脈沖渦流檢測(cè)中如何正確評(píng)估實(shí)際有效滲透深度

渦流檢測(cè)作為一種非接觸式無損檢測(cè)方法，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、安全、缺陷檢出率高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在航空航天、船舶、核電、機(jī)械、建筑、冶金等領(lǐng)域。常規(guī)渦流檢測(cè)以單一頻率的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，通過對(duì)目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)感應(yīng)電壓幅值或相位的采集和分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)表面及近表面缺陷的檢出。但是，上述單頻渦流檢測(cè)是穩(wěn)態(tài)式檢測(cè)方法，具有有效滲透深度小，頻譜范圍有限且對(duì)干擾信號(hào)敏感等缺點(diǎn)，限制了該方法的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)單頻渦流檢測(cè)，脈沖渦流檢測(cè)具有頻譜范圍廣、感應(yīng)信號(hào)豐富、檢測(cè)深度范圍廣、響應(yīng)速度更快等優(yōu)勢(shì)，對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行時(shí)域瞬態(tài)分析即可實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)和評(píng)估。在脈沖渦流檢測(cè)中，標(biāo)準(zhǔn)滲透深度是影響檢測(cè)參數(shù)選擇的重要參考。但由于實(shí)際檢測(cè)過程受多方面因素的影響，其并非簡(jiǎn)單的一維渦流問題，利用理論計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度來評(píng)估實(shí)際有效滲透深度會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差，影響包括檢測(cè)頻率等在內(nèi)的關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)的選擇，進(jìn)而影響缺陷的檢出率。中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的研究人員針對(duì)工業(yè)上常用的奧氏體不銹鋼，開展了脈沖渦流標(biāo)準(zhǔn)滲透深度的理論計(jì)算與實(shí)際有效滲透深度的試驗(yàn)測(cè)定，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了理論值與實(shí)際值產(chǎn)生偏差的原因，為實(shí)際檢測(cè)的參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)分析提供了參考。01滲透深度計(jì)算方法脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度直接關(guān)系到渦流能否有效穿透到缺陷所在位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效檢出。與常規(guī)單頻渦流不同，脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)(方波)是基波和許多諧波的組合，利用傅里葉展開可表示為：式中：A0為信號(hào)直流分量；Фn為相位；基頻ω1=2πf1，f1為與基準(zhǔn)角頻率ω1對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)頻率；An為振幅譜；n=1，2，…；V為方波信號(hào)的幅值；k為方波信號(hào)的占空比。選擇脈沖寬度及周期滿足T=2Δ(Δ為脈沖寬度)的脈沖信號(hào)，則激勵(lì)信號(hào)所有頻率分量可表示為：常規(guī)單頻渦流檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度可表示為：式中：f為正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率；μ和σ分別為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。將式(3)代入式(4)中，當(dāng)n=1，占空比為50%時(shí)，可以得到脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δPW為：02滲透深度測(cè)定試驗(yàn)1脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)圖1脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)框架示意脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、差分放大器、探頭以及計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)實(shí)施檢測(cè)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)檢測(cè)探頭激勵(lì)線圈，同時(shí)由檢測(cè)探頭的接收線圈對(duì)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)放大后被采集，最后由計(jì)算機(jī)分析處理。試驗(yàn)的脈沖渦流檢測(cè)探頭為一發(fā)一收式探頭，即該探頭由獨(dú)立的激勵(lì)線圈(180匝)和檢測(cè)線圈(2300匝)構(gòu)成。待測(cè)試樣尺寸(長(zhǎng)×寬)為300mm×165mm的304不銹鋼板，設(shè)置3種厚度H，分別為5，10，15mm，電導(dǎo)率σ為1.39×106S/m，磁導(dǎo)率μ為4π×10-7H/m。在試樣S1面加工有尺寸為15mm×2mm(直徑×深度)的平底孔(見圖2)，將脈沖渦流探頭放置于S2面進(jìn)行掃查。若脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)能夠有效表征該平底孔，則有效滲透深度可視為與板厚相當(dāng)。圖2試樣結(jié)構(gòu)示意試驗(yàn)中激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度為5ms，頻率為100Hz，由式(5)計(jì)算得出其標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為42.7mm。脈沖渦流掃查區(qū)域示意如圖3所示，其中，D區(qū)域尺寸(長(zhǎng)×寬)為50mm×50mm，平底孔位于D區(qū)域中心。圖3

脈沖渦流掃查區(qū)域示意采用探頭對(duì)D區(qū)域進(jìn)行線掃查和面掃查，得到的典型脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)及其典型特征如圖4所示。在脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)的諸多特征值中，主峰幅值特征在減薄缺陷的檢測(cè)中應(yīng)用較多，因此選取主峰幅值作為脈沖渦流滲透深度的判定指標(biāo)。圖4脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)及其典型特征2線掃結(jié)果分析將線掃主峰幅值按照式(6)進(jìn)行歸一化：y=(x－xmin)/(xmin－xmax)

(6)式中：y為歸一化處理后的特征量；x為歸一化處理前的特征量；xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值；xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值。圖5不同厚度試樣的歸一化線掃主峰幅值分布由圖5可知，當(dāng)H=5mm時(shí)，曲線平滑，信噪比較好，平底孔區(qū)域與非平底孔區(qū)域信號(hào)的差異顯著；H=10mm時(shí)，曲線與H=5mm時(shí)的較為接近，雖然在掃查起始位置處出現(xiàn)一定波動(dòng)，但平底孔特征仍然明顯；H=15mm時(shí)，曲線存在嚴(yán)重的不規(guī)則跳變且分布雜亂，信噪比較低，難以辨別出平底孔的位置。線掃結(jié)果表明：在該試驗(yàn)條件下，脈沖渦流對(duì)304不銹鋼板的有效滲透深度在10~15mm之間?？紤]此次線掃描中采樣間距較大，可能會(huì)影響信號(hào)特征值的表征能力，因此對(duì)試板進(jìn)行面掃查，獲取主峰幅值的空間分布云圖來論證脈沖渦流的有效滲透深度。3面掃結(jié)果分析不同厚度試樣的面掃主峰幅值二維分布如圖6所示，其中x,y軸表示位置距離。當(dāng)H=5mm時(shí)，主峰幅值分布如圖6(a)所示，可見無缺陷區(qū)域主峰幅值分布較為均勻，且在平底孔區(qū)域內(nèi)主峰幅值從圓心向四周逐漸降低，底面邊界明顯；根據(jù)主峰幅值分布可以大致判斷平底孔的直徑為15mm左右；當(dāng)H=10mm時(shí)，主峰幅值分布如圖6(b)所示，與H=5mm時(shí)的分布圖相比較，無缺陷區(qū)域色階分布不均勻，平底孔區(qū)域輪廓模糊，且無法觀測(cè)出平底孔缺陷區(qū)域的尺寸，但從圖中能大致判斷平底孔缺陷的分布位置；當(dāng)H=15mm時(shí)，主峰幅值分布如圖6(c)所示，此時(shí)平底孔區(qū)域的主峰幅值與其他區(qū)域的無明顯區(qū)別，無法根據(jù)主峰幅值辨識(shí)出平底孔的形狀。上述分析表明：在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，脈沖渦流對(duì)奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度可達(dá)到10mm，無法達(dá)到15mm。圖6不同厚度試樣的面掃主峰幅值二維分布綜合線掃和面掃結(jié)果可知，在試驗(yàn)條件下，脈沖渦流對(duì)奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度不超過15mm，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值42.7mm，可能原因如下所述：1在脈沖渦流實(shí)際檢測(cè)過程中，線圈形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)與被檢試件中的渦流分布狀態(tài)密切相關(guān)，為了獲得滿足要求的渦流滲透深度，還需要對(duì)線圈結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)及優(yōu)化。2奧氏體不銹鋼在生產(chǎn)及加工的過程中，由于偏析、熱處理不當(dāng)、冷軋、冷作硬化等原因，會(huì)在母材內(nèi)產(chǎn)生一定量的鐵素體及形變，誘發(fā)馬氏體，造成奧氏體不銹鋼試板具有一定的鐵磁性。

3試驗(yàn)選用的奧氏體不銹鋼為冷軋鋼板，在其軋制及平底孔加工的過程中晶體點(diǎn)陣會(huì)產(chǎn)生畸變和缺陷，同時(shí)誘發(fā)材料應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率發(fā)生變化?！?/p>

結(jié)論★1當(dāng)鋼板厚度為5mm和10mm時(shí)，基于脈沖渦流信號(hào)的主峰幅值可以有效識(shí)別出平底孔缺陷；當(dāng)鋼板厚度增加到15mm時(shí)，無法辨識(shí)出平底孔缺陷。結(jié)果表明，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，脈沖渦流對(duì)奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度不超過15mm。2試驗(yàn)測(cè)定的脈沖渦流有效滲透深度遠(yuǎn)小于