基于ACFM檢測技術的表面裂紋特征評價方法研究

王景林　任尚坤　張丹　張文君

摘要：交變電磁場檢測技術（alternating current filed measurement，ACFM）是利用電磁感應原理，通過拾取缺陷處的磁場畸變信號，分析判斷缺陷信息的一種電磁無損檢測方法。ACFM檢測技術在探頭掃描方向與裂紋走向一致的情況下檢測效果最佳。但在實際檢測中，檢測的金屬表面通常都有油漆層保護，并不知道裂紋走向。因此，該文重點研究裂紋長度、裂紋深度、探頭掃描方式、探頭起落波動、探頭偏離裂紋的水平距離及探頭提離高度對ACFM檢測信號的影響。實驗結果表明：不同的掃描模式，檢測信號具有不同的特征，可以從不同的模式特征對裂紋特征進行綜合評價。該研究成果可為表面裂紋的檢測與評價提供參考。

關鍵詞：交變電磁場檢測;探頭掃描方式;裂紋走向;檢測與評價

中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0040-07

0 引言

交變電磁場檢測技術（ACFM）是一種在渦流和漏磁檢測基礎上發展起來的新興無損檢測技術[1]。相比于渦流檢測，ACFM檢測發展較晚，其檢測原理是由激勵探頭在待測工件表面感應出均勻交變電流，當工件中無缺陷或者遠離缺陷時，工件表面感應電流均勻分布;當感應電流流經缺陷區域時，電流從裂紋的兩邊和底部繞過，引起表面電磁場的擾動，檢測探頭采集缺陷上方電磁場畸變信息并處理分析，可獲得描述缺陷狀態的尺寸信息，其檢測原理如圖1[2]所示。

由ACFM檢測理論分析可知，缺陷部位的檢測磁場有3個方向的分量，其方向分別為：在表面內與裂紋方向平行標注為x方向，在表面內與裂紋方向垂直標注為y方向及與工件表面垂直標注為z方向[3-4]。當探頭掃查無缺陷工件表面時，其工件表面感應電流平行于y方向均勻分布，B_y和B_z磁場分量為0[5]。當探頭平行掃查工件表面裂紋時，探頭在剛進入裂紋及離開裂紋的兩個位置，B_z分量上表現出一對極性相反的特征極值信號，同時在探頭進入裂紋區域時;B_x分量信號會表現出先降后升的趨勢，呈現出一個寬凹陷區。由于B_y分量與感應電流方向平行，因而變化微弱不予考慮，在檢測時，只對B_x和B_z進行信號分析處理就可獲得描述裂紋狀態的尺寸信息，實現檢測目的[6-7]。該項技術具有非接觸檢測的特點，對金屬表面的油漆、涂層和雜質無須清理或只做少量清理即可。對金屬表面和近表面的裂紋，可一次性定性和定量完成，檢測的精度高，且檢測速度快[8-9]。

目前ACFM檢測技術對于表面覆蓋有防腐涂層或絕緣層結構的表面和近表面裂紋檢測是一重要的檢測應用領域。由于結構表面都覆蓋有防腐涂層或絕緣層，在未打磨前，事先并不清楚構件內部情況，且裂紋外形和電磁場信號是非線性關系[10]。檢測信號受裂紋長度、裂紋深度、探頭抖動、提離高度和偏移距離等影響因素較多，因而，基于ACFM檢測技術的表面裂紋特征評價方法研究對缺陷評定及量化評估具有參考意義。

1 檢測系統構建

檢測系統的構建主要包括探頭的設計，檢測信號的分析，信號A/D轉換及計算機對信號的處理與分析，檢測系統的構建框圖如圖2所示。

在探頭設計中，將激勵+檢測線圈兩者設計為一體，用于拾取B_x和B_z磁場信號的檢測線圈放置于纏繞線圈的U型磁芯下[11]。其中，激勵線圈骨架用錳鋅鐵氧體材料的U型磁芯，U型磁芯尺寸規格為：兩腳外徑45mm，內徑33mm，高度25mm。采用0.67mm粗的紫銅漆包線在U型磁芯上繞制200匝[12-13]。檢測線圈骨架用錳鋅鐵氧體材料的圓柱形磁芯，磁芯直徑1mm。由于需要拾取B_x和B_z磁場分量，因此需要相互垂直的兩個檢測線圈。豎直線圈用于拾取B_z磁場分量，磁芯長度7.6mm，在磁芯上繞制400匝直徑為0.07mm的紫銅漆包線;水平線圈用于拾取B_x磁場分量，磁芯長度3mm，在磁芯上繞制200匝直徑為0.07mm的紫銅漆包線。探頭結構示意圖如圖3所示。

對檢測線圈拾取的信號進行放大、濾波、A/D轉換，最后將數據傳輸給上位機軟件進行顯示。本文基于實驗室自制的ACFM檢測儀及檢測界面進行試驗研究。試驗過程中，探頭應盡量保持平穩。

2 影響ACFM檢測信號和裂紋特征評價的相關因素分析

2.1 金屬表面裂紋長度對ACFM檢測信號的影響

試驗選取如圖4所示尺寸規格為600mm×150mm×10mm的45#鋼板試塊為研究對象，研究金屬表面裂紋長度對ACFM檢測信號的影響。在45#鋼板表面中心線上利用電火花技術加工寬度和深度均為：0.5mm×3mm，長度分別為10，20，30，40，50mm的矩形凹形缺陷。

探頭沿著與裂紋平行的方向進行掃查，將檢測信號進行分析處理后通過MySql數據庫進行數據保存，origin75軟件進行繪圖，分析如圖5所示。B_x和B_z特征信號最大幅值與最小幅值之間的差值△B_x和ΔB_z隨裂紋長度變化如表1所示。

由表1可知，裂紋長度的變化對ΔB_x影響很小，而對ΔB_z的影響較大，說明裂紋長度的變化更適合由B_x來反演計算。從表中提取△B_z和裂紋長度的值，通過origin75軟件繪出長度變化與ΔB_z信號幅值的關系，如圖5（b）所示。裂紋長度變化與ΔB_z信號幅值的關系符合函數關系式（1），帶入表1數據進行數據擬合，得到公式（2），由此可知在裂紋深度一定的條件下，探頭沿著與裂紋平行的方向進行掃查時，可以通過△B_z信號幅值反演出裂紋長度的值。

y=bln（x-a）（1）

y=259.1ln（x-2）（2）

由圖5（a）可發現，隨著裂紋長度的逐漸增大，B_x由只有一個最低的波谷出現到有兩個波谷轉變，這是因為隨著裂紋長度的增大，感應電流從裂紋中心底部繞過的電流相對增大，導致感應電流在表面感應磁場的水平分量增大。隨著裂紋長度的不斷加大，Bx的凹陷區域的寬度也不斷加大，與裂紋長度影響相對應。

2.2 金屬表面裂紋深度對ACFM檢測信號的影響

因ACFM檢測技術對于45#鋼板和304奧氏體不銹鋼等金屬材料的檢測原理一樣，在研究裂紋深度對ACFM檢測信號影響時，試驗選取尺寸規格為600mm×200mm×6mm的304奧氏體不銹鋼試件為研究對象。在304奧氏體不銹鋼表面中心線上利用電火花技術加工長度和寬度均為30mm×0.5mm，深度分別為1，2，3，4，5mm的矩形凹槽裂紋。探頭沿著與裂紋平行的方向進行掃查。B_x和B_z特征信號最大幅值與最小幅值之間的差值ΔB_x和ΔB_z與裂紋深度的關系如表2所示。

由表2可知，裂紋深度的變化對ΔB_x和ΔB_z檢測信號的影響非常明顯。從表中提取ΔB_x、ΔB_z與裂紋深度的值，通過origin75軟件繪出裂紋深度變化與ΔB_x和ΔB_z信號幅值的關系，如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，B_x和B_z信號曲線變化幅度隨著裂紋深度的加深而快速增大，但B_z檢測信號強度變化比B_x檢測信號強度變化大很多，這是因為B_z方向產生的感應磁場相比B_x方向產生的感應磁場大。深度變化與ΔB_x，ΔB_z信號幅值的關系近似符合函數關系式（3），代入表2數據進行數據擬合，得到深度變化與ΔB_x函數關系式（4），和深度變化與ΔB_z函數關系式（5）。由此可知，在探頭沿著與裂紋平行的方向進行掃查時，可以通過ΔB_x和△B_z信號幅值反演出裂紋深度的值。

由圖6（a）可知，信號曲線波峰和波谷間的距離基本無變化，這是由于裂紋長度不變導致感應電流聚集在同一位置引起，B_z的波峰與波谷各幅值之差ΔB_z與裂紋深度有關，裂紋越深，△B_z越大。

由2.1和2.2可知，B_x和B_z可以反映裂紋的長度信息，也可以反映裂紋的深度信息。利用B=信號對表面裂紋進行評價具有更高的靈敏性。

2.3 探頭抖動對ACFM檢測信號的影響

將檢測探頭水平放置在鋼板試件上，平穩時檢測信號平穩。如將探頭快速提取并放下，檢測信號會出現如圖7所示信號曲線圖，這是由于探頭在提取并放下的過程中產生一快速磁場突變的過程。在檢測過程中，當探頭不斷發生抖動時將會產生特別多的突變信號，以奧氏體不銹鋼板為檢測對象，裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，檢測信號曲線圖如圖8所示。特征曲線中有很多微小突變信號，但B_x和B_z特征信號變化趨勢總體仍保持不變。可見，ACFM檢測技術對于不平滑的待檢區域仍可進行檢測評價，但要考慮校正探頭抖動對檢測信號的影響。

2.4 提離高度對ACFM檢測信號的影響

試驗選取304奧氏體不銹鋼試件為實驗對象，表面裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，研究提離高度對ACFM檢測信號的影響。探頭沿著與裂紋平行的方向進行掃描，檢測信號強度受提離高度的影響較大，檢測信號如圖9（a）和9（b）所示。圖9（c）表示提離高度對檢測信號幅值的影響，其中橫坐標表示的是探頭的提離高度，縱坐標左右兩邊分別表示的是B_x和B_z特征信號最大幅值與最小幅值之間的差值△B_x和△B_z。由圖9（c）可知，探頭離檢測工件表面越高，檢測信號強度越弱，在提離高度達到6mm時，檢測信號仍可達最大值的20%。這里定義B_z檢測信號最大值一半時的提離高度稱為有效提離高度，由試驗結果可知：在裂紋深度為3mm左右時，探頭提離有效高度為3mm。

2.5 探頭與裂紋水平距離對ACFM檢測信號的影響

試驗所選取的試驗對象及探頭掃描方式和2.4相同，研究探頭距離裂紋水平距離對ACFM檢測信號的影響。檢測信號隨探頭與裂紋水平距離的分布特征曲線如圖10（a）和圖10（b）所示。檢測信號強度受探頭離裂紋水平距離的影響很大，影響規律如圖10（c）所示。圖10（c）橫坐標表示的是探頭與裂紋水平距離，縱坐標左右兩邊分別表示B_x和B_z特征信號最大幅值與最小幅值之間的差值ΔB_x和△B_z。由圖10（c）可知，隨著探頭與裂紋水平距離的增大，Bx和Bz特征信號幅值變化逐漸減小，在達到12mm時，ΔB_x和△B_z特征信號幅值約減到最大值的15%，隨著偏移距離的進一步增加，檢測信號回到背景值。這里定義B_z檢測信號最大值一半時對應的探頭與裂紋水平距離稱為探頭檢測的有效偏移距離，由圖10（c）結果分析，在裂紋深度3mm左右時，探頭偏離裂紋水平距離的有效距離為6mm。說明探頭掃查裂紋時，一次檢測的有效寬度為6×2=12mm。

2.6 探頭掃描方向對檢測信號的影響

試驗選取304奧氏體不銹鋼試塊為試驗對象，裂紋尺寸為30mm×0.5mm×3mm，研究放置方位和掃描方向對檢測信號的影響。分別研究探頭6種模式掃查下的特征信號，掃查模式如圖11所示。其中M₁模式為探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描，檢測信號為ACFM信號;M₂模式為兩腳連線方向垂直于裂紋方向，且探頭垂直于裂紋方向掃描，檢測信號為交流漏磁信號;M₃模式為兩腳連線方向平行于掃描方向，且探頭與裂紋成45°方向掃描;M₄模式為兩腳連線方向平行于掃描方向，且探頭與裂紋成-45°方向掃描;M⁵模式為激勵探頭兩腳連線方向與裂紋方向垂直，且沿裂紋方向掃描;M₆模式為激勵探頭兩腳連線方向與裂紋方向平行，垂直于裂紋方向掃描，且探頭移動路徑與裂紋保存一定的距離。M₃和M₄模式檢測信號為ACFM信號與漏磁信號之和。M₅模式檢測信號為交流漏磁信號，M₆模式為ACFM信號。

不銹鋼規格為600mm×200mm×6mm，分別在6種模式下對裂紋尺寸為30mm×3mm×0.5mm的裂紋試驗，檢測信號特征如圖12（a）和圖12（b）所示。由圖12（a）和圖12（b）可知，在M1，MZ，M3，M₄模式下，B_x和B_z的特征信號符合一般的ACFM裂紋信號規律，但檢測信號幅值變化相差明顯。其中，M₁和M₂模式相當于分別檢測的是縱向裂紋和橫向裂紋，在探頭進行M₂掃查時，相當于檢測的是長度更短的一段裂紋，所以檢測信號相比平行掃描時信號強度低[14]。而在M₃和M₄掃查模式過程中，根據2.5所研究的探頭離裂紋水平距離的影響分析可知，探頭同樣能感知其一定水平距離內的感應磁場，只是感應強度相對水平掃描來說有所下降。

對于M₅模式，檢測試塊中的感應電流是沿著裂紋方向流動的，且裂紋寬度較窄，裂紋兩端電流擾動較小[15]。在探頭進入和離開試件表面裂紋時，信號變化都較小，僅B_y方向上的磁場變化更明顯一些，由于B_x和B_z上磁場變化很小，所以出現如圖12所示檢測信號微弱的特征[16]。

對于M₆模式，由檢測結果圖可知，B_x向下凹陷，而B_z向上凸起，B_x方向上的檢測信號較強。由于此種模式下掃描，相當于檢測的是很短的一段裂紋長度，在探頭剛進入缺陷時，B_z出現明顯的凸起特征信號，但裂紋長度太短，導致B_z上的信號來不及經歷波谷就回到了背景值。

通過試驗，研究了放置方位和掃描方向對檢測信號的影響。當探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描模式時，檢測信號最強。在實際檢測過程時，因不知裂紋走向，因而當檢測信號微弱時，不能定義此處無裂紋的產生，而需改變探頭掃描方向進行來回的檢測，以達到裂紋的最大檢出率。

3 結束語

通過試驗研究可知，裂紋長度、裂紋深度、探頭掃描方式、探頭起落波動、探頭偏離裂紋的水平距離及探頭提離高度等因素的變化對ACFM檢測信號的影響較大。本文的試驗研究對于金屬表面裂紋的評定及量化具有較重要的指導意義，由試驗結果可知：

1）裂紋長度在10～50mm，深度在1～5mm范圍內，裂紋長度和深度對ACFM檢測信號的影響較大。裂紋深度一定，隨著裂紋長度增大，檢測信號的幅值變化幅度不斷增大，可通過△B_z反演出裂紋長度;裂紋長度一定，隨著裂紋深度的加深，檢測信號的幅值變化也不斷增大，△B_x和△B_z都可以用來反演裂紋深度的信息。

2）在掃描過程中，探頭的抖動對Bx，B=檢測信號影響較明顯，但檢測特征信號的總體趨勢仍符合ACFM法特征信號一般變化規律。

3）探頭的提離高度對檢測信號的影響較大，對于深度為3mm左右深的裂紋，其提離有效高度為3mm，探頭偏離有效距離為6mm。

4）掃描方式的不同將會對檢測信號產生較大的變化。對于平行，垂直和與裂紋成一定角度的掃描模式下，特征信號的變化規律符合ACFM法特征信號變化一般規律。其中探頭兩腳連線方向平行于裂紋方向，且平行于裂紋方向掃描模式下檢測效果最佳。而在探頭兩腳連線方向與裂紋方向垂直，且沿裂紋方向掃描模式下基本無檢測信號，在探頭兩腳連線方向與裂紋方向平行，且垂直于裂紋方向掃描模式下特征信號存在凹陷與凸起的變化。

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