基于動(dòng)生渦流效應(yīng)的高速運(yùn)行構(gòu)件亞表面缺陷檢測(cè)

王豐龍，袁 飛，孫 誠(chéng)，于亞婷

(電子科技大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，成都 611731)

疲勞失效是持續(xù)運(yùn)動(dòng)的零件和構(gòu)件的主要失效形式[1-3]，在工程領(lǐng)域中金屬構(gòu)件斷裂失效的情況普遍存在。疲勞導(dǎo)致金屬構(gòu)件表面或者亞表面產(chǎn)生疲勞裂紋，其中亞表面疲勞裂紋隱藏在金屬構(gòu)件內(nèi)部，難以被發(fā)現(xiàn)。帶有缺陷的構(gòu)件在高速運(yùn)動(dòng)中更容易發(fā)生斷裂和疲勞失效，造成災(zāi)難性的事故。因此，對(duì)構(gòu)件亞表面缺陷檢測(cè)方法的研究對(duì)于預(yù)防工程事故、保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

動(dòng)生渦流是指運(yùn)動(dòng)金屬構(gòu)件高速切割磁力線而在表層產(chǎn)生的漩渦狀電流，近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)生渦流檢測(cè)技術(shù)做了探索性研究。SHIN[4]通過對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下漏磁檢測(cè)產(chǎn)生的動(dòng)生渦流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)生渦流會(huì)對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的幅值產(chǎn)生影響，并且檢測(cè)信號(hào)隨傳感器安放位置的不同而發(fā)生變化。ZEC等[5]基于被測(cè)金屬表面產(chǎn)生的動(dòng)生渦流對(duì)永磁體的阻力作用，提出了一種利用洛倫茲力檢測(cè)金屬表面缺陷的方法，該方法通過測(cè)量永磁體在金屬上方運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的識(shí)別。ROCHA提出了動(dòng)生渦流檢測(cè)技術(shù)，采用運(yùn)動(dòng)永磁鐵對(duì)鋁板亞表面缺陷進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，找出缺陷和檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系。高運(yùn)來等[6]對(duì)高速漏磁檢測(cè)中的速度效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備與金屬發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬表面將產(chǎn)生動(dòng)生渦流，動(dòng)生渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將疊加在原有磁場(chǎng)上，對(duì)金屬表面缺陷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，最終影響高速漏磁檢測(cè)精度。伍劍波等[7]對(duì)鋼管高速漏磁檢測(cè)中磁化線圈所產(chǎn)生的動(dòng)生渦流的變化規(guī)律以及其對(duì)鋼管磁化狀態(tài)的影響開展研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)生渦流可改變鋼管的磁化狀態(tài)，導(dǎo)致鋼管管頭、管體及管尾處的同尺寸缺陷產(chǎn)生不同強(qiáng)度的漏磁場(chǎng)，從而影響缺陷的定量識(shí)別。FENG等[8]利用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下漏磁檢測(cè)中產(chǎn)生的動(dòng)生渦流，提出一種基于動(dòng)生渦流檢測(cè)非鐵磁性材料的電磁無損檢測(cè)方法。WANG等[9-10]對(duì)渦流熱成像系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)掃描過程中產(chǎn)生的動(dòng)生渦流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)生渦流的拖影和橫向熱擴(kuò)散會(huì)使圖像變得模糊，從而淹沒噪聲信號(hào)。YUAN等[11]對(duì)動(dòng)生渦流生成機(jī)理及其在電磁無損檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)并使用動(dòng)生渦流檢測(cè)方法對(duì)鋼軌試樣進(jìn)行檢測(cè)，分析了傳感器檢測(cè)位置與檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱的關(guān)系。

文章采用直流激勵(lì)線圈，首先從仿真角度建立含缺陷高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的2D電磁仿真模型，并就該模型研究典型的鐵磁性材料和非鐵磁性材料在不同運(yùn)動(dòng)速度下檢測(cè)信號(hào)和缺陷埋藏深度之間的關(guān)系，最后構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 含缺陷高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的二維電磁場(chǎng)建模

1.1 建立有限元數(shù)值仿真模型

高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件動(dòng)生渦流檢測(cè)仿真模型包含被測(cè)試件、激勵(lì)線圈和磁傳感器。采用Maxwell 2D軟件建立如圖1 (a)所示的二維高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件動(dòng)生渦流檢測(cè)系統(tǒng)仿真模型，其中淺綠色線框表示金屬構(gòu)件運(yùn)動(dòng)區(qū)域，其總長(zhǎng)度為440.75 mm，高度為7.5 mm；深藍(lán)色線框?yàn)楸粶y(cè)試件，其長(zhǎng)度為244.75 mm，高度為6 mm。被測(cè)試件中的缺陷尺寸定義如圖1 (b)所示。激勵(lì)線圈位于被測(cè)試件上方，其高度為8 mm，線圈內(nèi)徑、外徑分別為10，16 mm，提離為1 mm。由于傳感器安放位置對(duì)電磁信號(hào)和檢測(cè)效果也有一定影響，所以為了探究這一問題，以激勵(lì)線圈位置作為參照分別設(shè)置了3組不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以供后續(xù)試驗(yàn)。仿真采集檢測(cè)點(diǎn)1#～3#的信號(hào)，檢測(cè)點(diǎn)分布如圖1 (c)所示。

圖1 高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件動(dòng)生渦流檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 鐵磁性材料亞表面缺陷檢測(cè)仿真

1.2.1 仿真模型材料選定

材料設(shè)置包括3部分，分別是激勵(lì)線圈材料、軌道區(qū)域材料、被測(cè)試件材料。材料選定結(jié)果如表1所示。

表1 材料選定結(jié)果

1.2.2 仿真模型邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

軟件可以設(shè)置5種邊界條件，分別是自然邊界條件(紐曼邊界條件)、狄里克萊邊界條件(矢量磁位邊界條件)、對(duì)稱邊界條件、氣球邊界條件和主從邊界條件。仿真時(shí)各系統(tǒng)被空氣包圍，因此將4個(gè)邊界設(shè)為氣球邊界[見圖1(a)中灰色線框部分，表示無限遠(yuǎn)處電荷為零]。

由于動(dòng)生渦流存在趨膚效應(yīng)，因此選擇基于趨膚深度的網(wǎng)格劃分方法(表面處網(wǎng)格劃分密集，距離表面越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏)，以保證在滿足精度的同時(shí)減少計(jì)算規(guī)模。試件上表面與激勵(lì)線圈之間的運(yùn)動(dòng)區(qū)域需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，保證仿真能得到較為精確的求解結(jié)果。網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分效果圖

1.2.3 亞表面缺陷深度與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

基于1.2.1的有限元模型，研究鐵磁性材料(45鋼)亞表面缺陷深度與輸出磁場(chǎng)信號(hào)的關(guān)系。在研究中，缺陷寬度為固定值0.8 mm，將缺陷深度設(shè)置為0.1，0.3，0.5，0.8，1.0，2.0 mm，運(yùn)動(dòng)速度為10 m·s-1。采集2#測(cè)點(diǎn)水平和豎直方向的磁場(chǎng)信號(hào)，可得到不同亞表面缺陷埋藏深度的磁場(chǎng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)距離之間的關(guān)系(見圖3)。通過圖3可看出：① 不同埋藏深度亞表面缺陷信號(hào)的變化趨勢(shì)基本一致，缺陷位置水平方向磁場(chǎng)分量信號(hào)下降，形成波谷特征；豎直方向磁場(chǎng)分量信號(hào)則先降后升再降，形成波谷-波峰特征；② 缺陷埋藏深度越淺，信號(hào)的特征越明顯，當(dāng)埋藏深度達(dá)到2.0 mm時(shí)，水平和豎直方向磁場(chǎng)分量信號(hào)幾乎呈一條直線，即埋藏深度超過2.0 mm的缺陷難以被檢測(cè)。主要原因是45鋼相對(duì)磁導(dǎo)率較大，趨膚深度較淺，當(dāng)缺陷埋藏深度超過趨膚深度時(shí)，缺陷對(duì)渦流信號(hào)的干擾很小。

圖3 45鋼中不同埋藏深度缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)

1.2.4 構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

目前常用于運(yùn)動(dòng)鐵磁構(gòu)件的渦流檢測(cè)(ECT)技術(shù)主要采用靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)速度小于10.0 m·s-1[12-13]；而文章仿真研究主要針對(duì)高速運(yùn)行構(gòu)件，平均運(yùn)行時(shí)速約80～100 km/h，因此仿真組中設(shè)置構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速度為10，15，20 m·s-1。45鋼亞表面缺陷寬度、深度分別為0.8，1.0 mm，運(yùn)動(dòng)速度為10，15，20 m·s-1時(shí)缺陷的磁場(chǎng)分布如圖4所示。圖5為不同運(yùn)動(dòng)速度下2#檢測(cè)點(diǎn)水平和豎直方向的磁場(chǎng)信號(hào)。由圖4和圖5可看出，運(yùn)動(dòng)速度越大，趨膚效應(yīng)越明顯，拖影效應(yīng)也越明顯，水平方向磁場(chǎng)信號(hào)越強(qiáng)，而豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)越弱，同時(shí)也可看出，相比于20 m·s-1，速度10 m·s-1時(shí)的水平和豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)幅值較大。

圖4 45鋼不同速度下缺陷的磁場(chǎng)分布

圖5 45鋼2#檢測(cè)點(diǎn)不同速度下的磁場(chǎng)信號(hào)

1.2.5 傳感器安放位置與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

因動(dòng)生渦流存在拖影效應(yīng)，故該節(jié)研究檢測(cè)點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。在運(yùn)動(dòng)速度為10 m·s-1，亞表面缺陷寬度為0.8 mm、深度為0.3 mm條件下，得到1#～3#檢測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)信號(hào)如圖6所示。從圖6可看出，1#檢測(cè)點(diǎn)水平方向磁場(chǎng)信號(hào)基線值最大，但3#檢測(cè)點(diǎn)水平方向磁場(chǎng)信號(hào)幅值最高，對(duì)缺陷最敏感；豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)也呈現(xiàn)類似規(guī)律，即在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件亞表面缺陷時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)越靠近線圈與試件運(yùn)動(dòng)方向相反的內(nèi)側(cè)位置，越有利于缺陷檢測(cè)。

圖6 45鋼不同檢測(cè)點(diǎn)位置的磁場(chǎng)信號(hào)

1.3 非鐵磁性材料亞表面缺陷檢測(cè)仿真

1.3.1 缺陷深度與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

非鐵磁性材料選用典型航空鋁合金材料7075。缺陷埋藏深度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm，缺陷寬度為0.8 mm，運(yùn)動(dòng)速度為10 m·s-1。不同埋藏深度缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)如圖7所示。由圖7可看出不同深度亞表面缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)趨勢(shì)基本一致，即水平方向磁場(chǎng)信號(hào)先小幅上升再大幅下降，形成波峰-波谷，而豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)先微幅上升再降低再升高，形成波峰-波谷-波峰特征；同時(shí)，缺陷埋藏深度越小，信號(hào)特征越明顯。由此可見，兩種不同材料的磁場(chǎng)信號(hào)變化趨勢(shì)相似。

圖7 鋁合金不同埋藏深度缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)

1.3.2 構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

對(duì)于動(dòng)生渦流信號(hào)來說，由于趨膚深度與激勵(lì)頻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而直流激勵(lì)與構(gòu)件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)生渦流可以類似于低頻諧波信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的感生渦流，所以趨膚深度更大[14]。構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度為10，20，30 m·s-1時(shí)，亞表面寬度為0.8 mm、埋藏深度為1.0 mm缺陷的動(dòng)生渦流分布如圖8所示。不同速度下2#檢測(cè)點(diǎn)的水平方向磁場(chǎng)信號(hào)如圖9所示。從圖8和圖9可看出，與鐵磁性材料相比，非鐵磁性材料的趨膚深度更大，可以檢測(cè)埋藏更深的缺陷。運(yùn)動(dòng)速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響與鐵磁性材料的影響基本一致，即運(yùn)動(dòng)速度對(duì)缺陷的定位幾乎沒有影響；但速度越大，信號(hào)越強(qiáng)；同時(shí)也可看出速度越小，缺陷檢測(cè)信號(hào)越明顯。

圖8 不同速度下鋁合金缺陷的動(dòng)生渦流分布

圖9 鋁合金不同速度下2#檢測(cè)點(diǎn)的水平方向磁場(chǎng)信號(hào)

1.3.3 傳感器安放位置與磁場(chǎng)信號(hào)仿真分析

和1.2.3中檢測(cè)點(diǎn)的位置相同，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為10 m·s-1，亞表面缺陷寬度為0.8 mm、深度為1.0 mm時(shí)，1#～3#檢測(cè)點(diǎn)的水平方向磁場(chǎng)信號(hào)如圖10所示。從圖10可看出，2#檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)相對(duì)1#和3#檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)波動(dòng)更大。因此對(duì)于非鐵磁性材料亞表面缺陷檢測(cè)，2#檢測(cè)點(diǎn)更合適；而對(duì)于鐵磁性材料則3#檢測(cè)點(diǎn)更合適。這是由于鐵磁性材料拖影效應(yīng)更加嚴(yán)重，非鐵磁性材料渦流分布相對(duì)均勻，檢測(cè)效果最好的是中間檢測(cè)點(diǎn)。

圖10 鋁合金不同檢測(cè)點(diǎn)的水平方向磁場(chǎng)信號(hào)

2 高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件亞表面缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件亞表面缺陷檢測(cè)平臺(tái)由高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成[見圖11(a)]，其中高速構(gòu)件旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由電機(jī)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及被檢構(gòu)件組成；檢測(cè)探頭[見圖11(b)]固定在被檢件邊緣處，由激勵(lì)線圈和霍爾傳感器構(gòu)成。系統(tǒng)速度為100～1 200 r·min-1，即轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1.36～15 m·s-1。埋藏缺陷刻在厚為6 mm的45鋼圓盤上，缺陷寬度為0.8 mm，埋藏深度為0，2，3，4，5，5.5 mm，缺陷分布如圖11(c)所示(加工在試件外表面)。

圖11 試驗(yàn)平臺(tái)及缺陷分布示意

試驗(yàn)采用霍爾傳感器獲取磁場(chǎng)信號(hào)，并將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，電信號(hào)經(jīng)過濾波器后被數(shù)據(jù)采集卡采集，濾波器截止頻率設(shè)置為1 500 Hz，提離為1 mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)涉及兩種探頭，其內(nèi)置傳感器是相同型號(hào)的霍爾傳感器，但其安放方向相垂直，其中一個(gè)用來測(cè)量水平方向磁場(chǎng)信號(hào)，另一個(gè)用來測(cè)量豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時(shí)的磁場(chǎng)信號(hào)如圖12所示。由圖12可看出，缺陷埋藏深度為0，2，3 mm的亞表面缺陷可以被清楚地識(shí)別出，而由于受到趨膚效應(yīng)的影響，其他埋藏較深的缺陷則無法檢測(cè)出。這與仿真結(jié)論一致。對(duì)比圖3可看出，試驗(yàn)和仿真中亞表面缺陷對(duì)水平方向磁場(chǎng)信號(hào)和豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)的影響特征是一致的。相比豎直方向磁場(chǎng)信號(hào)，水平方向磁場(chǎng)信號(hào)更適合用于亞表面缺陷的定量檢測(cè)。

圖12 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時(shí)的磁場(chǎng)信號(hào)

選擇水平方向磁場(chǎng)信號(hào)來研究運(yùn)動(dòng)速度對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的影響。轉(zhuǎn)速為200，400，800，1 200 r·min-1(分別對(duì)應(yīng)圓盤邊緣線速度為2.5，5，10，15 m·s-1)時(shí)得到的檢測(cè)信號(hào)如圖13所示。

圖13 不同速度下構(gòu)件旋轉(zhuǎn)一圈的檢測(cè)信號(hào)

從圖13可看出，不同運(yùn)動(dòng)速度下構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)一周所得的電磁信號(hào)幾乎一致，即在缺陷處出現(xiàn)波谷。因此，可通過波谷信號(hào)實(shí)現(xiàn)缺陷的定位。同時(shí)，可以看到缺陷信號(hào)的波谷值隨速度而變化，基本上運(yùn)動(dòng)速度越大，波谷值越小，證明了運(yùn)動(dòng)速度會(huì)對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，與仿真結(jié)果吻合。

3 結(jié)語

采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法研究缺陷檢測(cè)信號(hào)與缺陷埋藏深度、構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度以及傳感器位置的關(guān)系，確定了針對(duì)鐵磁性材料和非鐵磁性材料的亞表面缺陷的檢測(cè)特征信號(hào)以及最佳的檢測(cè)位置，為金屬構(gòu)件亞表面缺陷的定量檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

受試驗(yàn)條件的限制，研究獲取的不同缺陷、不同材料的檢測(cè)信號(hào)數(shù)量有限；同時(shí)金屬構(gòu)件在運(yùn)行過程中由于轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸的不垂直度引起轉(zhuǎn)盤邊緣和檢測(cè)探頭距離的變化也是引起誤差的一個(gè)重要原因。