不銹鋼表面裂紋方向電磁檢測(cè)方法

閆 梁 萬(wàn)本例 胡 斌 范孟豹

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,徐州，2211162.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京，100029

0 引言

304奧氏體不銹鋼由于優(yōu)異的耐腐蝕性、機(jī)加工性能而被廣泛應(yīng)用于石油化工、壓力容器和航空航天等工程領(lǐng)域[1-2]。對(duì)于常年服役于高溫高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境中的不銹鋼結(jié)構(gòu)，表面容易產(chǎn)生腐蝕裂紋和疲勞裂紋[3]，帶來(lái)了潛在的安全問(wèn)題[4]。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)獲取不銹鋼表面缺陷信息具有重要的工程價(jià)值。

304奧氏體不銹鋼屬于非鐵磁性材料，所以常規(guī)的磁粉檢測(cè)和漏磁檢測(cè)無(wú)法實(shí)施[5]。超聲檢測(cè)主要用于內(nèi)部缺陷檢測(cè)，對(duì)表層開(kāi)裂不敏感[6]。滲透檢測(cè)可用于檢測(cè)表面缺陷，但是如果表面有涂層可能導(dǎo)致檢測(cè)效率低，另外滲透劑易造成環(huán)境污染。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)是近年在渦流檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[7]，該技術(shù)具有缺陷定量無(wú)需校核、對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。

傳統(tǒng)的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)采用單線圈激勵(lì),在試件表面產(chǎn)生方向固定的均勻感應(yīng)電流。當(dāng)試件表面出現(xiàn)與電流方向垂直的橫向裂紋時(shí)，裂紋長(zhǎng)度方向引起磁場(chǎng)擾動(dòng)，電流在裂紋端點(diǎn)聚集形成畸變磁場(chǎng)，測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)裂紋的檢測(cè)和定量分析[10]；當(dāng)試件表面出現(xiàn)縱向裂紋時(shí)，裂紋寬度方向引起的磁場(chǎng)擾動(dòng)較小，不利于裂紋缺陷的檢測(cè)與分析。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，裂紋的走向是未知的，操作者不能始終沿著裂紋的方向掃查[11-12]，所以采用單一激勵(lì)的探頭檢測(cè)不銹鋼表面斜裂紋時(shí)，檢測(cè)靈敏度低，甚至?xí)霈F(xiàn)漏檢的現(xiàn)象。為防止漏檢現(xiàn)象的發(fā)生，需要進(jìn)行多向性掃查或采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)探頭，這樣會(huì)增加檢測(cè)時(shí)間和系統(tǒng)復(fù)雜度[13-14]，降低檢測(cè)效率。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[15-19]提出旋轉(zhuǎn)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)的方法，通過(guò)控制激勵(lì)的幅值或相位，在試件表面形成任意方向的感應(yīng)電流，從而對(duì)任意方向的裂紋均有最大的檢測(cè)靈敏度。

旋轉(zhuǎn)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)不定方向裂紋研究中，LI等[15]將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)的不定向裂紋檢測(cè)，成功檢測(cè)到了表面任意走向裂紋。YE等[16-17]針對(duì)多層碳纖維復(fù)合材料和多層鉚接結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下利用Bz特征C掃圖檢測(cè)出不定方向裂紋。BERNIERI等[18]設(shè)計(jì)了新型雙激勵(lì)線圈探頭，利用隧道磁阻(TMR)傳感器檢測(cè)到任意方向的埋深缺陷和小缺陷。XU等[19]設(shè)計(jì)了聚焦型8字線圈，在試件表面形成聚焦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，能以較高的信噪比檢測(cè)任意方向裂紋。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下裂紋方向判定的研究中，HAMIA等[20]、 MARESCHAL 等[21]在偽旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下，在磁場(chǎng)最大畸變幅值狀態(tài)下，利用感應(yīng)電流的方向推斷裂紋的走向,但是該方法需要控制電流方向，降低了檢測(cè)效率。LU等[22]采用兩軸線圈電壓變化相位圖，計(jì)算不同方向裂紋角度。LIU等[23]提出利用磁場(chǎng)分量Bx-By特征相位圖的形式判斷裂紋方向，但是沒(méi)有研究裂紋方向計(jì)算誤差存在的原因,且根據(jù)相位圖觀察裂紋角度精度較低。

本文提出了不銹鋼表面裂紋方向判定的方法。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下提取磁場(chǎng)分量Bx與By的波谷特征，從檢測(cè)機(jī)理角度提出了裂紋方向判定公式，分析了誤差存在的原因;研究了雙U形結(jié)構(gòu)探頭激勵(lì)下的磁場(chǎng)幅值隨電流方向、裂紋方向的變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裂紋檢測(cè)和方向判定的可行性。

1 正交雙激勵(lì)檢測(cè)模型

1.1 有限元模型

借助電磁場(chǎng)有限元仿真建模軟件ANSYS Maxwell建立正交激勵(lì)仿真模型，材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分采用軟件自動(dòng)劃分與部分細(xì)化結(jié)合的方式，對(duì)缺陷和提取路徑通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格得到較高的計(jì)算精度，如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh division of finite element model

建立不定方向檢測(cè)裂紋模型，如圖2所示，以試件為中心建立坐標(biāo)系，定義裂紋與x軸正方向的夾角為β，感應(yīng)電流方向與x軸正向夾角為α，裂紋尺寸為15 mm×0.2 mm×5 mm，信號(hào)提取路徑沿x軸正方向始終過(guò)裂紋中心處，提取試件上方1 mm處的磁場(chǎng)幅值。

圖2 裂紋檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of crack detection

1.2 正交激勵(lì)原理

對(duì)沿x軸和沿y軸方向的兩軸線圈分別施加相位相差90°的正弦交流電，表達(dá)式如下：

Ix=I0sin(ωt+θ)

(1)

Iy=I0sin(ωt+θ+90°)

(2)

ω=2πf

式中，f為激勵(lì)頻率;I0為激勵(lì)電流幅值；θ為初相位；t為時(shí)間；Ix與Iy為激勵(lì)幅值。

根據(jù)麥克斯韋方程組，激勵(lì)線圈在試件表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度分別為Jex和Jey，表達(dá)式[15]如下：

(3)

(4)

根據(jù)矢量合成定理，試件表面的感應(yīng)電流總密度Je可以由上述兩個(gè)正交的電流密度Jex、Jey矢量迭加而成，合成電流的幅值大小AJ和方向αJ分別為[24-25]

(5)

(6)

式中，d為趨膚層厚度,mm;Hp為感應(yīng)磁場(chǎng)總強(qiáng)度值，A/m；k為工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度值與感應(yīng)磁場(chǎng)總強(qiáng)度值的比率;z為到試件表面的距離,mm。

綜上可知，雙U形結(jié)構(gòu)正交激勵(lì)探頭在工件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小保持不變，方向隨時(shí)間發(fā)生周期性勻速旋轉(zhuǎn)。

1.3 無(wú)裂紋磁場(chǎng)幅值

由于ACFM利用感應(yīng)磁場(chǎng)分量的幅值變化進(jìn)行信號(hào)分析，故有必要研究磁場(chǎng)特征幅值隨感應(yīng)電流方向旋轉(zhuǎn)的變化情況。

無(wú)裂紋時(shí)，探頭在試件表面產(chǎn)生均勻的感應(yīng)電流，磁通的方向與均勻感應(yīng)電流方向垂直。取試件表面上方1 mm處中心區(qū)域3 mm×3 mm內(nèi)9個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)均值，繪制不同線圈間距下每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)幅值。利用有限元軟件分析無(wú)裂紋情況下試件表面磁場(chǎng)分量Bx、By、Bz幅值大小在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下隨感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律，如圖3所示。其中，利用有限元程序控制激勵(lì)信號(hào)相位大小得到不同方向的感應(yīng)電流。從圖3中可以看出，對(duì)于Bx與By磁場(chǎng)分量特征，當(dāng)感應(yīng)電流垂直于對(duì)應(yīng)軸，即磁通密度沿著對(duì)應(yīng)軸時(shí)，能拾取到全部的磁場(chǎng)信息，所以感應(yīng)電流方向變化對(duì)磁場(chǎng)幅值大小存在影響。對(duì)于Bz特征，不存在裂紋擾動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)幅值始終為0，與ACFM檢測(cè)原理相符。

圖3 無(wú)裂紋磁場(chǎng)幅值Fig.3 Magnetic field amplitude without crack

2 裂紋方向檢測(cè)方法研究

當(dāng)裂紋角度β=0°時(shí)，即裂紋走向與信號(hào)提取路徑重合，磁場(chǎng)信號(hào)如圖4所示，感應(yīng)電流在裂紋兩端聚集，在裂紋區(qū)域Bx特征出現(xiàn)波谷，By出現(xiàn)波峰波谷。

圖4 磁場(chǎng)特征Fig.4 Magnetic field characteristics

仿真程序中，沿著固定路徑提取磁場(chǎng)信號(hào)幅值，Bx存在強(qiáng)烈的背景磁場(chǎng)，對(duì)有無(wú)缺陷的試件進(jìn)行仿真，以此得到裂紋引起的磁場(chǎng)變化量：

|ΔBi(x)|=|Bi(x)-Bi0(x)|

(7)

式中，Bi(x)為有裂紋時(shí)的磁場(chǎng)分量幅值，i為圖2中定義的x、y、z;Bi0(x)為不存在裂紋時(shí)的背景磁場(chǎng)幅值。

2.1 檢測(cè)特征選取

本節(jié)研究了裂紋方向改變對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，選擇Bx與By作為裂紋檢測(cè)的磁場(chǎng)特征。

繪制不同方向裂紋雙軸磁場(chǎng)信號(hào)，如圖5所示。對(duì)于Bx特征，當(dāng)裂紋方向與x軸重合時(shí)，有最大畸變幅值；當(dāng)裂紋與x軸夾角增大至90°時(shí)，其畸變幅值逐漸減小。對(duì)于By特征，當(dāng)裂紋角度與x軸夾角為90°時(shí)，有最大畸變幅值；當(dāng)裂紋與x軸夾角逐漸減小至0°時(shí)，其畸變幅值逐漸減小。Bz特征與Bx特征變化趨勢(shì)相同。

為便于后續(xù)分析，定義磁場(chǎng)波谷幅值為檢測(cè)特征，即磁場(chǎng)畸變幅值

Bim=min(ΔBi(x))

(8)

(b)By特征

(c)Bz特征圖5 不同角度裂紋磁場(chǎng)特征Fig.5 Magnetic field characteristics of cracks atdifferent angles

圖6 不同方向裂紋磁場(chǎng)擾動(dòng)幅值Fig.6 Magnetic field disturbed amplitude of cracks atdifferent angles

繪制不同方向裂紋的磁場(chǎng)畸變幅值Bim，如圖6所示。從圖中可以看出，磁場(chǎng)分量Bym與其他兩軸特征信號(hào)有互補(bǔ)的趨勢(shì)，所以利用Bim與其他任意一軸磁場(chǎng)特征可以實(shí)現(xiàn)任意方向裂紋的檢測(cè)。由圖6可以看出，裂紋方向變化時(shí)，Bxm與Bym整體變化的范圍相同。所以本文選擇磁場(chǎng)分量Bx與By作為裂紋檢測(cè)與方向判定的特征。

Bx特征檢測(cè)橫向裂紋時(shí)有最大畸變幅值，即裂紋角度為0°，感應(yīng)電流方向?yàn)?0°時(shí)，設(shè)此時(shí)的畸變幅值為B′xm；同理,對(duì)于Bx特征，檢測(cè)縱向裂紋時(shí)有最大畸變幅值，設(shè)此時(shí)的畸變幅值為B′ym。在確定激勵(lì)參數(shù)、缺陷參數(shù)等情況下，B′xm與B′ym均為定值。同時(shí)有下式：

B′xm=B′ym

(9)

2.2 基于仿真的檢測(cè)特征分析

本節(jié)分析感應(yīng)電流方向變化對(duì)磁場(chǎng)特征的影響，研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下裂紋方向判定方法。繪制感應(yīng)電流方向與磁場(chǎng)畸變幅值變化圖像，如圖7所示。

(a)Bx畸變幅值

(b)By畸變幅值圖7 磁場(chǎng)擾動(dòng)幅值隨感應(yīng)電流變化Fig.7 Magnetic field disturbed amplitude change withinduced current direction

隨著感應(yīng)電流方向變化，磁場(chǎng)畸變幅值Bxm、Bym呈正弦規(guī)律變化，當(dāng)感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時(shí)，Bxm、Bym的波谷特征有最大值。同時(shí)，裂紋角度的變化對(duì)磁場(chǎng)整體畸變存在影響。

以圖7a為例，當(dāng)裂紋角度β=0°時(shí)，Bxm在感應(yīng)電流方向角α=90°時(shí)最大，即感應(yīng)電流垂直于裂紋方向時(shí)，有最大擾動(dòng)幅值。另一方面，Bxm隨裂紋角度β增大而減小，即整體的幅值是呈減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樽畲髷_動(dòng)狀態(tài)下的磁通密度方向隨著裂紋的方向發(fā)生改變，并不能拾取到全部的擾動(dòng)信息。

綜上可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)可以在試件表面產(chǎn)生隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電流場(chǎng)，對(duì)任意方向的裂紋均有最大的磁場(chǎng)擾動(dòng)。所以實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，拾取到的最大磁場(chǎng)畸變幅值對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流方向角

α=β+90°

(10)

2.3 裂紋定向方法

分析裂紋角度改變對(duì)磁場(chǎng)畸變幅值的影響，從以下兩個(gè)方向考慮[26]：

(1)試件表面的磁場(chǎng)擾動(dòng)大小取決于感應(yīng)電流方向α與裂紋方向β存在的夾角大小。當(dāng)感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時(shí)，試件表面的磁場(chǎng)擾動(dòng)達(dá)到最大。

(2)傳感器拾取到的磁場(chǎng)擾動(dòng)大小取決于對(duì)應(yīng)傳感器特征軸與裂紋角度的夾角大小。由1.3節(jié)仿真可知，當(dāng)感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向，即當(dāng)磁通密度方向與對(duì)應(yīng)特征軸方向重合時(shí)，磁場(chǎng)幅值信息才能被全部提取到。

建立x向畸變幅值Bxm(α)與B′xm、y向畸變幅值Bym(α)與B′ym的對(duì)應(yīng)關(guān)系[27]：

(11)

將式(9)和式(10)代入式(11)，得到裂紋方向判定公式:

(12)

將圖7中的雙激勵(lì)下方向性裂紋檢測(cè)結(jié)果代入式(12)，定義誤差δ=β-βtheo，其中βtheo為裂紋理論值，得到裂紋方向計(jì)算誤差，如圖8所示。

圖8 裂紋角度計(jì)算結(jié)果Fig.8 Crack angle calculation results

利用上述公式可以相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算裂紋與掃查路徑的夾角。由于實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，裂紋寬度方向會(huì)引起一定的畸變幅值，所以在裂紋走向接近橫向或縱向時(shí)，該方法判定存在一定的誤差。由圖8可以看出，該方法仿真計(jì)算的最大誤差為6.3°，誤差主要來(lái)自于忽略的寬度方向畸變磁場(chǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激勵(lì)、磁場(chǎng)傳感器、信號(hào)采集卡、上位機(jī)等,原理如圖9所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.9 Principle diagram of the experiment system

(a)實(shí)驗(yàn)裝置

本文利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)頻率6 kHz和電壓幅值1 V的兩路相位差90°正弦信號(hào)，激勵(lì)線圈單軸采用100匝直徑0.2 mm的漆包線繞制。該傳感器的信號(hào)拾取部分采用TMR2905傳感器，放置在激勵(lì)線圈下方中心處固定。傳感器拾取的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大接入信號(hào)采集卡NI6366的DAQ信號(hào)采集模塊，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入上位機(jī)顯示與計(jì)算。由于磁場(chǎng)信號(hào)微弱，易受其他信號(hào)的干擾，所以在軟件程序上加入了鎖相放大模塊，濾除與檢測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)。

本實(shí)驗(yàn)中試件采用304奧氏體不銹鋼，上表面采用電火花加工尺寸為15 mm×0.2 mm，深度分別為1 mm,2 mm,3 mm的3組不同走向的裂紋，如圖10b所示。

實(shí)驗(yàn)中，將探頭沿著一組深度相同的方向性裂紋掃查。提取0°～90°不同走向裂紋的磁場(chǎng)擾動(dòng)信息。實(shí)驗(yàn)采集的兩軸磁場(chǎng)信號(hào)如圖11所示，圖中展示了深度2 mm的方向性試件檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，隨著裂紋角度的增加，Bx特征波谷值逐漸減小，By特征波谷逐漸增大，與仿真趨勢(shì)一致。

(a)Bx信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

(b)By信號(hào)檢測(cè)結(jié)果圖11 方向性裂紋檢測(cè)結(jié)果Fig.11 Crack detection results for different directions

所以本文采用的Bx、By波谷特征可以實(shí)現(xiàn)任意方向裂紋的檢測(cè)。取Br=Bxm+Bym，繪制Bxm、Bym、Br幅值隨裂紋角度變化曲線，如圖12所示。由圖12數(shù)據(jù)可知，利用單一特征無(wú)法實(shí)現(xiàn)方向性裂紋的檢測(cè)，Br特征能夠以相同的幅值變化檢測(cè)出任意方向的裂紋。

圖12 方向性裂紋擾動(dòng)幅值Fig.12 Crack disturbed amplitude for different directions

將3組方向性裂紋實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式(11)，計(jì)算裂紋角度，結(jié)果如圖13所示。由圖13數(shù)據(jù)可知，不同深度的判定誤差相差不大，這是因?yàn)楸疚牡牧鸭y方向判定方法誤差來(lái)源于裂紋寬度的磁場(chǎng)擾動(dòng)幅值。本文的裂紋定向算法能夠在誤差允許的范圍內(nèi)計(jì)算出裂紋與掃查路徑的夾角，但是當(dāng)裂紋角度接近0°或90°時(shí)，角度判定誤差相對(duì)較大，最大判定誤差為8.4°，與仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)稱(chēng)性相對(duì)較差，誤差相對(duì)較大。

圖13 實(shí)測(cè)裂紋角度Fig.13 Measured crack angle

定義檢測(cè)靈敏度[18]如下：

(13)

對(duì)不同深度的3組方向性裂紋掃查，繪制靈敏度與裂紋方向角變化圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看出，裂紋的檢測(cè)靈敏度與深度有直接的關(guān)系，深度越深，檢測(cè)靈敏度越高。裂紋深度相同的情況下，對(duì)任意方向的裂紋均有相同的檢測(cè)靈敏度。

圖14 方向性裂紋檢測(cè)靈敏度Fig.14 Crack detection sensitivity for different directions

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)不定方向裂紋容易出現(xiàn)漏檢的情況，本文引入了旋轉(zhuǎn)交流電磁場(chǎng)，通過(guò)建立磁場(chǎng)分量與感應(yīng)電流、裂紋方向的表達(dá)式，分析誤差存在的原因，有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)單檢測(cè)傳感器下，沿固定路徑掃查檢測(cè)任意方向裂紋，磁場(chǎng)分量Bx、By特征在感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時(shí)有最大畸變幅值。

(2)雙激勵(lì)下，利用Bx、By特征可實(shí)現(xiàn)任意方向裂紋的檢測(cè)和方向的判定。相同深度的方向性裂紋檢測(cè)靈敏度相同。

(3)利用Bx、By特征可實(shí)現(xiàn)裂紋走向與掃查路徑夾角的判定，由于判定公式中忽略了裂紋寬度擾動(dòng)幅值，所以存在判定誤差，誤差在裂紋與掃查路徑重合或者垂直時(shí)較大。

本文利用雙激勵(lì)探頭實(shí)現(xiàn)不銹鋼試件表面任意方向裂紋的檢出和方向的判定，減小了傳感器的體積與系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了檢測(cè)效率，滿(mǎn)足自動(dòng)化檢測(cè)的需求。然而，本文的工作是在實(shí)驗(yàn)室條件下完成的，考慮實(shí)際工程運(yùn)用，后續(xù)將在自然缺陷條件下繼續(xù)開(kāi)展工作，研究信號(hào)特征的提取與檢測(cè)靈敏度的提高，以及裂紋方向判定方法的優(yōu)化。