗材料及檢測平臺

1.1試驗材料

選用Q345D方矩管作為試驗材料，橫截面積125 mm×125 mm，長度1.8 m，壁厚5 mm。試驗前用砂紙將材料表面磨光，表面發射率在0.5左右。在其表面加工矩形凹槽作為裂紋，裂紋參數見表1。

1.2檢測平臺

本實驗室自主設計的檢測平臺整體架構，如圖1所示。被檢材料經進料裝置傳輸，調心裝置保證被檢材料橫截面中心始終在一條水平線上，被檢材料經感應加熱設備加熱，紅外熱像儀采集溫度數據，數據經后處理軟件處理，完成檢測。

該檢測平臺選用Fotric 626在線式紅外熱像儀和SSF-120超音頻感應加熱設備，其中紅外熱像儀紅外分辨率為384×288像素，幀頻為9 Hz：感應加熱設備使用380 V/50 Hz三相電壓，輸出振蕩頻率為10～40 kHz，最大輸出功率為120 kW，調節輸出功率時，電壓和電流隨之自動改變。感應加熱線圈材質為紫銅，由橫截面15 mm×20mm，壁厚2mm紫銅管焊接而成。具體安放結構如圖2所示，方矩管垂直穿過加熱線圈，加熱線圈放置在紅外熱像儀鏡頭拍攝范圍中。

2感應加熱激勵參數對不同深度裂紋檢測效果的影響試驗

基于脈沖渦流熱成像的鋼材表面裂紋檢測效果體現在加熱后裂紋區域和無裂紋區域的溫差大小，溫差越大，紅外熱像儀拍攝圖片的對比度越明顯，檢測效果越好。加熱后裂紋區域和無裂紋區域溫差大小隨著激勵參數的改變而改變，主要受傳送速度、加熱功率、線圈提離的影響，建立如表2所示的3因素3水平正交表，通過以上檢測平臺測定每組試驗加熱后裂紋區域和無裂紋區域的溫差大小。

對于鐵磁性材料，裂紋長度、寬度等因素對溫度變化影響不大，但裂紋深度對溫度變化有明顯影響，故本試驗選取表1中編號為1、2、3的裂紋，判定裂紋深度對加熱后裂紋區域和無裂紋區域溫差大小的影響。

表3為編號1、2、3的裂紋以傳送速度、加熱功率和線圈提離作為3個因素所做正交試驗的試驗方案和試驗數據。數據中空列為方差分析中的誤差分析提供基礎。

分別對編號1、2、3裂紋加熱后對裂紋區域和無裂紋區域溫差做方差分析，結果如表4～表6所示。對于A因素，編號1裂紋和編號2裂紋的F值小于F_0.10（2，2），編號3裂紋的F值略大于F_0.10（2，2）；對于B因素，編號1、2、3裂紋的F值都在F_0.05（2，2）和F_0.01（2，2）之間；對于c因素，編號2和編號3裂紋的F值在F_0.05（2，2）和F_0.01（2，2）之間。可判定傳送速度對裂紋區域和無裂紋區域溫差大小影響不顯著，加熱功率和線圈提離對裂紋區域和無裂紋區域溫差大小影響顯著；且加熱功率越大，溫差越大，線圈提離越小，溫差越大。對于A、B、C任意一個因素，隨著裂紋深度的增大，F值增大，可判定激勵參數相同時，隨著裂紋深度增大，加熱后裂紋區域和無裂紋區域的溫差增大。因此實際檢測時，為了檢測到深度更小的裂紋，需要較大的加熱功率和較小的線圈提離。

3加熱后裂紋區域和無裂紋區域溫差與裂紋深度的關系

圖3為表3的9組試驗中，加熱后裂紋區域和無裂紋區域溫差與裂紋深度的關系趨勢圖。每組試驗中，隨著裂紋深度增加，溫差呈增大趨勢，且溫差增大幅度也隨著裂紋深度的增加而增大。

感應加熱在試驗材料表面形成渦流，部分渦流繞過裂紋時，受到裂紋阻礙，在裂紋端部和底部形成熱量累積，溫度明顯升高。編號1裂紋和編號2裂紋、編號2裂紋和編號3裂紋之間都相差0.5 mm，溫差增大的幅度后者大于前者，原因在于渦流繞過更深的裂紋時，受到的阻礙更明顯，熱量累積更多。

4感應加熱線圈和裂紋之間角度對檢測效果的影響

本試驗中方矩管穿過單匝感應加熱線圈，如圖4所示，交變電流產生磁場，方矩管穿過感應加熱線圈時，磁通量產生變化，方矩管在截面方向可看作一圈圈的閉合回路，閉合回路中的磁通量發生變化，在方矩管表面產生了與交變電流方向相反的渦流。

方矩管和線圈如圖4位置放置時，渦流方向總是與方矩管橫截面平行，因此渦流受不同角度裂紋阻礙的程度不同，為了探究感應加熱線圈和裂紋之間角度對檢測效果的影響，對表1中1、4、5、6號裂紋做試驗。圖5為傳送速度10m/min，加熱功率40kW，線圈提離10mm時裂紋的檢測效果圖，圖6為綠框內的溫度三維圖。

圖5（a）中，整個裂紋在圖上表現的顏色趨于相近，而圖5（b）～圖5（d）中裂紋端部與中部表現的顏色明顯不同，端部發亮，中部比較模糊，且裂紋與渦流之間角度越小，中部表現得越模糊。這是由于當渦流方向與裂紋垂直時，熱量主要由裂紋底部對渦流的阻礙產生，且同深度時，裂紋底部對渦流的阻礙程度大致相同：當渦流方向與裂紋平行時，熱量主要由裂紋端部對渦流的阻礙產生，裂紋底部對熱量產生幾乎無貢獻：當渦流方向與裂紋之間的角度在0-90°之間時，熱量的產生由裂紋端部和底部共同引起，且角度越小，裂紋端部產生的熱量越大，裂紋底部產生的熱量越小。

5結束語

本文研究了影響鋼材表面裂紋脈沖渦流熱成像檢測效果的因素，得出以下結論：

1）脈沖渦流熱成像無損檢測技術對鋼材表面裂紋的檢測效果主要取決于裂紋區域和無裂紋區域溫差大小，溫差越大，檢測效果越好。加熱功率和線圈提離對溫差大小影響顯著，傳送速度對溫差大小影響較小。加熱功率越大，溫差越大；線圈提離越小，溫差越大。

2）當感應加熱激勵參數相同時，裂紋深度越大，裂紋區域和無裂紋區域溫差越大。

3）當感應加熱激勵參數相同時，渦流方向與裂紋方向平行時，裂紋難以檢測。渦流方向與裂紋方向不平行時，裂紋都可以被檢測，且渦流方向與裂紋方向垂直時，檢測效果最好。

（編輯：李妮）