先進制造技術(shù)(渦流無損探傷)

渦流檢測小組成員：胡俊、李贏、利升業(yè)目錄渦流檢測的應用

渦流檢測的基本原理

渦流檢測的特點及裝置當導體處在變化的磁場中或相對于磁場運動切割磁力線時，由電磁感應定律，其內(nèi)部會感應出電流。這些電流的特點是：在導體內(nèi)部自成閉合回路，呈漩渦狀流動，因此稱之為渦流。例如，在含有圓柱導體芯的螺管線圈中通有交變電流時，圓柱導體芯中將出現(xiàn)渦流。

一、渦流檢測的基本原理

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

線圈耦合互感電路

檢測線圈導電試件渦流檢測的基本原理

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

當直流電流通過導體時，橫截面上的電流密度是均勻的。但交變電流通過導體時，導體周圍變化的磁場會在導體中產(chǎn)生感應電流，從而會使沿導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，尤其是當頻率較高時，電流幾乎是在導體表面附近的薄層中流動，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應。

趨膚效應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。在渦流檢測中，定義渦流密度衰減到其表面密度值的1／e（36.8%）時對應的深度為標準滲透深度，也稱趨膚深度，用符號h表示，其數(shù)學表達式為

渦流的趨膚效應和透入深度幾種不同材料的標準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作為實際渦流探傷能夠達到的極限深度。1、對導電材料表面和近表面缺陷的檢測靈敏度較高；

2、應用范圍廣，對影響感生渦流特性的各種物理和工藝因素均能檢測；

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，檢測時與工件不接觸，所以檢測速度很快，易于實現(xiàn)管、棒、線材高速、高效的自動化檢測；

5、可在高溫（耦合劑在高溫下會流失）、薄壁管、細線、零件內(nèi)孔表面等其他檢測方法不適用的場合實施檢測；二、渦流檢測的特點6、渦流檢測不僅可以探傷，而且可以揭示工件尺寸變化和材料特性，例如電導率和磁導率的變化，利用這個特點可綜合評價容器消除應力熱處理的效果，檢測材料的質(zhì)量以及測量尺寸。

7、缺點：受趨膚效應的限制，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，需輔以其他無損檢測的方法來進行缺陷的定位和定性（感應磁場與原磁場疊加，使檢測線圈的復阻抗發(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；對形狀復雜的零件，渦流檢測的效率相對較低。渦流檢測裝置

渦流檢測裝置包括檢測線圈、檢測儀器和輔助裝置，另外還配有標準試樣和對比試樣。檢測儀器是渦流檢測的核心部分。其作用為產(chǎn)生交變電流供給檢測線圈，對檢測到的電壓信號進行放大，抑制或消除干擾信號，提取有用信號，最終顯示檢測結(jié)果。根據(jù)檢測對象和目的，渦流檢測儀器分渦流探傷儀、渦流電導儀和渦流測厚儀三種。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了智能型渦流檢測儀器。

按照應用方式不同，檢測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

檢測線圈分類

1、穿過式線圈能檢測管材、棒材、線材等可以從線圈內(nèi)部通過的導電工件或材料（檢測管件外表面的缺陷）。2、內(nèi)通過式線圈可以檢測安裝好的管件，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、制作得很小，而且線圈中可以附加磁芯，具有增強磁場強度和聚焦磁場的特性，因此具有較高的檢測靈敏度，適用于各種板材、帶材和大直徑管材、棒材的表面檢測。檢測線圈分類探頭式線圈檢測儀器檢測目的影響渦流特性的因素用途探傷缺陷的形狀、尺寸和位置導電的管、棒、線材及零部件的缺陷檢測材質(zhì)分選電導率材料分選和非磁性材料電導率的測定測厚檢測距離和薄板長度覆膜和薄板厚度的測量尺寸檢測工件的尺寸和形狀工件尺寸和形狀的控制物理量測量工件與檢測線圈之間的距離徑向振幅、軸向位移及運動軌跡的測量

三、渦流檢測的應用

一、渦流探傷

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

激勵線圈放置在試件表面

(a)無缺陷時渦流場的分布；(b)有缺陷時渦流場的分布1、金屬管材探傷

用高速、自動化的渦流探傷裝置可以對成批生產(chǎn)的金屬管材進行無損檢測。首先，自動上料進給裝置使管材等速、同心地進入并通過渦流檢測線圈。然后，分選下料機構(gòu)根據(jù)渦流檢測結(jié)果，按質(zhì)量標準規(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在役管道進行維修檢查。小直徑管材(直徑≤75mm)探傷通常采用激勵線圈與測量線圈分開的感應型穿過式線圈。當管材為鐵磁性材料時，外層還要加上磁飽和線圈，用直流電對管材進行磁化。這種線圈最適宜檢測凹坑、鍛屑、折疊和裂紋等缺陷，檢測速度一般為0.5m／s。穿過式線圈對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，因此該線圈對周向裂紋的檢測不敏感。

檢測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被檢面積中占的比例很小時，檢測的靈敏度也會顯著降低。檢測管材的周向裂紋或當管材的直徑超過75mm時，宜采用小尺寸的探頭式線圈以探測管材上的短小缺陷。探頭數(shù)量的多少取決于管徑的大小。探頭式線圈的優(yōu)點是提高了檢測靈敏度，但其探傷的效率要比穿過式線圈低。

檢測管材的探頭式線圈2、金屬棒材、線材和絲材探傷

可采用類似于管材的自動探傷裝置對大批量生產(chǎn)的金屬棒材、線材和絲材進行渦流探傷。但為了檢出棒材表面以下較深的缺陷，應選用比同直徑的管材探傷時低一些的工作頻率，而進行金屬絲探傷時選用的頻率要高，以獲得適當?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行檢測的，既包括形狀復雜的零件，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維修手冊所規(guī)定的全部檢查項目，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。電導率的測量是利用渦流電導儀測量出非鐵磁性金屬的電導率值，而電導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)，所以可進行材質(zhì)的分選。材料的電導率是影響檢測線圈阻抗的重要因素，因此在渦流檢測中可用來評價材料的材質(zhì)和其他性能。這種評價不會損傷零部件的加工表面，且特別適合現(xiàn)場檢測。二、材質(zhì)檢驗1、材料成分及雜質(zhì)含量的鑒別金屬的電導率值受純度的影響，雜質(zhì)含量增加電導率就會降低。通過測量電導率估算材質(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，電導率也不同，因而可以用測量電導率的方法來間接評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率的分布帶不相重合，就可以利用渦流法先測出混料的電導率，再與已知牌號或狀態(tài)的材料和零部件的電導率相比較，從而將混料區(qū)分開。4．渦流測厚1覆層厚度測量用渦流檢測方法可以測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。2金屬薄板厚度測量用渦流法測量金屬薄板的厚度時，檢測線圈既可按反射工作方式布置在被檢測薄板的同一側(cè)，也可按透射方式布置在其兩側(cè)。但都是根據(jù)在測量線圈上測得的感應電壓值來推算金屬薄板厚度的。隨著工業(yè)的發(fā)展，對材料、產(chǎn)品檢測要求的不斷提高，并由于渦流檢測自身的特點，人們逐步認識到常規(guī)渦流檢測方法的一些局限性，它對解決某些問題顯得無能為力。例如高頻磁場激勵的渦流，由于極強的趨膚效應，使它對更深層缺陷和材料特性的檢測受到限制；由于對提離效應敏感，使得檢測線圈與被檢試件間精確、穩(wěn)定的耦合十分困難；干擾信號同有用信號混淆在一起，無法分離、辨別；檢測易受工件形狀限制等。渦流檢測技術(shù)的新發(fā)展針對以上這些問題，提出了很多新的基于電磁原理的檢測設(shè)想，經(jīng)過逐步發(fā)展，形成了一些相對獨立的新的檢測方法，如遠場渦流、電流擾動、磁光渦流、渦流相控陣檢測技術(shù)等。它們同常規(guī)的渦流檢測方法一道組成了電磁渦流檢測技術(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。渦流檢測技術(shù)的新發(fā)展遠場渦流（RFEC.RemoteFieldEddyCurrent）檢測技術(shù)是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術(shù)。探頭通常為內(nèi)插入式，由