基于u形磁軛探頭的直流漏磁檢測仿真與試驗

基于u形磁軛探頭的直流漏磁檢測仿真與試驗

1渦流場檢測技術(shù)研究丟失誤差檢測方法易于實現(xiàn)自動化、高檢測可靠性，是一種適用于鋼板、鋼絲繩、儲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+檢測”的模式,即采用一種或多種勵磁方式在被測構(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。由此,磁化方式是其中很重要的問題,根據(jù)所用勵磁源的不同,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,在工程實踐中已有廣泛的應用。但由于交流磁化時有集膚效應存在,能在被檢構(gòu)件中產(chǎn)生較強的渦流,需確定該渦流對檢測結(jié)果是否有重要影響,檢測信號是否僅為缺陷的漏磁場引起,它們各自的貢獻程度有多大。因此只有深入研究渦流場在U形磁軛探頭中的作用機制,才能進一步實現(xiàn)缺陷的定量評定。對于交流磁化,在磁粉檢測中使用較多,它能促使磁粉運動而達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,激勵頻率為4~32kHz,實現(xiàn)高效地自動化檢測。近年來Foerster公司開發(fā)了基于U形磁軛探頭的AC-MFL法自動探傷裝備,檢測鋼棒時比直流磁化更有效。李路明等人研究了漏磁檢測的交直流磁化問題,提出磁化頻率應大于1kHz。GotohY等人分析了使用AC-MFL法檢測相鄰的兩個缺陷的區(qū)分問題,還利用內(nèi)穿過式探頭檢測外壁裂紋。康中尉將AC-MFL法應用于螺紋缺陷的識別。陳水平等人應用極低頻交變場檢測鐵磁性管道,擴展了疊接相加法的應用范圍。國內(nèi)外學者大多重點考慮了缺陷的檢出和提高信號的檢測靈敏度,但對交流漏磁中的渦流場作用機制的認識尚不完善。本文從仿真和試驗方面出發(fā),對其檢測機理提出了質(zhì)疑,研究了DC-MFL法的信號特征,提出了漏磁檢測法機理的評判準則,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信號下試驗檢測信號,為進一步研究其機理提供了理論和試驗依據(jù)。2仿真和試驗研究目前,國內(nèi)外學者都一致認為,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,在磁軛上繞制勵磁線圈建立磁化器。當利用正弦信號激勵磁化線圈時,磁軛中產(chǎn)生相應的交變磁化場,與被檢構(gòu)件形成磁回路,受集膚效應的影響,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法檢測橫向裂紋時已有大量文獻,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)的典型信號特征一致,因而不便于闡明渦流場的作用機制,為能進一步開展機理分析,現(xiàn)以縱向裂紋為研究對象,并先對DC-MFL法開展研究,根據(jù)交、直流漏磁檢測原理一致的特點,將其信號特征拓展到AC-MFL法中,最后開展U形磁軛探頭的仿真和試驗,與前述結(jié)果對比,從而明晰渦流場的作用貢獻。DC-MFL法的仿真和試驗模型及參數(shù)如圖2所示,使用直流勵磁線圈對鋼板進行強磁化,鋼板中含有縱向裂紋。為縮短計算時間,僅分析實體模型的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,勵磁電流為12A。為保證與試驗的一致性,采用線圈不動且移動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(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,但實施極強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)呈明顯的臺階狀,信號的凸起部分與裂紋長度有關(guān),但大于真實的裂紋長度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,是對背景磁場的增強,磁敏元件正是拾取了這一增強的磁場變化從而實現(xiàn)了缺陷的檢出,這一信號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判準則,因此可認為AC-MFL法也必有上述的信號特征。3u型磁鍵成像的模擬和實驗3.1模型2:單次掃查路徑為進一步開展分析,對U形磁軛探頭模型進行仿真。探頭參數(shù)和激勵信號載荷見文獻。U形磁軛探頭沿裂紋y方向掃查,提離距離為0.5mm。由于模型的對稱結(jié)構(gòu),只計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判準則。3.2低頻強場治療對U形磁軛探頭進行測試試驗,試驗分弱磁化和強磁化2種情況,頻率范圍從低頻到高頻,考察磁場的擾動結(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。激勵頻率為27kHz和8kHz,探頭空載時,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)生較強磁場,再通過集膚效應,可使工件表層進入飽和狀態(tài),從原理上滿足交流漏磁檢測的磁化要求。圖5(a)是激勵頻率為27kHz時的檢測結(jié)果,結(jié)果表明,在無裂紋時,背景磁場對應的電壓為4.10V左右,進入裂紋時有小幅的增加,隨后就迅速下降,在進入裂紋后,磁場對應電壓比背景磁場小達50mV,探頭出裂紋時信號相反。圖5(b)是激勵頻率為8kHz時的檢測結(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應電壓差更大,達到了近400mV,檢測特征明顯。試驗結(jié)果的信號趨勢和仿真結(jié)果符合得很好。仍使用上述探頭,激勵頻率使用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,沒有任何信號的波動。改變掃查方式,使磁力線和掃查方向均垂直于裂紋走向時,信號變化明顯,可以檢出裂紋。由于此探頭再加大激勵時激勵線圈明顯發(fā)熱,因此對于低頻強磁化激勵時要更換尺寸規(guī)格較大的探頭。低頻強磁化試驗所用探頭尺寸和試驗參數(shù)如表2所示,信號激勵頻率60Hz,可以看出,探頭空載時產(chǎn)生的磁場有效值為115×10-4T,當與鋼板形成回路且回路間隙有3mm時,能產(chǎn)生有效值為545×10-4T的磁場,并對鋼板產(chǎn)生較大吸力。對長度為40mm的裂紋進行檢測,掃查方式仍與文獻相同,試驗結(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,無論勵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,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。當一次磁場垂直于缺陷走向時,會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,預期的檢測信號應為具有較小的且具有向上趨勢單峰現(xiàn)象的信號,即與圖3的信號相一致,但圖4~6的仿真和試驗結(jié)果說明并非如此。事實上,交變的電流激勵,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。當渦流經(jīng)過含缺陷工件表面時,電流向缺陷兩端和底面偏轉(zhuǎn),使流經(jīng)缺陷面的電流強度減小,缺陷越深的地方,電流線越稀疏,感應磁場磁通密度值也就越小,當探頭走向與裂紋走向平行時,水平分量By在裂紋區(qū)域就會出現(xiàn)一個寬凹陷區(qū),而不是向上的峰值。對應于圖4~6的仿真和試驗結(jié)果,說明檢測探頭獲取到了二次感應場的畸變。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,水平分量能獲得如圖3所示的信號,僅是單峰更尖銳。而當裂紋處于縱向方向時,水平分量單峰方向正好相反。實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,信號幅值必定小于橫向裂紋而大于縱向裂紋,從而當裂紋為某一角度時無任何信號顯示,造成漏檢,這一點必須引起相關(guān)人員的重視。因此對U形磁軛探頭而言,在檢測縱向裂紋時,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法的機理解釋在此條件下是有誤的。進一步的研究工作應改變各種仿真和試驗參數(shù),驗證各種模型下的AC-MFL探頭的檢測信號特征。4縱向裂紋試驗采用有限