深層缺陷渦流磁芯檢測探頭的性能優(yōu)化*

武美先,張東利,王闖龍

(1.北方民族大學化學與化學工程學院,銀川 750021;2.國家民委化工技術基礎重點實驗室,銀川 750021;3.北方民族大學機電工程學院,銀川 750021;4.北方民族大學電氣信息工程學院,銀川 750021)

渦流檢測技術作為一種重要的無損檢測方法,以其速度快、非接觸檢測、對開口缺陷檢測靈敏度高等優(yōu)點,在機械、電子、汽車、航天等重要領域得到了廣泛應用[1-6]。由于渦流的集膚效應限制,普通渦流探頭很難檢測到深裂紋或材料內部缺陷。盡管國內外學者提出了許多改進方法[7-14],但問題仍未得到徹底解決。根據渦流滲透公式,采用低頻激勵可以提高滲透深度,但頻率過低會導致掃查速度過低以及分辨率不高等問題。Mottl發(fā)現渦流密度不僅取決于激勵頻率,還取決于線圈尺寸等其他因素[15]。為了優(yōu)化深裂紋檢測探頭的結構參數,本文討論了帶磁芯渦流探頭各參數對渦流滲透深度的影響,可為深層缺陷渦流探頭的優(yōu)化設計提供理論指導。

1 數值計算模型

為了分析探頭參數對渦流滲透深度的影響,本文采用ANSYS軟件對渦流場問題進行了數值仿真。研究了激勵線圈參數,包括激勵頻率、線圈半徑、高度、寬度、檢測線圈位置和磁芯材料等對滲透深度的影響。計算完成后,從結果中提取出沿材料深度的渦流密度,以材料表面渦流密度為基準,進行歸一化處理,來分析渦流的滲透深度大小。

由于研究的是激勵線圈在試件中所感應的渦流的滲透問題,因此只對激勵線圈和試件進行了建模。如圖1所示,本文所用數值計算模型包括帶磁芯的餅狀激勵線圈和不銹鋼平板?；緟等缦?平板材料為304奧氏體不銹鋼(電導率σ=1.4 mS/m,相對磁導率μr=1),板長L=100 mm,板寬W=100 mm,板厚T=25 mm。激勵線圈外半徑ro=1.6 mm,內半徑ri=0.6 mm,厚h=0.8 mm,匝數100匝,激勵電流1 A,激勵頻率f=1 kHz。磁芯材料為MnZn(電阻率和相對磁導率分別為σc=4 Ω·m,μrc=2 500),外半徑roc=0.6 mm,內半徑ric=0 mm,厚hc=0.8 mm。激勵線圈放置在平板中心處,線圈提離lf=0.5 mm,px表示檢測線圈和激勵線圈的間距,pz為材料中某點處的深度。

圖1 磁芯探頭及平板試件的數值計算模型

2 渦流滲透深度影響因素分析

2.1 激勵頻率的影響

鐵氧體磁芯經常用于渦流探頭,以提高檢測分辨率和減小探頭尺寸。為了分析磁芯對渦流滲透深度的影響,采用了圖1所示的小型線圈(ro=1.6 mm,ri=0.6 mm,hc=0.8 mm)進行仿真。線圈纏繞在圓柱形鐵氧體磁芯上,高0.8 mm,半徑0.6 mm。磁芯材料采用MnZn,其電阻率為4 Ω·m,相對磁導率為2 500。使用實心磁芯,其外半徑與線圈內半徑ri相同。

圖2為不同頻率下相同尺寸的空芯激勵線圈和帶磁芯的激勵線圈產生的渦流分布比較。由圖2(a)可見,使用帶磁芯的激勵線圈可產生更強的電磁耦合,在材料中感應的渦流更大。高頻激勵時,電磁場的能量主要集中在試樣表面附近;低頻激勵時,渦流密度曲線緩慢下降,材料表面渦流密度相對較小。滲透深度取決于內部和表面密度的相對值,低頻激勵時材料內部的渦流密度更大,其信號更容易被檢測線圈檢測到。圖2(b)為渦流密度的歸一化結果。可見,磁芯線圈和相同尺寸的空芯線圈在材料同一位置處(圖中曲線均為線圈平均半徑處取得)產生的渦流分布情況相同,渦流的滲透深度相同。

圖2 激勵頻率的影響(實心磁芯,px=(ri+ro)/2)

2.2 磁芯材料屬性的影響

為研究磁芯材料對滲透深度的影響,考慮了磁芯材料電磁特性變化的影響。磁芯的形狀和尺寸與上述相同,磁芯為實心。令磁芯相對磁導率分別取2 500、3 300、7 500、10 000、12 000,相應的電阻率為4、6、0.2、0.2、0.5。圖3為磁芯材料電阻率和磁導率變化時的仿真結果比較。可見,幾乎所有曲線都重疊在一起。不同材料的磁芯對渦流分布的影響均相同。

圖3 磁芯材料的影響(MnZn,10 kHz,px=0)

2.3 線圈及磁芯尺寸的影響

線圈尺寸包括線圈半徑、寬度和高度。對于線圈半徑的影響,本文研究了僅改變線圈外半徑(ri=0.6 mm,ro=3.2 mm～16 mm)和同時改變線圈內外半徑(圈內外半徑之差為1 mm不變)兩種情況。線圈高度均為0.8 mm。對于線圈高度的影響,在保持激勵線圈內、外半徑尺寸不變(0.6 mm,1.6 mm)不變的情況下,只改變線圈高度,研究渦流密度曲線的變化情況。

由圖4(a)為線圈半徑變化時沿板厚方向渦流分布的變化情況。由圖可見,在線圈內、外半徑同時增大或只增大外半徑時,歸一化渦流密度曲線均呈現緩慢下降趨勢,滲透深度同時增大;當激勵線圈內半徑較大時,渦流的滲透深度更大。

圖4(b)為激勵線圈的高度從0.8 mm到2.0 mm變化時的材料中渦流密度的變化情況。結果表明,激勵線圈高度變化對滲透深度的影響不明顯。線圈高度增加相當于在原來的線圈上串聯了一個新的激勵線圈。渦流滲透深度的提高部分是由于新激勵線圈所導致的。由于新線圈提離較大,因此它對渦流滲透深度的作用也不大。

圖4 激勵線圈尺寸的影響

2.4 磁芯形狀的影響

上述結果表明,實心磁芯線圈和空芯線圈在線圈尺寸等方面對渦流滲透深度的影響相同。然而,環(huán)狀磁芯由于中空,產生的磁場分布不同,對渦流滲透深度的影響可能會不一樣。為了驗證該猜想,在大尺寸線圈(ro=16 mm,ri=15 mm)中加入一個環(huán)狀磁芯。磁芯外半徑roc與線圈內半徑ri相同,內半徑ric在0到7.5 mm范圍內變化,線圈和鐵芯的高度均為0.8 mm。

圖5為線圈中心處(px=0)的渦流分布歸一化結果。其中,曲線ric=0代表實心磁芯。由圖示結果可見,隨著磁芯內半徑的增大,材料中的滲透深度增大。磁芯內半徑越大,渦流滲透深度也越大。當磁芯內半徑為其外徑的一半時,渦流滲透深度達到最大?？梢?通過使用環(huán)狀磁芯可以使渦流滲透深度得到一定程度的改善。

圖5 磁芯內半徑的影響

2.5 環(huán)狀磁芯尺寸和檢測線圈位置的影響

為研究環(huán)狀磁芯尺寸和檢測線圈位置對渦流滲透深度的影響,在兩個不同尺寸的激勵線圈上加入環(huán)狀磁芯,分析渦流分布的變化情況。其中大線圈尺寸為ri=15 mm,ro=16 mm,hc=0.8 mm;小線圈尺寸為ri=0.6 mm,ro=1.6 mm,hc=0.8 mm。磁芯材料均為MnZn,電阻率為4 Ω·m,相對磁導率為2 500。磁芯外半徑與線圈內半徑相同,磁芯與線圈高度相同。

圖6 檢測線圈位置的影響

圖6(a)是大線圈的仿真結果(空芯及帶環(huán)狀磁芯)。隨著激勵線圈和檢測線圈間距的增大,對于空芯線圈和帶環(huán)狀磁芯的線圈,渦流滲透深度均隨之增大。距離px越大,效果越顯著。而對于小線圈(圖6(b)),渦流滲透深度亦隨激勵線圈和檢測線圈間距的變化而變化。由于磁芯內半徑較小,帶磁芯線圈的結果和空芯線圈的分布曲線基本重合?？梢?在磁芯線圈設計中,磁芯內外半徑尺寸大小比檢測線圈位置對渦流滲透深度的影響更大。

3 深裂紋渦流探頭的優(yōu)化設計

根據以上研究結論,本文初步設計了兩類深層缺陷渦流檢測探頭。一類采用實心磁芯,自發(fā)自收式及一發(fā)一收式;一類采用環(huán)狀磁芯,自發(fā)自收式。激勵線圈的內、外半徑和高度尺寸分別為15 mm、16 mm、0.8 mm,磁芯材料為MnZn鐵氧體。為便于比較其改進效果,同時對常用小型探頭(內外半徑及高度分別為0.6 mm、1.6 mm、0.8 mm)產生的渦流密度分布進行了仿真計算。

圖7為激勵頻率為1 kHz時,這兩類探頭所產生的渦流分布曲線比較。由圖可見,常用的小型自發(fā)自收式探頭渦流在1 kHz頻率激勵時渦流滲透深度為11.75 mm,而對線圈結構進行優(yōu)化設計后,渦流滲透深度得到了提高。其中,采用環(huán)狀磁芯或實心磁芯的一發(fā)一收式探頭(px=0)較好,渦流滲透深度可達20.5 mm,是常用渦流小型探頭的1.74倍;采用實心磁芯的一發(fā)一收式探頭(px=48 mm)稍次之,渦流滲透深度可達19.5 mm,是常用渦流小型探頭的1.66倍。

圖7 新型渦流探頭和常用小型探頭所產生的渦流密度分布比較

4 實驗驗證

為驗證所設計的探頭對深裂紋檢測的有效性,設計制作了空芯、實芯磁芯以及環(huán)狀磁芯的渦流探頭,其設計參數如表1所示。

表1 線圈及磁芯幾何參數 單位:mm

圖8為渦流實驗系統(tǒng),包括EEC2004多功能電磁檢測儀、渦流探頭、三維掃查臺和電腦。探頭實物及其線圈配置如圖9所示,渦流探頭為一發(fā)一收式,空芯、實心磁芯以及環(huán)狀磁芯的激勵線圈分別配有一個圓形檢測線圈,激勵線圈和檢測線圈的中心距均為38 mm。激勵線圈采用電壓激勵,激勵電壓為8 V,激勵頻率為1 kHz。

圖10 不同深度裂紋的實驗檢測結果

圖8 渦流實驗系統(tǒng)

圖9 探頭實物及其線圈配置

檢測時,將探頭安裝在探頭夾具上,并固定在三維掃查臺的懸臂上,沿垂直于裂紋長度的方向掃查。檢測線圈獲得線圈阻抗信號后通過數據線傳輸到電腦中作進一步后處理。304不銹鋼平板試件上加工有深度為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm多個人工槽。圖10(a)、(b)、(c)分別為空芯、實心磁芯以及環(huán)狀磁芯線圈對這些缺陷的檢測結果。由結果可見,帶磁環(huán)的探頭對裂紋深度的變化最敏感,20 mm與15 mm深裂紋的線圈阻抗信號變化率,磁環(huán)線圈以及實心磁芯線圈分別為6.8%和3.9%,而空芯線圈對深裂紋的變化敏感度最低,其所測得的20 mm深裂紋和15 mm深裂紋的阻抗幅值大小基本相同,基本無法由阻抗信號區(qū)分這兩種裂紋深度。

5 結論

本文采用數值方法研究了渦流深度滲透的影響因素,并基于研究結果設計了兩類帶磁芯的渦流探頭。仿真結果表明,渦流的滲透深度不僅與材料的磁導率和電導率有關,還與激勵頻率、線圈尺寸、檢測線圈位置、磁芯形狀等其他參數有關。在這些影響因素中,頻率、線圈半徑和檢測線圈位置對渦流滲透深度的影響最大。線圈高度和環(huán)狀磁芯(半徑、高度和檢測線圈位置)對渦流滲透深度有一定的影響。基于以上研究結果所設計的渦流探頭可將渦流滲透深度提高1.7倍左右,采用環(huán)狀磁芯或實心磁芯的一發(fā)一收式探頭可使渦流滲透深度深達20 mm左右。