脉冲涡流热成像金属材料裂纹检测研究

邢晓军 左宪章 王建斌 张玉华

摘 要：为分析不同激励条件下不同材料感应加热特性，采用有限元仿真软件分析铁磁性材料45#钢和非铁磁性材料不锈钢感应加热时的涡流分布和温度分布，发现45#钢趋肤深度很小，裂纹边沿感应电流密度较大；不锈钢趋肤深度受激励电流频率影响很大。随激励电流频率的增大，趋肤深度减小，裂纹边沿感应电流密度增大。涡流的分布和裂纹对热扩散的阻碍作用共同决定裂纹附近温度的分布，并通过实验对仿真结论进行验证，确定两种材料表面裂纹的最佳激励条件。

关键词：金属材料；趋肤深度；涡流分布；热成像

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）09-0139-06

0 引 言

随着科学技术的发展，无损检测在质量保证系统中越来越显示出它的重要性和必要性，成为保障产品质量和控制在役设备安全运行的重要手段[1-2]。脉冲涡流热成像无损检测技术与常规无损检测技术相比，具有非接触测量、灵敏度高、反应速度快、信号处理速度快、检测面积大等特点，非常适合现场以及在线检测[3-4]。

目前，国内对于感应加热趋肤效应对涡流场和热场的影响研究较少，大多集中在检测机理以及热图的处理上[5-9]。奥地利学者Beate Oswald-Tranta等对铁磁性材料和非铁磁性材料进行了感应加热实验，比较了两种材料裂纹附近温度分布的差异[10-11]。在实际检测中，由于激励电流频率不同，不同材料的物理特性不同，会使导体试件趋肤深度相差很大；而且随着加热时间的持续，热扩散影响不容忽视，使得工件表面的温升比受到较多因素的影响，呈现复杂的变化规律。本文针对常用的45#钢和不锈钢两种材料，分析趋肤效应对其涡流场和温度场分布的影响以及在不同激励电流频率下加热时间发生变化时的温升比，为脉冲涡流热成像无损检测技术的实际应用提供技术参考。

4 结束语

1）由于45#钢和不锈钢趋肤深度相差很大，感应加热时的涡流场和温度场呈现不同的分布规律：45#钢涡流紧贴裂纹流动，加热后裂纹边沿为高温分布；不锈钢涡流被推离裂纹边沿，加热后裂纹边沿为低温分布。

2）对于45#钢试件，增大激励电流频率和感应加热时间能够提高温升比，但频率大于250 kHz时温升比变化不明显，而且加热时间过长时热扩散作用加剧， 激励电流频率为250 kHz，加热时间为200 ms时裂纹识别效果比较好。

3）对于不锈钢试件，激励电流频率较小且加热时间较短时裂纹边沿温升比较低，有利于缺陷的识别。随激励电流频率的增加，趋肤深度变小，裂纹边沿温度升高。激励电流频率为50 kHz，加热时间为50 ms时裂纹识别效果较好。

参考文献

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（编辑：李妮）