基于ACFM 的921A 鋼材裂紋檢測系統設計及試驗研究＊

高 輝 楊 潔 張 楷 李慧聰

（①北京石油化工學院機械工程學院，北京 102600；②能源工程先進連接技術中心，北京 102600）

目前921A 高強度結構鋼被廣泛用于制造船舶、橋梁、高樓等大型工程，由于921A 通常在調質狀態下使用，其碳當量較高，因此可焊性較差，而且在焊接過程中常會伴隨著冷裂紋、焊后熱影響區的脆化和軟化等缺陷產生。因此開展921A 鋼材裂紋檢測對保障工程安全、避免事故發生十分重要[1]。目前常用的裂紋檢測技術主要包括裂紋檢測的模糊學習方法、系統建模和實驗測量等。然而現有的檢測技術對表面裂紋的檢測仍存在不足。

ACFM 交流電磁場檢測技術是一種新型的無損檢測技術，用交變電流的激勵線圈靠近激發金屬部件內部的渦流磁場，待檢測工件表面的感應電流由于集膚效應聚集于工件表面，通過磁場變化的強弱檢測出金屬構件表面及近表面的缺陷，并給出其尺寸和位置等參數，與現有的檢測技術相比，具有非接觸測量、受工件表面影響小等特點[2]。其核心理論為被檢測物體表面與交流電磁場發生感應，耦合出新的畸變電磁場信號，并利用此信號進行裂紋尺寸的分析。目前ACFM 技術的研究已經逐漸趨于成熟，TSC 公司提供的ACFM 探傷儀具有較高的性能和穩定性，其最新推出的Amigo2 型號有先進的信號采集和處理能力，處理數據的速度有了顯著提升，數據的分辨率、精確度都得到了有效的保障；同時能提高微缺陷、表面裂紋以及涂層缺陷的檢出率，主要用于鐵素體和奧氏體焊縫檢測。

綜上所述，在ACFM 檢測設備的研發過程中，一方面，ACFM 檢測所針對的材料大多數為低碳鋼、奧氏體不銹鋼，對于其他特殊材料，如對921A 艦船鋼的檢測鮮有研究，并存在探頭電磁參數考慮不夠全面、無法準確通過擬合得出最優參數組合、檢測數據不完備等問題；另一方面，大多數ACFM 檢測設備使用高成本的數據采集卡進行數據采集，降低了檢測設備的經濟適用性。

基于ACFM 的921A 鋼材裂紋檢測系模型如圖1所示，ACFM 探頭是一種傳感器，用于探測在導體材料中的隱蔽裂紋。其工作原理是基于交變電磁場，通過磁場使用對方向敏感的探頭探測被測對象的金屬表面，在表面產生感應電流。當金屬表面上存在裂紋或缺陷時，感應電流沿裂紋或缺陷流動，產生局部變化的磁場，被探頭感應并轉化成電壓信號由采集系統采集[3]。ACFM 探頭能夠探測出裂紋的深度、長度和方向等關鍵參數，從而實現非破壞性的損傷檢測。

圖1 ACFM 裂紋檢測模型

本文擬通過研究ACFM 技術中電磁波的傳播機理以及各電磁參數理論值的變化規律，建立有限元仿真模型，并使用曲面響應面法，得出一組適用于TMR2035 型號磁場傳感器所檢磁場范圍的探頭電磁參數[4]，進而設計出一款適用于檢測921A 材料的裂紋檢測探頭。使用低成本的單片機進行信號發生器的設計，并使用Qt 和Matlab App Designer進行遠程控制界面的設計，替代傳統的Labview 與數據采集卡的系統組合，最終形成完整的檢測系統。

1 ACFM 模擬與仿真

1.1 電磁場模型建立

根據電磁波傳播理論，研究電磁波在介質中的傳播過程。但由于電場和磁場無法單獨分離進行計算[5]，因此對物理模型進行了簡化，依據921A 材料裂紋的特點，利用Ansys Maxwell 中的電磁場求解器，將求解對象的電磁場分布直觀地顯示出來。簡化后的仿真模型如圖2 所示。

圖2 交變電磁場檢測物理模型

由于需要對磁場每個點的大小及方向進行計算，因此選擇偏微分形式[6]。仿真模型尺寸參數和模型電磁參數分別見表1 和表2。

表1 模型尺寸參數表

表2 模型電磁參數表

在仿真分析過程中，由于ACFM 的理論是以麥克斯韋為基礎的電磁耦合效應[7]，因此選用Ansys Maxwell 中的渦流場。基于上述條件，分別進行待測導體、缺陷及激勵磁芯的網格劃分并進行求解計算，以頻率為3 kHz、線圈匝數100 匝、激勵電流為200 mA 為例進行后處理，分別查看待測導體上的磁場云圖與磁場矢量圖，如圖3 所示。

圖3 待測導體的磁場云圖和磁場矢量圖

同時仿真出磁場強度分量的大小。設置磁芯為沿x軸掃過裂紋，掃描范圍為-5 mm 到5 mm，步長為1 mm。根據磁芯方向，可知磁場分量為Bx與Bz，磁場變化曲線如圖4 所示。已知設置的裂紋尺寸為寬（x軸方向）5 mm、長（y軸方向）0.7 mm、深（z軸方向）0.7 mm，在待測工件表面的坐標位置為(0,0)，從圖4 中可以看出，Bx與Bz磁場變化曲線與理論相符，即仿真模型建立成功。

圖4 磁芯沿x 軸移動裂紋附近磁場分量變化曲線

1.2 探頭電磁參數仿真及優化

1.2.1 探頭參數優化

不同于低碳鋼和奧氏體不銹鋼，921A 為弱磁材料，相對磁導率遠小于低碳鋼。為能檢測出921A 材料上的信號，首先需要通過仿真確立探頭的最優電磁參數，根據理論可知，探頭設計中的關鍵電磁參數為磁芯的大小與材料、繞組的線徑、繞組匝數、激勵電流大小及頻率大小。根據921A 材料的弱磁特性，當磁芯選擇U 型錳鋅鐵氧體材料時，采取較高的電磁參數。由于線圈感抗影響交變激勵效果，因此在保證磁場強度與激勵電流的情況下，取較低的繞組直徑、繞組匝數和激勵頻率參數值[8]。

綜上所述，設置固定參數后，觀察其他因素的改變對磁場強度的影響，并隨機挑選14 組參數進行仿真，得到最優參數組合群，如圖5 所示。

圖5 目標磁場為5Oe 下的最優參數組合

結合TMR2305M 傳感器的飽和磁場強度與功率放大器的參數設計，選取目標磁場強度，最后通過響應曲面法選取可以產生目標磁場強度的最優參數組合。不同目標磁場下所得最優參數組合見表3。

表3 不同目標磁場下最優參數組合

1.2.2 感抗對信號的影響

仿真感抗對功率放大器的輸出端參數設計以及探頭的設計具有重要意義。首先對仿真參數進行取整，再仿真各組參數下的感抗[9]。不同組合參數下感抗的仿真結果見表4，參數組合下的感抗大小曲線如圖6 所示。

表4 不同組合參數下感抗的仿真結果

圖6 不同參數組合下的感抗的大小

根據仿真結果可知，目標磁場為4 Oe 時參數組合中電流最小，感抗合適，且在TMR2305M 傳感器線性檢測范圍內。因此選擇目標磁場為4Oe 時的探頭參數組合為電流886 mA、匝數456、頻率1 896 Hz。

1.2.3 提離高度對信號的影響

在ACFM 檢測過程中，探頭距離待測工件的距離會對磁場強度產生較大影響[10]。

分別設置探頭提離高度為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm，觀察磁場強度的變化規律及Bx和Bz的畸變量。頻率1 896 Hz、激勵電流886 mA、匝數456 時不同提離高度的磁場強度云圖如圖7 所示，根據磁場云圖可以得知，當提離高度逐漸增大時，磁場強度迅速衰減。利用曲面響應法[11]得出Bx、Bz的變化規律及擬合曲線，如圖8所示。

圖8 頻率1 896 Hz、激勵電流886 mA、匝數456 時不同提離高度的磁場強度變化規律曲線圖

從磁場變化規律及擬合結果可以看出，當探頭匝數、激勵頻率與激勵電流均不變時，隨著提離高度的增加，磁場強度呈指數型遞減。

2 檢測系統建立

2.1 探頭檢測部分設計

ACFM 探頭設計主要包括激勵源模塊、功率放大模塊、TMR 探頭和信號調理模塊[12]，總體框圖如圖9 所示。

圖9 探頭檢測部分總體框圖

激勵部分與信號調理電路部分在外部固定，傳感器檢測線圈部分單獨封裝，使其可以沿著待檢測對象表面移動，其磁場產生一個漩渦電流在待檢測對象內表面流動，同時這些感應電流引起接受線圈中的感應電壓，達到檢測到對象表面上的裂紋和缺陷的目的[13]。探頭激勵部分以及信號調理電路部分如圖10 所示。

圖10 探頭激勵部分以及信號調理電路部分

可調頻激勵源模塊的設計頻率可在100 Hz～10 MHz 范圍內進行調節，并且經由Qt 實現對下位機（STM32）進行頻率調節。設計功率放大模塊時電流激勵為886 mA，則需要將線圈的總阻抗降低到15 Ω，可以通過串聯電容的方式實現，不僅可以降低線圈的總阻抗，而且會降低感抗對頻率衰減的影響[14]。

封裝好的TMR 檢測線圈如圖11 所示，探頭實物圖如圖12 所示。

圖11 封裝好的TMR 檢測線圈

圖12 探頭實物圖

2.2 檢測系統建立

由TMR 傳感器的檢測原理可知，其傳回的信號為電壓值，在設計信號采集系統的過程中，需要對TMR 傳感器電壓值進行采樣，為了節省整體設備的體積，使用STM32 芯片搭建了一套數據采集系統。利用單片機內部的AD 功能進行信號采集，并使用Matlab App Designer 設計的信號顯示界面顯示信號波形[15]。然后，分別對不同長度尺寸和不同深度尺寸的裂紋進行實驗測試并對測試結果進行分析，來檢驗裂紋檢測系統的誤差率。

為了完成裂紋掃描測試，實驗測試平臺包括PLC 控制臺、探頭、激勵電路、采集電路及信號顯示界面。搭建的實驗測試平臺如圖13 所示。

圖13 實驗測試平臺

3 試驗研究

為了進一步驗證ACFM 方法用于921A 鋼材裂紋檢測的有效性，在試件材料上利用電火花技術加工出1～8 號裂紋進行檢測，常規裂紋特征主要體現為長度和深度兩個維度[16-18]，因此在裂紋寬度不變的情況下，對不同長度以及不同深度的裂紋進行試驗。鋼板待檢工件及裂紋位置如圖14 所示。

圖14 待檢工件及裂紋位置

通過仿真得到不同裂紋尺寸下的磁場強度數據，可以擬合出裂紋尺寸與磁場強度關系的規律方程[19]：

式中：f(x) 為裂紋尺寸值，x為變化的磁場強度；常數a1為1.646，b1為3.509，c1為1.203。通過方程所描述的規律，可以用來檢驗測試結果的正確性。

3.1 不同長度裂紋檢測試驗

為了檢測裂紋長度對試驗結果的影響，對不同長度裂紋進行檢測。1～4 號裂紋長度分別為5 mm、10 mm、15 mm 和20 mm，裂紋寬度為0.7 mm，裂紋深度為0.7 mm，見表5。

表5 不同長度裂紋尺寸表

第一次掃描查看隨裂紋長度不同時信號的變化，使得控制臺攜帶探頭從平板裂紋1 號開始至4 號結束，從右往左依次掃過，設置掃描速度為0.04 m/s。通過對待測工件進行裂紋檢測，在App 界面上的波形顯示如圖15 所示。

圖15 裂紋深度不同時Bx 與Bz 磁場強度變化仿真曲線

從結果中可以提取裂紋的長度信息。不同長度裂紋的磁場峰峰值位置見表6。

表6 不同長度裂紋的磁場峰-峰值位置信息表

通過左右峰值做差，并將Bx與Bz所得的差值求平均值，求出掃描經過裂紋的時間，即可算出裂紋尺寸，并將其與實際裂紋尺寸進行對照，得出長度檢測結果的誤差率[20]。求得的裂紋長度尺寸值對照表以及誤差率見表7。

表7 裂紋長度尺寸對照表及誤差率

對4 個裂紋的誤差率取平均值，裂紋長度檢測平均誤差率為7.325%。

3.2 不同深度裂紋檢測試驗

為了檢測裂紋深度對試驗結果的影響，對不同深度裂紋進行檢測。5～8 號裂紋深度分別為0.3 mm、0.7 mm、1.1 mm 和1.5 mm，長度為5 mm，寬度為0.7 mm，見表8。

表8 不同深度裂紋尺寸表

對5～8 號裂紋分別進行仿真，仿真磁場強度變化曲線如圖16 所示。

圖16 裂紋長度不同時的測試結果

第二次掃描查看隨裂紋深度不同時信號的變化，使得控制臺攜帶探頭從平板裂紋5 號開始至8 號結束，從右往左依次掃過，設置掃描速度為0.04 m/s。通過對待測工件進行裂紋檢測，在上位機界面上的波形顯示如圖17 所示。

圖17 檢測裂紋波形圖

得到測試結果后，取Bz裂紋處磁場強度的正峰值，首先使用規律方程f(x)對8 號裂紋測試結果進行標定，得到實際裂紋與所得f(x)測試結果的比值，之后求出其余裂紋的測試f(x)，并按照比值進行換算，將換算結果與實際裂紋尺寸進行比較，得出裂紋深度檢測誤差率，裂紋尺寸標定-測試對照見表9。

表9 裂紋深度尺寸標定-測試表

對測試項裂紋深度誤差率取平均值，平均值為9.9%。

通過對不同長度及不同深度裂紋進行檢測得出的誤差率可知，長度和深度特征精度可達92%和90%，優于一些國內外提出的利用超聲檢測、射線檢測或其他檢測方法開發的裂紋檢測系統所得出的檢測精度。

4 結語

（1）通過對ACFM 理論的研究，以及電磁波在不同介質中的傳播機理，可知電磁波從一種介質穿越到另一種介質時會衰減。基于錳鋅鐵氧體材料和繞組直徑為0.2 mm 的實驗背景，為了使電磁波的強度值處于TMR 傳感器的線性檢測范圍內，使用曲面響應法，得出一組適用于921A 鋼板材料的ACFM 無損檢測的探頭參數。將匝數確定為456 N，激勵電流確定為886 mA，激勵頻率確定為1 896 Hz。

（2）為了節省成本、降低信號采集系統體積，基于STM32 單片機內部的AD 模塊設計了信號采集模塊。使用硬件觸發的方式，可檢出小于100 kHz頻率的信號。同時使用Matlab App Designer 設計了信號可視化界面，Qt 編寫信號軟處理程序，最終實現信號的采集及可視化。

（3）基于上述系統進行了不同長度及不同深度裂紋特征的檢測實驗，通過實驗可知：長度誤差率為7.325%，深度誤差率為9.9%。實現了基于ACFM交流電磁場技術對921A 鋼材裂紋檢測系統的有效檢測，同時驗證了軟硬件系統和檢測方法的可行性。