現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)零部件缺陷檢測作為確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻[1]。無損檢測技術(shù)能夠在不破壞被檢測對象的前提下，實現(xiàn)對材料內(nèi)部及表面缺陷的精確檢測[2]。目前，無損檢測常規(guī)方法包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、渦流檢測等。其中，渦流檢測以檢測速度快、靈敏度高、非接觸式檢測等特點，在金屬材料的缺陷檢測中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。盡管渦流檢測技術(shù)具有諸多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)與局限性。一方面，渦流檢測的結(jié)果往往需要復(fù)雜的信號分析處理，檢測結(jié)果直觀性不足，難以直接用于缺陷的定性與定量評估；另一方面，針對鐵磁性材料，渦流檢測需考慮磁化狀態(tài)的影響，增加了檢測的復(fù)雜性與成本。此外，渦流檢測在缺陷定性與定量方面的精度有限，特別是在處理小型或復(fù)雜形狀缺陷時，存在局限性。同時，檢測線圈的選擇與設(shè)置對檢測結(jié)果具有顯著影響，需根據(jù)具體材料特性進(jìn)行定制化選擇[5]。 

文章利用渦流檢測技術(shù)中渦流磁場的特性，通過仿真分析與試驗驗證實現(xiàn)了裂紋缺陷的定量檢測，可用于檢測飛機和航天器的關(guān)鍵部件，以及汽車零部件、機械設(shè)備、金屬管道等產(chǎn)品，以期為推動渦流檢測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考與借鑒。 

1.   感應(yīng)渦流磁場檢測原理

傳統(tǒng)的渦流檢測方法將渦流產(chǎn)生的交流磁場再次感應(yīng)到激勵線圈中，從而形成反作用電流，通過測量反作用電流的變化獲得渦流的變化情況，進(jìn)而判斷導(dǎo)體中是否存在缺陷[6]。文章在傳統(tǒng)渦流檢測原理的基礎(chǔ)上，通過在被測物體表面施加交變電磁場，測量其產(chǎn)生的交變磁場來分析和診斷材料內(nèi)部的缺陷情況。 

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)通有交變電流的線圈靠近被測金屬時，交變電場產(chǎn)生的交變磁場會在金屬表面感應(yīng)出電流，當(dāng)被測金屬表面沒有缺陷時，會產(chǎn)生均勻的磁場和電流分布；當(dāng)被測金屬表面有缺陷時，電阻率的變化會對電流分布產(chǎn)生影響，從而造成電流線在缺陷邊緣處發(fā)生偏轉(zhuǎn)和匯聚，進(jìn)而擾亂磁場分布。感應(yīng)渦流磁場檢測原理示意如圖1所示，缺陷造成了電流偏轉(zhuǎn)，在電流最密集處z方向的磁感應(yīng)強度分量Bz產(chǎn)生峰值，為缺陷檢測提供了依據(jù)。通過研究Bz的變化曲線，可以對缺陷的長度、深度和位置等信息進(jìn)行分析。 

圖  1  感應(yīng)渦流磁場檢測原理示意

2.   仿真分析

2.1   建立模型

使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真建模，得到的結(jié)果可以為后續(xù)的實物搭建提供參考。假設(shè)激勵電流在截面上均勻分布，電流密度可視為恒定值。采用U形寬磁芯纏繞多圈漆包線，試件選用鋁合金材料，并在其表面開設(shè)多條長度、寬度和深度不同的缺陷，仿真模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。線圈與傳感器的間距設(shè)置為1 mm，在避免與試件摩擦的同時能保證較好的檢測效果。 

圖  2  仿真模型結(jié)構(gòu)示意

2.2   仿真結(jié)果

文章采用U形寬磁芯進(jìn)行了線圈電流、磁芯的磁感應(yīng)強度以及試件表面電流的仿真模擬，無缺陷及含裂紋的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，線圈正下方的試件表面形成了范圍較大的均勻平行激勵電流，與普通U形磁芯相比，U形寬磁芯具有更廣泛的激勵范圍，效果更好。使用1 kHz頻率的正弦激勵信號對線圈進(jìn)行通電，持續(xù)移動線圈和探頭進(jìn)行單方向掃描，求解探頭位置處的磁感應(yīng)強度在z方向上的分布。當(dāng)工件表面存在裂紋缺陷時，電流密度在缺陷處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，缺陷左右兩側(cè)的偏轉(zhuǎn)最為顯著，且偏轉(zhuǎn)方向不相同，符合檢測技術(shù)的原理。因此，可以通過此特性來確定缺陷的位置和尺寸等信息。 

圖  3  無缺陷及含裂紋的仿真結(jié)果

沿缺陷延伸方向由左至右進(jìn)行掃描，不同裂紋的尺寸示意及掃描結(jié)果如圖4所示。 

圖  4  不同試件的裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強度Bz曲線

由圖4可知，試件左右邊緣處的Bz呈現(xiàn)出峰值，且左邊緣為極大值，右邊緣為極小值；缺陷兩端位置也對應(yīng)z方向磁感應(yīng)強度的峰值，缺陷左端為極小值，缺陷右端為極大值，以上現(xiàn)象完全符合檢測的機理。試件2中缺陷深度分別為2，3，4 mm時，相應(yīng)缺陷兩端處的z方向磁感應(yīng)強度峰值隨深度增加而增大。 

試驗結(jié)果表明，缺陷兩端位置與z方向磁感應(yīng)強度信號峰值位置對應(yīng)，可以定量分析缺陷長度；缺陷深度也會影響磁感應(yīng)強度的大小，深度越深，磁感應(yīng)強度越強。 

3.   試驗驗證

3.1   探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

文章設(shè)計了一種將線圈纏繞在U形錳鋅鐵氧體磁芯上的探頭。線圈與TMR傳感器距工件表面1 mm，漆包線直徑為0.15 mm，匝數(shù)為300匝。傳感器用于檢測工件表面法向的磁感應(yīng)強度大小。探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實物如圖5所示，模型各部件尺寸如表1所示。 

圖  5  探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實物

3.2   整體試驗裝置

試驗系統(tǒng)由激勵部分、檢測部分、運動控制部分和上位機數(shù)據(jù)處理部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。 

圖  6  試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在激勵部分，信號發(fā)生模塊采用ICL8038型芯片作為信號源。該芯片具有廣泛的頻率范圍，可以從0.001 Hz到300 kHz自由調(diào)節(jié)，并且輸出的正弦波失真度較低，僅為1%。信號發(fā)生模塊通過兩個運算放大器控制正弦信號的直流偏置和振幅，可以實現(xiàn)頻率在100 Hz到30 kHz之間的調(diào)節(jié)。功率放大模塊采用TDA2030型芯片對正弦信號進(jìn)行放大。TDA2030功放芯片可在±6 V至±22 V的電源電壓下工作，輸出功率較高。 

檢測部分采用了TMR2584型線性磁傳感器，該傳感器采用了推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)含4個非屏蔽高靈敏度的TMR傳感器元件，能夠感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場。 

傳感器輸出的是微弱差分信號，系統(tǒng)采用AD620型芯片放大信號。然后，通過采樣獲取電壓數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生脈沖信號控制步進(jìn)電機運動。同時，通過串口將電壓數(shù)據(jù)和相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。探頭運動采用 CoreXY結(jié)構(gòu)，通過兩個步進(jìn)電機分別驅(qū)動兩組滑輪和皮帶，共同控制探頭在x軸和y軸上的運動，從而實現(xiàn)高效、精確的二維平面定位，該結(jié)構(gòu)使探頭能夠準(zhǔn)確快速地定位至所需位置。試驗平臺實物如圖7所示。 

圖  7  試驗平臺實物

3.3   測量結(jié)果

為了驗證仿真模型的精確性，文章依據(jù)所構(gòu)建的仿真模型，精確加工出了對應(yīng)的鋁合金試件。試件采用CNC數(shù)控機床技術(shù)制造，試件實物如圖8所示。 

圖  8  被測鋁合金試件實物

試驗過程中，由于采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)中不可避免地會出現(xiàn)顯著偏離正常范圍的誤差點。為有效抑制并消除誤差點的不良影響，采用高斯濾波對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。鋁合金試件裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強度Bz曲線如圖9所示。 

圖  9  鋁合金試件同深度裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強度Bz曲線

對比圖9結(jié)果與仿真結(jié)果，觀察到兩者結(jié)果基本一致，測量結(jié)果分別為19.435 1，19.366 4 mm。測量結(jié)果滿足精度需求，同時驗證了檢測系統(tǒng)的可行性。 

為驗證缺陷深度與z方向磁感應(yīng)強度的相互關(guān)系，文章進(jìn)行了如下試驗。鑒于趨膚效應(yīng)對感應(yīng)電流分布的顯著影響，即電流密度隨深度的增加而逐漸衰減，筆者實際設(shè)置了深度分別為2，3，4 mm的3種缺陷，同時確保所有缺陷在長度與寬度上保持一致，均為10 mm×2 mm。試驗結(jié)果如圖10所示。 

圖  10  鋁合金試件不同深度裂紋尺寸示意及磁感應(yīng)強度Bz曲線

可見，圖10所示數(shù)據(jù)與先前的仿真結(jié)果呈現(xiàn)出高度的一致性，進(jìn)一步驗證了試驗方法的有效性與準(zhǔn)確性。通過儀器測量獲取的3個缺陷的長度值分別為9.901 5，9.835 4，9.825 5 mm，反映了測量系統(tǒng)的高分辨率與穩(wěn)定性。由于實際加工過程中的工藝限制，缺陷邊緣未能形成理想的直角，而是呈現(xiàn)出圓弧過渡形態(tài)。這解釋了為何實測的缺陷寬度略小于預(yù)設(shè)的10 mm，但測量結(jié)果滿足精度需求。文章試驗還實現(xiàn)了對缺陷深度的定量評估，分析圖形中所示缺陷特征的極值變化趨勢（由缺陷引起的磁感應(yīng)強度峰值從左到右分別為0.3215 86，0.381 215，0.451 251 T）可知，在相同裂紋長度的情況下，隨著裂紋深度的增加，磁感應(yīng)強度峰值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。 

4.   結(jié)語

文章探討了基于感應(yīng)渦流磁場的裂紋缺陷檢測方法，通過理論建模與試驗驗證，系統(tǒng)地分析了渦流檢測在裂紋缺陷檢測中的應(yīng)用與效果。通過仿真揭示裂紋所引發(fā)的電磁特性變化規(guī)律，實現(xiàn)了對缺陷長度的定量評估。獲取的磁感應(yīng)強度Bz在一定范圍內(nèi)與表面裂紋深度呈正比關(guān)系；缺陷深度影響Bz的大小，深度越深，Bz越大。并且，通過試驗驗證了理論模型的有效性。試驗結(jié)果表明，渦流檢測能夠準(zhǔn)確識別并量化導(dǎo)體表面的裂紋缺陷，且測量結(jié)果精度高。

文章來源——材料與測試網(wǎng)