鋁合金部件裂紋缺陷的多通道渦流檢測仿真與試驗研究

周慶祥，李剛卿，侯凱，肖君武，宋凱

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島，266111；2.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗室，江西南昌，330063）

0 引言

鋁合金部件隨著服役時間的延長，由于疲勞載荷、應(yīng)力等環(huán)境因素的影響，表面會萌生出疲勞裂紋[1～3]。對疲勞裂紋的萌發(fā)、生長等進(jìn)行有效的檢測，能極大程度上降低安全事故發(fā)生的概率[4～5]。關(guān)于鋁合金部件的表面及近表面缺陷的無損檢測，國內(nèi)外學(xué)者對此都有過相應(yīng)的研究。陳濤，曹恒[6]等人使用電渦流法對鋁板近表面缺陷進(jìn)行檢測，但其渦流探頭覆蓋面積較小，在檢測效率方面存在一定的局限性。張蕾，王逾涯[7]等人利用壓電阻抗技術(shù)對鋁板表面裂紋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在高頻激勵下通過PZT電阻抗實部響應(yīng)曲線的變化來識別金屬鋁板的結(jié)構(gòu)損傷。Jian X[8]等人設(shè)計了一種新型的電磁超聲檢測技術(shù)，采用螺旋式線圈結(jié)構(gòu)來檢測金屬板表面缺陷，但其換能效率不是很高且存在電磁干擾現(xiàn)象。王博正等人[9]對鋁板表面噴涂啞光漆后再進(jìn)行紅外熱成像檢測，發(fā)現(xiàn)在相同功率的情況下，裂紋缺陷表面處理后溫差幅度大于表面處理前的溫差幅度，可檢測性較好，但每次檢測時需對光滑鋁板進(jìn)行噴漆處理，工序較為復(fù)雜。因此，研制一種高效、便捷的鋁合金部件表面裂紋檢測探頭顯得尤為重要。

多通道渦流檢測技術(shù)作為常規(guī)渦流檢測技術(shù)的一種擴(kuò)展，其有效檢測范圍覆蓋較廣，漏檢率低，可用于鋁合金部件表面裂紋的檢測。本文以鋁合金平板表面裂紋為檢測對象，構(gòu)建了鋁板差動式電橋檢測的三維模型，通過COMSOL有限元仿真對線圈形狀、線徑、激勵電壓以及激勵頻率等進(jìn)行優(yōu)化分析，確定了適用于鋁合金部件的檢測參數(shù)。通過人工刻槽的檢測試驗，驗證了仿真結(jié)果的正確性以及四通道探頭的檢測能力。

1 渦流檢測原理

渦流檢測是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測技術(shù)，適用于檢測導(dǎo)電金屬材料以及能感生出渦流的非金屬材料的表面及近表面缺陷[10～11]。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且若此導(dǎo)體形成閉合回路則會產(chǎn)生感應(yīng)電流[12～14]。

通有交變電流的線圈會在其周圍空間產(chǎn)生磁場，當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體時，交變磁場會在導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流。渦流的相位、大小以及流動形式會受到材料電磁特性（電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、缺陷）的影響，故當(dāng)上述因素發(fā)生改變時，渦流就會隨之發(fā)生變化從而感生出一個磁場，此磁場攜帶被測體的信息反作用于檢測線圈使其阻抗發(fā)生變化[15～16]。因此，通過觀測檢測線圈阻抗的變化就能達(dá)到對被測體進(jìn)行無損檢測的目的。在實際檢測過程中，要根據(jù)工件的形狀、材質(zhì)并結(jié)合不同的檢測需求選擇合適的探頭類型，從而實現(xiàn)待檢工件的精確檢測[17]。

四通道渦流檢測是常規(guī)渦流檢測技術(shù)的一種拓展，其探頭結(jié)構(gòu)由兩排獨(dú)立工作的線圈組成，分為四組，每組探頭采用電橋結(jié)構(gòu)連接，利用分時復(fù)用技術(shù)對激勵線圈和檢測線圈進(jìn)行信號的分批傳輸與接收，從而實現(xiàn)使用一條線路對多路信號進(jìn)行處理。其中，線圈采用自感式結(jié)構(gòu)，既能產(chǎn)生激勵磁場又能感應(yīng)被測體中的渦流信號。

圖1 渦流探頭檢測原理

圖2 四通道渦流探頭線圈排布

2 鋁合金部件渦流檢測仿真研究

2.1 建立有限元仿真模型

2.1.1 設(shè)置模型條件

使用COMSOL有限元仿真軟件，建立三維鋁合金平板裂紋渦流檢測仿真模型如圖3所示。仿真模型主要由鋁板、銅線圈（探頭）、裂紋缺陷以及空氣組成。其中，鋁板的尺寸為30×30×5mm；缺陷的尺寸為10×0.13×0.2mm；空氣域的半徑為25mm；檢測方式為線圈平行鋁板表面進(jìn)行掃查，交流電壓的幅值為Voltage[V](初始值為3V)，激勵頻率為Freq[kHz](初始值為50kHz)。

圖3 鋁合金部件裂紋渦流檢測仿真模型

2.1.2 添加/定義材料

材料的物理特性會對渦流以及磁場產(chǎn)生影響，因此需要在仿真中定義材料的屬性。模型中各材料的物理特性由相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及相對介電常數(shù)表征，如表1所示。

表1 材料的物理特性參數(shù)

2.1.3 物理場及邊界條件的設(shè)置

渦流檢測屬于電磁場范圍下的典型應(yīng)用且需施加交變電流或電壓來產(chǎn)生磁場，因此本文選擇AC/DC模塊下的“磁場”作為物理場，并選擇“頻域”為研究內(nèi)容。

“磁場”接口自帶三個邊界條件：安培定律、磁絕緣與初始值。“安培定律”：時變電場會產(chǎn)生磁場。線圈通以交變電流產(chǎn)生的磁場集中分布于空氣域內(nèi)，故在整個空氣域內(nèi)計算安培定律。“磁絕緣”：在此區(qū)域內(nèi)存在磁場，而在此區(qū)域外不存在磁場。由于磁場集中于空氣域內(nèi)，因此將球體邊界設(shè)置為“磁絕緣”。“初始值”：線圈在激勵前沒有初始的矢量磁位，初始值的矢量磁位全設(shè)置為0。之后在添加“線圈域”，設(shè)定“均勻多匝線圈”-“數(shù)值類型”-“電路電流激勵”。

2.1.4 電路設(shè)置

線圈部分與電路相互耦合形成電橋結(jié)構(gòu)，從而將線圈阻抗的變化量以感應(yīng)電動勢的形式輸出，易于測量。如圖4所示。

選擇AC/DC模塊下的“電路”物理場，添加保護(hù)電阻R1、R2、交流電壓源、線圈外部耦合I vs U，并按圖4所示節(jié)點(diǎn)連接形成交流電橋結(jié)構(gòu)。

2.1.5 網(wǎng)格剖分

模型的求解精度依賴于網(wǎng)格剖分的細(xì)化程度。針對本線圈模型，由于缺陷的存在會導(dǎo)致磁場發(fā)生畸變，為提高模型精度需對線圈、缺陷部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密。考慮到單元格的質(zhì)量以及計算的精度，采用“用戶控制網(wǎng)絡(luò)”對線圈、缺陷以及鋁板進(jìn)行自由四面體的較細(xì)化處理；同時，為了提高模型求解的速度，對空氣域進(jìn)行常規(guī)單元格劃分處理，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖5 仿真模型電路設(shè)置

圖6 仿真模型網(wǎng)格剖分

2.1.6 模型求解

為保證模型的正確求解，需添加“線圈幾何分析”作為研究步驟1，隨后在研究步驟2“頻域”中設(shè)置激勵頻率便可對模型進(jìn)行分析求解。在求解過程中利用迭代求解器對模型實行多次迭代，使得模型不斷收斂于正確解。

2.2 渦流檢測線圈設(shè)計

在渦流檢測中，探頭線圈的幾何構(gòu)型和結(jié)構(gòu)決定了渦流場的分布狀態(tài)，而線圈參數(shù)、檢測頻率及激勵電壓決定著探頭的檢測靈敏度等性能，因此需要通過仿真對探頭線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 線圈形狀研究

在多通道渦流檢測探頭中，圓形與矩形線圈都有應(yīng)用。對面積相近的圓形和矩形線圈分別施加相同的激勵電壓，在保證網(wǎng)格劃分一致的情況下，研究線圈形狀對鋁板工件表面磁場強(qiáng)度的影響。

鋁板表面的磁場分布云圖如圖7所示。一般而言，探頭檢測線圈在工件表面生成的磁場越大、分布越集中，渦流檢測的靈敏度就越高。根據(jù)圖7的有限元仿真結(jié)果可以看出，在相同激勵電壓的條件下，圓形線圈在被測體表面感應(yīng)出的磁場模大于矩形線圈。同時由于線圈幾何形狀的影響，圓形線圈的磁場分布更加均勻，這說明圓形線圈更適合作為本文所設(shè)計的多通道探頭的檢測線圈。

圖7 鋁板表面磁場分布云圖

根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，工件表面磁場的強(qiáng)弱主要受線圈兩端所施加的激勵電壓的影響。以圓形線圈作為檢測線圈，加載不同幅值的激勵電壓，研究工件表面磁場強(qiáng)度的變化，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可以分析得出，在不同的提離高度下，隨著激勵電壓的增大，磁場強(qiáng)度均呈線性增加，這表明激勵電壓越大，探頭靈敏度越高。

圖8 激勵電壓對磁場強(qiáng)度的影響

2.2.2 激勵頻率選擇

頻率的大小不僅影響渦流滲透深度，還影響著探頭的檢測靈敏度。對檢測線圈加載不同頻率的激勵電壓，頻率范圍設(shè)置為50kHz～450kHz，提取檢測線圈經(jīng)過缺陷時的感應(yīng)電壓，結(jié)果如圖9所示。

圖9 激勵頻率對線圈感應(yīng)電壓的影響

由圖9可知，在不同的激勵電壓下，隨著激勵頻率的增加，檢測線圈感應(yīng)電壓均表現(xiàn)為增大趨勢，并且當(dāng)激勵頻率為200kHz時增大趨勢變緩。在實際檢測中，當(dāng)激勵頻率過高時，由于趨膚效應(yīng)而使得渦流主要集中于工件表面，有利于檢測表面缺陷但缺乏相應(yīng)的檢測深度。因此，對于鋁合金部件而言，檢測頻率不宜超過200kHz。

2.2.3 線圈線徑仿真

在匝數(shù)一定的條件下，線圈所通過的激勵電流主要受其線徑的影響。設(shè)定線圈匝數(shù)不變，以0.03mm為步進(jìn)，線徑從0.03mm變化至0.15mm，研究線徑變化對線圈感應(yīng)電壓的影響。提取線圈經(jīng)過缺陷時的感應(yīng)電壓，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，線徑為0.06mm時，線圈的感應(yīng)電壓最大，此時再增大線徑感應(yīng)電壓逐漸減小。由此可見，線徑過大或者過小都會導(dǎo)致檢測靈敏度的下降。

圖10 線徑對線圈感應(yīng)電壓的影響

3 四通道渦流探頭檢測試驗

本節(jié)依據(jù)有限元仿真結(jié)果，研制四通道渦流探頭，對鋁板試塊上的人工刻槽進(jìn)行檢測，研究鋁合金部件裂紋檢測的最佳參數(shù)。

3.1 試驗條件

試驗所用試塊如圖11所示。該試塊共含有4個人工缺陷，長度和寬均為10mm、0.13mm，1#～4#缺陷深度分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。實驗儀器采用多通道渦流檢測儀，該儀器具有多通道信號采集，驅(qū)動、頻率以及相位的控制調(diào)整功能，含有單阻抗以及多阻抗的平面布局形式并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲以及傳輸。

圖11 人工缺陷試塊

3.2 四通道渦流檢測探頭的研制

為了實現(xiàn)多個檢測信號依次由公共端輸出，需要用到分時復(fù)用電路。分時復(fù)用即通過一條線路在不同時序上傳輸多個信號。綜合考慮信號的保真度、芯片的價格以及激勵電源電壓的匹配情況，選擇邏輯控制芯片74HC5402B作為分時復(fù)用開關(guān)。該芯片是一塊帶有公共使能輸入控制位的四選一模擬開關(guān)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)四通道檢測信號的輸出。

將檢測線圈與電路相連接，形成四通道渦流檢測探頭。其中，線圈采用電橋式，一端公共接地，另一端接芯片的輸出端。每個通道的線圈一前一后放置構(gòu)成差動式，通道與通道間采用并行排列的方式。連接好后將電路板與線圈放入工裝外殼中，并用高硬度環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封裝，實物如圖12所示。

圖12 四通道探頭實物

3.3 通道一致性的驗證

將多通道探頭貼合鋁板表面并沿1#人工缺陷的長度方向勻速掃過，在掃查過程中保證每一個通道以相同狀態(tài)經(jīng)過缺陷，分別觀察四個通道的檢測信號阻抗圖。

如圖13所示，當(dāng)檢測線圈經(jīng)過缺陷時原本的電橋平衡狀態(tài)被打破，線圈阻抗發(fā)生變化，在阻抗圖上出現(xiàn)“半8字型”的缺陷信號。可以看出，不同通道的檢測信號阻抗圖及幅值基本一致，說明四個通道的檢測能力一致性較好。

圖13 四個通道檢測效果

3.4 激勵電壓對檢測信號的影響

設(shè)置多通道渦流儀檢測工藝參數(shù)，調(diào)整信號相位，依次設(shè)置不同激勵電壓，對1#人工缺陷進(jìn)行檢測，觀測檢測信號變化，結(jié)果如圖14所示。依據(jù)圖14可知，隨著激勵電壓的不斷增加，輸出的感應(yīng)電壓也不斷升高，與仿真結(jié)果趨勢相同。綜合考慮檢測靈敏度以及實驗安全，確定激勵電壓為5V。

圖14 激勵電壓對檢測信號的影響

3.5 缺陷深度對檢測信號的影響

裂紋深度變化將導(dǎo)致該區(qū)域的渦流場發(fā)生顯著變化，從而對檢測信號的相位和幅值產(chǎn)生影響。將裂紋深度作為單一變量，對深度不同的1#～4#人工缺陷進(jìn)行檢測實驗，結(jié)果如圖15所示。依據(jù)圖15可知，感應(yīng)電壓隨著深度的遞增近似呈線性增長，不同深度之間的感應(yīng)電壓有明顯不同，說明該實驗參數(shù)下鋁板裂紋檢測靈敏度較高，對工程實踐具有指導(dǎo)意義。

圖15 缺陷深度對檢測信號的影響

4 結(jié)論

（1）采用幾何構(gòu)型為圓形的檢測線圈，加載激勵電壓后產(chǎn)生的渦流場更加均勻、更加集中，這有利于降低漏檢率，同時均勻的渦流場可以進(jìn)一步提高多通道探頭的通道一致性。

（2）分時復(fù)用芯片能夠以極高的頻率對各個通道的信號輸入進(jìn)行切換，未出現(xiàn)時序上的延遲，并保證信號不失真，四個通道檢測信號具有較高一致性，表明分時復(fù)用技術(shù)可以應(yīng)用于多通道渦流檢測探頭。

（3）本文所研制的四通道渦流檢測探頭可有效檢出鋁合金平板試塊上深度不小于0.2mm的人工刻槽，具有實際使用意義。