先進(jìn)制造技術(shù)(渦流無損探傷)

渦流檢測(cè)小組成員：胡俊、李贏、利升業(yè)目錄渦流檢測(cè)的應(yīng)用

渦流檢測(cè)的基本原理

渦流檢測(cè)的特點(diǎn)及裝置當(dāng)導(dǎo)體處在變化的磁場(chǎng)中或相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，由電磁感應(yīng)定律，其內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出電流。這些電流的特點(diǎn)是：在導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，呈漩渦狀流動(dòng)，因此稱之為渦流。例如，在含有圓柱導(dǎo)體芯的螺管線圈中通有交變電流時(shí)，圓柱導(dǎo)體芯中將出現(xiàn)渦流。

一、渦流檢測(cè)的基本原理

3

當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)電試件（相當(dāng)于次級(jí)線圈）時(shí)，由電磁感應(yīng)理論可知，與渦流伴生的感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)疊加，使得檢測(cè)線圈的復(fù)阻抗發(fā)生改變。導(dǎo)電體內(nèi)感生渦流的幅值大小、相位、流動(dòng)形式及伴生磁場(chǎng)受到導(dǎo)電體的物理及制造工藝性能的影響。因此，通過測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，就可以非破壞性地判斷出被測(cè)試件的物理或工藝性能及有無缺陷等，此即為渦流檢測(cè)的基本原理。

線圈耦合互感電路

檢測(cè)線圈導(dǎo)電試件渦流檢測(cè)的基本原理

渦流檢測(cè)線圈測(cè)出的阻抗變化是各種信息的綜合，若需要測(cè)出材料內(nèi)部某一特定信息（如裂紋）時(shí)就必須依靠線圈的設(shè)計(jì)以及儀器的合理組成。抑制掉不需要的干擾信息，突出所需要檢測(cè)的信息。一般是將檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)變成電信號(hào)輸入到渦流檢測(cè)儀中，進(jìn)行不同的信號(hào)處理，在示波器或記錄儀上顯示出來，以判別材料中是否有缺陷。渦流檢測(cè)的基本原理渦流的趨膚效應(yīng)和透入深度

當(dāng)直流電流通過導(dǎo)體時(shí)，橫截面上的電流密度是均勻的。但交變電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體周圍變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而會(huì)使沿導(dǎo)體截面的電流分布不均勻，表面的電流密度較大，越往中心處越小，尤其是當(dāng)頻率較高時(shí)，電流幾乎是在導(dǎo)體表面附近的薄層中流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

趨膚效應(yīng)的存在使感生渦流的密度從被檢材料或工件的表面到其內(nèi)部按指數(shù)分布規(guī)律遞減。在渦流檢測(cè)中，定義渦流密度衰減到其表面密度值的1／e（36.8%）時(shí)對(duì)應(yīng)的深度為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度，也稱趨膚深度，用符號(hào)h表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

渦流的趨膚效應(yīng)和透入深度幾種不同材料的標(biāo)準(zhǔn)透入深度與頻率的關(guān)系

頻率越高，滲透深度越小透入半無限大導(dǎo)體的渦流密度與透入深度的關(guān)系

18%5%

由于被檢工件表面以下3h處的渦流密度僅為其表面密度的5%，因此通常將3h作為實(shí)際渦流探傷能夠達(dá)到的極限深度。1、對(duì)導(dǎo)電材料表面和近表面缺陷的檢測(cè)靈敏度較高；

2、應(yīng)用范圍廣，對(duì)影響感生渦流特性的各種物理和工藝因素均能檢測(cè)；

3、一定條件下，能反映有關(guān)裂紋深度的信息；

4、不需用耦合劑，檢測(cè)時(shí)與工件不接觸，所以檢測(cè)速度很快，易于實(shí)現(xiàn)管、棒、線材高速、高效的自動(dòng)化檢測(cè)；

5、可在高溫（耦合劑在高溫下會(huì)流失）、薄壁管、細(xì)線、零件內(nèi)孔表面等其他檢測(cè)方法不適用的場(chǎng)合實(shí)施檢測(cè)；二、渦流檢測(cè)的特點(diǎn)6、渦流檢測(cè)不僅可以探傷，而且可以揭示工件尺寸變化和材料特性，例如電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，利用這個(gè)特點(diǎn)可綜合評(píng)價(jià)容器消除應(yīng)力熱處理的效果，檢測(cè)材料的質(zhì)量以及測(cè)量尺寸。

7、缺點(diǎn)：受趨膚效應(yīng)的限制，很難發(fā)現(xiàn)工件深處的缺陷；缺陷的類型、位置、形狀不易估計(jì)，需輔以其他無損檢測(cè)的方法來進(jìn)行缺陷的定位和定性（感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)疊加，使檢測(cè)線圈的復(fù)阻抗發(fā)生改變，不能直接反映缺陷的類型、位置、形狀）；不能用于絕緣材料的檢測(cè)；對(duì)形狀復(fù)雜的零件，渦流檢測(cè)的效率相對(duì)較低。渦流檢測(cè)裝置

渦流檢測(cè)裝置包括檢測(cè)線圈、檢測(cè)儀器和輔助裝置，另外還配有標(biāo)準(zhǔn)試樣和對(duì)比試樣。檢測(cè)儀器是渦流檢測(cè)的核心部分。其作用為產(chǎn)生交變電流供給檢測(cè)線圈，對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，抑制或消除干擾信號(hào)，提取有用信號(hào)，最終顯示檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和目的，渦流檢測(cè)儀器分渦流探傷儀、渦流電導(dǎo)儀和渦流測(cè)厚儀三種。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了智能型渦流檢測(cè)儀器。

按照應(yīng)用方式不同，檢測(cè)線圈可分為穿過式線圈、內(nèi)通過式線圈和探頭式線圈。探頭式線圈穿過式線圈內(nèi)通過式線圈

檢測(cè)線圈分類

1、穿過式線圈能檢測(cè)管材、棒材、線材等可以從線圈內(nèi)部通過的導(dǎo)電工件或材料（檢測(cè)管件外表面的缺陷）。2、內(nèi)通過式線圈可以檢測(cè)安裝好的管件，或小直徑的深鉆孔、螺紋孔或厚壁管內(nèi)壁的表面質(zhì)量。

檢測(cè)線圈分類穿過式線圈內(nèi)通式線圈3、探頭式線圈又稱為放置式線圈。在應(yīng)用過程中，外通過式線圈和內(nèi)穿過式線圈的軸線平行于被檢工件的表面，而放置式線圈的軸線垂直于被檢工件的表面。這種線圈可以設(shè)計(jì)、制作得很小，而且線圈中可以附加磁芯，具有增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和聚焦磁場(chǎng)的特性，因此具有較高的檢測(cè)靈敏度，適用于各種板材、帶材和大直徑管材、棒材的表面檢測(cè)。檢測(cè)線圈分類探頭式線圈檢測(cè)儀器檢測(cè)目的影響渦流特性的因素用途探傷缺陷的形狀、尺寸和位置導(dǎo)電的管、棒、線材及零部件的缺陷檢測(cè)材質(zhì)分選電導(dǎo)率材料分選和非磁性材料電導(dǎo)率的測(cè)定測(cè)厚檢測(cè)距離和薄板長(zhǎng)度覆膜和薄板厚度的測(cè)量尺寸檢測(cè)工件的尺寸和形狀工件尺寸和形狀的控制物理量測(cè)量工件與檢測(cè)線圈之間的距離徑向振幅、軸向位移及運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量

三、渦流檢測(cè)的應(yīng)用

一、渦流探傷

渦流探傷能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電材料表面和近表面的缺陷，且無需耦合劑，易于實(shí)現(xiàn)高速、自動(dòng)化檢測(cè)，因此在金屬材料及其零部件的探傷中應(yīng)用廣泛。

激勵(lì)線圈放置在試件表面

(a)無缺陷時(shí)渦流場(chǎng)的分布；(b)有缺陷時(shí)渦流場(chǎng)的分布1、金屬管材探傷

用高速、自動(dòng)化的渦流探傷裝置可以對(duì)成批生產(chǎn)的金屬管材進(jìn)行無損檢測(cè)。首先，自動(dòng)上料進(jìn)給裝置使管材等速、同心地進(jìn)入并通過渦流檢測(cè)線圈。然后，分選下料機(jī)構(gòu)根據(jù)渦流檢測(cè)結(jié)果，按質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將經(jīng)過探傷的管材分別送入合格品、次品和廢品料槽。管材渦流探傷的另一主要用途是對(duì)在役管道進(jìn)行維修檢查。小直徑管材(直徑≤75mm)探傷通常采用激勵(lì)線圈與測(cè)量線圈分開的感應(yīng)型穿過式線圈。當(dāng)管材為鐵磁性材料時(shí)，外層還要加上磁飽和線圈，用直流電對(duì)管材進(jìn)行磁化。這種線圈最適宜檢測(cè)凹坑、鍛屑、折疊和裂紋等缺陷，檢測(cè)速度一般為0.5m／s。穿過式線圈對(duì)管材表面和近表面的縱向裂紋有良好的檢出靈敏度，但由于其感生出的渦流沿管材周向流動(dòng)，因此該線圈對(duì)周向裂紋的檢測(cè)不敏感。

檢測(cè)管材的穿過式線圈如果管材直徑過大，使得缺陷面積在整個(gè)被檢面積中占的比例很小時(shí)，檢測(cè)的靈敏度也會(huì)顯著降低。檢測(cè)管材的周向裂紋或當(dāng)管材的直徑超過75mm時(shí)，宜采用小尺寸的探頭式線圈以探測(cè)管材上的短小缺陷。探頭數(shù)量的多少取決于管徑的大小。探頭式線圈的優(yōu)點(diǎn)是提高了檢測(cè)靈敏度，但其探傷的效率要比穿過式線圈低。

檢測(cè)管材的探頭式線圈2、金屬棒材、線材和絲材探傷

可采用類似于管材的自動(dòng)探傷裝置對(duì)大批量生產(chǎn)的金屬棒材、線材和絲材進(jìn)行渦流探傷。但為了檢出棒材表面以下較深的缺陷，應(yīng)選用比同直徑的管材探傷時(shí)低一些的工作頻率，而進(jìn)行金屬絲探傷時(shí)選用的頻率要高，以獲得適當(dāng)?shù)念l率比。3、結(jié)構(gòu)件疲勞裂紋探傷

服役中的結(jié)構(gòu)件上可能產(chǎn)生各種缺陷，尤以疲勞裂紋為多見。適合采用探頭式線圈進(jìn)行檢測(cè)的，既包括形狀復(fù)雜的零件，也包括除管、棒材以外形狀不規(guī)則的材料和零件，如板材、型材等。由于這類材料和零件的形狀、結(jié)構(gòu)多種多樣，因此探頭式線圈的形貌也多種多樣。比如要采用渦流方法完成飛機(jī)維修手冊(cè)所規(guī)定的全部檢查項(xiàng)目，就要配備以下各式探頭，包括筆式探頭、鉤式探頭、平探頭、孔探頭和異形探頭等。電導(dǎo)率的測(cè)量是利用渦流電導(dǎo)儀測(cè)量出非鐵磁性金屬的電導(dǎo)率值，而電導(dǎo)率值與金屬中所含雜質(zhì)、材料的熱處理狀態(tài)以及某些材料的硬度、耐腐蝕等性能有關(guān)，所以可進(jìn)行材質(zhì)的分選。材料的電導(dǎo)率是影響檢測(cè)線圈阻抗的重要因素，因此在渦流檢測(cè)中可用來評(píng)價(jià)材料的材質(zhì)和其他性能。這種評(píng)價(jià)不會(huì)損傷零部件的加工表面，且特別適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。二、材質(zhì)檢驗(yàn)1、材料成分及雜質(zhì)含量的鑒別金屬的電導(dǎo)率值受純度的影響，雜質(zhì)含量增加電導(dǎo)率就會(huì)降低。通過測(cè)量電導(dǎo)率估算材質(zhì)中雜質(zhì)的含量。

2、熱處理狀態(tài)的鑒別相同的材料經(jīng)過不同的熱處理后不僅硬度不同，電導(dǎo)率也不同，因而可以用測(cè)量電導(dǎo)率的方法來間接評(píng)定和近的熱處理狀態(tài)或硬度。

3、混料分選如果混雜材料或零部件的電導(dǎo)率的分布帶不相重合，就可以利用渦流法先測(cè)出混料的電導(dǎo)率，再與已知牌號(hào)或狀態(tài)的材料和零部件的電導(dǎo)率相比較，從而將混料區(qū)分開。4．渦流測(cè)厚1覆層厚度測(cè)量用渦流檢測(cè)方法可以測(cè)量金屬基體上的覆層(厚度一般在幾微米至幾百微米的范圍)的厚度，利用的是探頭式線圈的提離效應(yīng)。2金屬薄板厚度測(cè)量用渦流法測(cè)量金屬薄板的厚度時(shí)，檢測(cè)線圈既可按反射工作方式布置在被檢測(cè)薄板的同一側(cè)，也可按透射方式布置在其兩側(cè)。但都是根據(jù)在測(cè)量線圈上測(cè)得的感應(yīng)電壓值來推算金屬薄板厚度的。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料、產(chǎn)品檢測(cè)要求的不斷提高，并由于渦流檢測(cè)自身的特點(diǎn)，人們逐步認(rèn)識(shí)到常規(guī)渦流檢測(cè)方法的一些局限性，它對(duì)解決某些問題顯得無能為力。例如高頻磁場(chǎng)激勵(lì)的渦流，由于極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)，使它對(duì)更深層缺陷和材料特性的檢測(cè)受到限制；由于對(duì)提離效應(yīng)敏感，使得檢測(cè)線圈與被檢試件間精確、穩(wěn)定的耦合十分困難；干擾信號(hào)同有用信號(hào)混淆在一起，無法分離、辨別；檢測(cè)易受工件形狀限制等。渦流檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展針對(duì)以上這些問題，提出了很多新的基于電磁原理的檢測(cè)設(shè)想，經(jīng)過逐步發(fā)展，形成了一些相對(duì)獨(dú)立的新的檢測(cè)方法，如遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、電流擾動(dòng)、磁光渦流、渦流相控陣檢測(cè)技術(shù)等。它們同常規(guī)的渦流檢測(cè)方法一道組成了電磁渦流檢測(cè)技術(shù)，這些技術(shù)方法的分類并不是非常分明的，而是相互融合和交叉的，且各有優(yōu)勢(shì)。渦流檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展遠(yuǎn)場(chǎng)渦流（RFEC.RemoteFieldEddyCurrent）檢測(cè)技術(shù)是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)。探頭通常為內(nèi)插入式，由