多频涡流技术在铝合金型材裂纹检测中的应用

王传刚 单清群

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266041 )

随着车辆运行速度的提高和车辆轻量化要求的实施，铝合金型材已在车辆制造企业得到广泛应用，如动车车体、客车车体等，铝合金型材质量的优劣直接关系到机车车辆的检修周期和行车安全。由于材质不良或热处理工艺不当等原因，铝合金型材会存在一些固有缺陷和晶粒粗大现象，同时因受到交变弯曲应力、扭转应力、冲击应力等应力长期作用，铝合金型材在机车车辆运行过程中会产生疲劳裂纹。目前，铝合金表面裂纹采用渗透检测能够检测出，但渗透检测对表面状况要求较高，需要完全去除板材表面的油漆等非金属覆盖层，且检测时人为因素影响较大，而且只能对裂纹位置和长度进行确定，裂纹深度无法准确测量。

普通的涡流检测技术采用单个频率的激励信号进行检测，然而由于它只有一个频率，所以很难去除一些外在的干扰信号。而多频涡流检测则是在探头上加2个或2个以上的激励频率信号，通过调节信号幅度、相位和波形可以消去一些外在不必要的干扰信号，这一点对于检测一些有支撑架或者结构变形的型材效果特别明显，检测结果也更为精确。因此，可以采用多频涡流技术对新制和检修车辆的铝合金型材进行缺陷检测。

1 检测原理

在涡流检测中，缺陷信号和干扰信号对探头的反应是相互独立的，2种共同作用时的反应为独立作用时的矢量叠加。利用这一特点，可以通过改变检测频率来改变涡流在被检材料中的大小和分布，使同一缺陷或干扰在不同频率下对涡流产生不同反应。通过矢量运算，消去干扰的影响，仅保留缺陷信号。多频涡流检测技术就是用几个不同频率同时激励探头线圈，根据不同频率对不同的参数变化所取得的检测结果，通过上述方法分析处理提取所需信号，抑制不需要的干扰信号[1]。

2 试验系统

多频涡流检测系统有2种工作模式，它们的区别在于为涡流传感器提供的多频激励信号是同步的还是异步的，如图2所示。多频涡流检测系统一般由多频涡流检测模块、微机系统、检测系统和外部设备4部分组成，构成一个整体。系统的外部设备包括键盘、显示器、报警器、传感器等。系统软件包括系统操作软件、缺陷检测、分析、记录和评价管理软件等。系统软件一般基于Windows系统，操作十分简便[2]。

(a)同步工作模式 (b)异步工作模式 图1 多频涡流检测系统的工作模式

3 试验结果

在厚度为8 mm的铝型材上加工了3组人工裂纹进行试验，每组人工缺陷共4条，长度均为5 mm，宽度均为0.15 mm，深度分别为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm；3组人工裂纹分别为横向分布、纵向分布和沿边界分布，如图2所示。

图2 铝合金型材人工裂纹示意图

3.1 人工裂纹的检测结果

试验发现，当探头在试件上无裂纹区域扫描时，检测探头没有感应信号；当探头沿着裂纹长度方向和垂直于裂纹长度方向扫描时，检测探头出现了明显的感应信号。人工裂纹深度越大，信号幅度越大。表1为不同深度人工裂纹的检测结果。

表1 不同深度人工裂纹的信号幅度

图3是深度为0.1 mm的边沿裂纹检测信号图。从人工裂纹的检测试验结果可以看出，多频涡流对铝合金型材检测具有较高的灵敏度，能发现深度为0.1 mm的人工裂纹。同时从图3可以看到，缺陷信号比较干净，没有明显的干扰杂波。

3.2 裂纹深度定量

制作人工裂纹试块，试块上刻有0.1 mm至2.0 mm或者5.0 mm已知深度的人工裂纹，对人工裂纹进行检测。分别以人工裂纹的深度和信号幅度为横坐标、纵坐标制作裂纹深度曲线，在涡流检测时，发现裂纹后从各个方向找到最大信号，与裂纹深度曲线进行比较，对裂纹深度进行定量。

对一个已发现的裂纹进行深度定量，与裂纹深度曲线对比得到的裂纹深度为0.3 mm，对该裂纹进行解剖后在显微镜下观察，测得其深度为0.28 mm，如图4所示。

图3 深度为0.1 mm的边沿裂纹检出信号

图4 裂纹截面图

4 结论

采用多频涡流检测技术可以对铝合金型材进行裂纹检测及深度定量，多频涡流对干扰抑制能力较强，对横向、纵向以及在型材边缘的裂纹都具有较高的检测灵敏度，且信号比较明显、噪声很小。用于深度定量时，首先根据已知深度的人工裂纹制作裂纹深度曲线，然后根据检测缺陷的最大信号幅度值与曲线对比进行深度定量。多频涡流检测技术在新制和检修机车车辆的铝合金型材检测上有很好的应用效果和明显的优点，因此具有广阔的应用前景。

[1] 林俊明.第一专题 多频涡流检测原理及应用[J].无损检测，1996(1)：23-26.

[2] 林俊明.声脉冲/多频涡流检测仪的研制[J].华北电力技术，2000(5)：23-24.□