基于u形磁軛探頭的直流漏磁檢測仿真與試驗(yàn)

基于u形磁軛探頭的直流漏磁檢測仿真與試驗(yàn)

1渦流場檢測技術(shù)研究丟失誤差檢測方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高檢測可靠性，是一種適用于鋼板、鋼絲繩、儲(chǔ)存底板和鋼板等鐵磁件的檢測方法。在原理上,該方法可歸結(jié)為“激勵(lì)+檢測”的模式,即采用一種或多種勵(lì)磁方式在被測構(gòu)件中產(chǎn)生出可以探測到的信息,由檢測單元拾取這一信息,獲得無損檢測的信號(hào)。由此,磁化方式是其中很重要的問題,根據(jù)所用勵(lì)磁源的不同,磁化方式有直流、交流、脈沖和永磁磁化等,其中直流和永磁磁化方式的研究工作較為豐富,在工程實(shí)踐中已有廣泛的應(yīng)用。但由于交流磁化時(shí)有集膚效應(yīng)存在,能在被檢構(gòu)件中產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流,需確定該渦流對(duì)檢測結(jié)果是否有重要影響,檢測信號(hào)是否僅為缺陷的漏磁場引起,它們各自的貢獻(xiàn)程度有多大。因此只有深入研究渦流場在U形磁軛探頭中的作用機(jī)制,才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)缺陷的定量評(píng)定。對(duì)于交流磁化,在磁粉檢測中使用較多,它能促使磁粉運(yùn)動(dòng)而達(dá)到較高的檢測靈敏度。KawakamiM等人提出用AC-MFL法來檢測方鋼,探頭采用U形磁軛式,激勵(lì)頻率為4~32kHz,實(shí)現(xiàn)高效地自動(dòng)化檢測。近年來Foerster公司開發(fā)了基于U形磁軛探頭的AC-MFL法自動(dòng)探傷裝備,檢測鋼棒時(shí)比直流磁化更有效。李路明等人研究了漏磁檢測的交直流磁化問題,提出磁化頻率應(yīng)大于1kHz。GotohY等人分析了使用AC-MFL法檢測相鄰的兩個(gè)缺陷的區(qū)分問題,還利用內(nèi)穿過式探頭檢測外壁裂紋?？抵形緦C-MFL法應(yīng)用于螺紋缺陷的識(shí)別。陳水平等人應(yīng)用極低頻交變場檢測鐵磁性管道,擴(kuò)展了疊接相加法的應(yīng)用范圍。國內(nèi)外學(xué)者大多重點(diǎn)考慮了缺陷的檢出和提高信號(hào)的檢測靈敏度,但對(duì)交流漏磁中的渦流場作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不完善。本文從仿真和試驗(yàn)方面出發(fā),對(duì)其檢測機(jī)理提出了質(zhì)疑,研究了DC-MFL法的信號(hào)特征,提出了漏磁檢測法機(jī)理的評(píng)判準(zhǔn)則,仿真分析了U形磁軛探頭的檢測特性,并獲得了在各種激勵(lì)信號(hào)下試驗(yàn)檢測信號(hào),為進(jìn)一步研究其機(jī)理提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。2仿真和試驗(yàn)研究目前,國內(nèi)外學(xué)者都一致認(rèn)為,AC-MFL法是一種基于漏磁場檢測的方法,檢測傳感器大多使用U形磁軛,在磁軛上繞制勵(lì)磁線圈建立磁化器。當(dāng)利用正弦信號(hào)激勵(lì)磁化線圈時(shí),磁軛中產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁化場,與被檢構(gòu)件形成磁回路,受集膚效應(yīng)的影響,該交變場基本存在于構(gòu)件表層并使其磁化飽和,如存在缺陷,則有泄漏磁場為磁敏元件所拾取,檢測機(jī)理如圖1所示,使用磁敏傳感器獲取缺陷處的漏磁場就可以表征缺陷信息。AC-MFL法檢測橫向裂紋時(shí)已有大量文獻(xiàn),表現(xiàn)為垂直分量為雙峰值、水平分量為單峰的現(xiàn)象,同直流漏磁法(DC-MFL法)的典型信號(hào)特征一致,因而不便于闡明渦流場的作用機(jī)制,為能進(jìn)一步開展機(jī)理分析,現(xiàn)以縱向裂紋為研究對(duì)象,并先對(duì)DC-MFL法開展研究,根據(jù)交、直流漏磁檢測原理一致的特點(diǎn),將其信號(hào)特征拓展到AC-MFL法中,最后開展U形磁軛探頭的仿真和試驗(yàn),與前述結(jié)果對(duì)比,從而明晰渦流場的作用貢獻(xiàn)。DC-MFL法的仿真和試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)如圖2所示,使用直流勵(lì)磁線圈對(duì)鋼板進(jìn)行強(qiáng)磁化,鋼板中含有縱向裂紋。為縮短計(jì)算時(shí)間,僅分析實(shí)體模型的1/2部分。鋼板尺寸規(guī)格為80(長)mm×14(寬)mm×2(厚)mm,縱向裂紋為6.25(長)mm×0.5(寬)mm×0.1(厚)mm,勵(lì)磁電流為12A。為保證與試驗(yàn)的一致性,采用線圈不動(dòng)且移動(dòng)鋼板的漏磁檢測方式,檢測探頭與工件表面的提離距離為0.5mm。仿真(FEA)和試驗(yàn)(EXP)結(jié)果如圖3所示,由圖可見,盡管磁化場方向與裂紋走向一致,缺陷的檢測靈敏度下降,但實(shí)施極強(qiáng)磁化后縱向裂紋也能被檢出。值得注意的是,與橫向裂紋的檢測不同,縱向裂紋的漏磁場水平分量在缺陷區(qū)呈明顯的臺(tái)階狀,信號(hào)的凸起部分與裂紋長度有關(guān),但大于真實(shí)的裂紋長度28%左右。雖然縱向裂紋的漏磁場水平分量在形狀上區(qū)別于橫向裂紋,但其缺陷處磁場的物理機(jī)理本質(zhì)是一致的,即裂紋處磁場為背景磁場和泄漏磁場的矢量疊加,是對(duì)背景磁場的增強(qiáng),磁敏元件正是拾取了這一增強(qiáng)的磁場變化從而實(shí)現(xiàn)了缺陷的檢出,這一信號(hào)特征也是漏磁檢測方法的基本特征,可作為檢測方法的物理評(píng)判準(zhǔn)則,因此可認(rèn)為AC-MFL法也必有上述的信號(hào)特征。3u型磁鍵成像的模擬和實(shí)驗(yàn)3.1模型2:單次掃查路徑為進(jìn)一步開展分析,對(duì)U形磁軛探頭模型進(jìn)行仿真。探頭參數(shù)和激勵(lì)信號(hào)載荷見文獻(xiàn)。U形磁軛探頭沿裂紋y方向掃查,提離距離為0.5mm。由于模型的對(duì)稱結(jié)構(gòu),只計(jì)算了一半的掃查路徑結(jié)果。U形磁軛探頭中心的磁場水平分量By的仿真結(jié)果如圖4所示,在裂紋中心處的By幅值僅為無裂紋區(qū)域背景磁場的82%,其信號(hào)形狀特征與圖3不一致,這說明在裂紋處沒有出現(xiàn)缺陷漏磁場與背景磁場疊加的現(xiàn)象,不符合前文所述的評(píng)判準(zhǔn)則。3.2低頻強(qiáng)場治療對(duì)U形磁軛探頭進(jìn)行測試試驗(yàn),試驗(yàn)分弱磁化和強(qiáng)磁化2種情況,頻率范圍從低頻到高頻,考察磁場的擾動(dòng)結(jié)果。采用了小尺寸規(guī)格U形磁軛,模型如表1所示,裂紋與探頭的方向仍與文獻(xiàn)一致,探頭沿Y方向掃描,采集數(shù)據(jù)的間距為1mm,探頭提離0.5mm。激勵(lì)頻率為27kHz和8kHz,探頭空載時(shí),測量磁軛的兩腳端頭部分的磁場有效值分別為1.5×10-4T和265×10-4T,后者已產(chǎn)生較強(qiáng)磁場,再通過集膚效應(yīng),可使工件表層進(jìn)入飽和狀態(tài),從原理上滿足交流漏磁檢測的磁化要求。圖5(a)是激勵(lì)頻率為27kHz時(shí)的檢測結(jié)果,結(jié)果表明,在無裂紋時(shí),背景磁場對(duì)應(yīng)的電壓為4.10V左右,進(jìn)入裂紋時(shí)有小幅的增加,隨后就迅速下降,在進(jìn)入裂紋后,磁場對(duì)應(yīng)電壓比背景磁場小達(dá)50mV,探頭出裂紋時(shí)信號(hào)相反。圖5(b)是激勵(lì)頻率為8kHz時(shí)的檢測結(jié)果,與圖5(a)相比具有一致的檢測特征,但在裂紋處相比無裂紋處的背景磁場對(duì)應(yīng)電壓差更大,達(dá)到了近400mV,檢測特征明顯。試驗(yàn)結(jié)果的信號(hào)趨勢和仿真結(jié)果符合得很好。仍使用上述探頭,激勵(lì)頻率使用60Hz,測量磁軛的兩腳端頭部分的磁場有效值為39×10-4T,電路放大倍數(shù)同前,檢測縱向裂紋時(shí),沒有任何信號(hào)的波動(dòng)。改變掃查方式,使磁力線和掃查方向均垂直于裂紋走向時(shí),信號(hào)變化明顯,可以檢出裂紋。由于此探頭再加大激勵(lì)時(shí)激勵(lì)線圈明顯發(fā)熱,因此對(duì)于低頻強(qiáng)磁化激勵(lì)時(shí)要更換尺寸規(guī)格較大的探頭。低頻強(qiáng)磁化試驗(yàn)所用探頭尺寸和試驗(yàn)參數(shù)如表2所示,信號(hào)激勵(lì)頻率60Hz,可以看出,探頭空載時(shí)產(chǎn)生的磁場有效值為115×10-4T,當(dāng)與鋼板形成回路且回路間隙有3mm時(shí),能產(chǎn)生有效值為545×10-4T的磁場,并對(duì)鋼板產(chǎn)生較大吸力。對(duì)長度為40mm的裂紋進(jìn)行檢測,掃查方式仍與文獻(xiàn)相同,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,仍為裂紋處磁場小于背景磁場。3.3檢測靈敏度隨缺陷走向的變化規(guī)律由上述結(jié)果可以看出,U形磁軛探頭在檢測縱向裂紋時(shí),無論勵(lì)磁頻率和磁化程度如何,與DC-MFL法檢測結(jié)果具有完全不同的特點(diǎn),并沒有呈現(xiàn)出因裂紋的漏磁場的疊加作用而增大的趨勢。對(duì)探頭的電磁場分析可知,在其有效檢測范圍內(nèi),由磁軛和被檢工件形成了磁回路,其磁場可稱為一次磁場,工件因此被磁化,在缺陷處有直接漏磁場,如圖7所示。若基于漏磁檢測原理,AC-MFL法拾取的是一次磁場在缺陷處的漏磁場。當(dāng)一次磁場垂直于缺陷走向時(shí),會(huì)具有最大的檢測靈敏度,隨磁力線與缺陷走向之間夾角的減小,檢測靈敏度將逐漸下降。由于工件中為縱向裂紋,預(yù)期的檢測信號(hào)應(yīng)為具有較小的且具有向上趨勢單峰現(xiàn)象的信號(hào),即與圖3的信號(hào)相一致,但圖4~6的仿真和試驗(yàn)結(jié)果說明并非如此。事實(shí)上,交變的電流激勵(lì),在磁軛的兩腳之間也產(chǎn)生了渦流,如圖7所示,渦流在試件的表面表現(xiàn)為近似于相互平行,且垂直于兩腳連線。當(dāng)渦流經(jīng)過含缺陷工件表面時(shí),電流向缺陷兩端和底面偏轉(zhuǎn),使流經(jīng)缺陷面的電流強(qiáng)度減小,缺陷越深的地方,電流線越稀疏,感應(yīng)磁場磁通密度值也就越小,當(dāng)探頭走向與裂紋走向平行時(shí),水平分量By在裂紋區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬凹陷區(qū),而不是向上的峰值。對(duì)應(yīng)于圖4~6的仿真和試驗(yàn)結(jié)果,說明檢測探頭獲取到了二次感應(yīng)場的畸變。值得注意的是,使用通交流電的U形磁軛探頭檢測橫向裂紋時(shí),水平分量能獲得如圖3所示的信號(hào),僅是單峰更尖銳。而當(dāng)裂紋處于縱向方向時(shí),水平分量單峰方向正好相反。實(shí)際的裂紋方向可為任意方向,如圖8所示,在橫、縱向裂紋走向之間的缺陷,信號(hào)幅值必定小于橫向裂紋而大于縱向裂紋,從而當(dāng)裂紋為某一角度時(shí)無任何信號(hào)顯示,造成漏檢,這一點(diǎn)必須引起相關(guān)人員的重視。因此對(duì)U形磁軛探頭而言,在檢測縱向裂紋時(shí),檢測傳感器所獲取的物理量并非為直接漏磁場,而是渦流引起的二次磁場變化,由此,AC-MFL法的機(jī)理解釋在此條件下是有誤的。進(jìn)一步的研究工作應(yīng)改變各種仿真和試驗(yàn)參數(shù),驗(yàn)證各種模型下的AC-MFL探頭的檢測信號(hào)特征。4縱向裂紋試驗(yàn)采用有限