弱磁技术在非铁磁性材料检测中的应用研究

廖　骏，夏桂锁，*，李　浪，邹恒财，胡　博，程强强（.无损检测技术教育部重点实验室 （南昌航空大学），南昌 006；.赣州市龙南县人大常委会办公室，江西 赣州 4000；.南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 4000）

弱磁技术在非铁磁性材料检测中的应用研究

廖骏1，夏桂锁1，*，李浪2，邹恒财3，胡博1，程强强1
（1.无损检测技术教育部重点实验室 （南昌航空大学），南昌 330063；2.赣州市龙南县人大常委会办公室，江西 赣州 341000；3.南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000）

提出一种能够应用于铁磁性与非铁磁性材料缺陷检测的弱磁检测技术，并以多晶硅和7A09铝合金两种非铁磁性材料为例，阐述了该技术检测非铁磁性材料的一般过程，即测试材料磁导率、设计实验、采集信号及信号分析。多晶硅自然缺陷检测实验表明，弱磁检测技术能够检测直径为10 μm的夹杂缺陷；铝合金人工缺陷检测实验表明，对于φ0.4 mm的孔型缺陷和深度为1～2 mm的槽型缺陷，弱磁检测技术都具有很好的检测效果；验证了这种检测方法在非铁磁性材料检测中的可行性。

弱磁检测；磁导率；多晶硅；7A09铝合金

0　引言

磁法检测技术基于磁场效应，一直是铁磁性材料检测的有效手段之一，通过检测漏磁场的变化进而发现缺陷［1-2］。可以说，在过去的几十年内，磁粉、漏磁、涡流等电磁检测技术已普遍应用于铁磁性材料的缺陷检测之中［3-5］。

随着科技的高速发展，电子信息产业、航空航天、能源动力等行业成为发展国民经济与提高人民物质生活水平的重要基础，特别是硅半导体和铝合金材料对工业、航天、交通运输业的发展具有极其重要的作用［6-8］。现阶段，各种行业对上述两种材料的需求日益增加，为了保证使用过程中的安全性，必须对硅半导体和铝合金材料的缺陷检测予以足够的重视。但是硅半导体和铝合金材料属于非铁磁性材料，相对磁导率小，常规的漏磁方法无法产生有效的磁场信号，因此也无法进行检测。

本研究提出一种能够应用于铁磁性与非铁磁性材料缺陷检测的弱磁检测技术。以硅半导体和铝合金材料的缺陷检测为例，介绍在地磁场环境下针对多晶硅和铝合金材料中缺陷的弱磁无损检测方法［9］，通过检测试验对弱磁检测结果进行分析，验证弱磁检测方法在非铁磁性材料缺陷中检测的可行性［10］。

1　弱磁检测可行性分析

材料中缺陷能够被磁矢量传感器检测到，其原因就在于缺陷处与被检测材料之间的相对磁导率存在差异，从而引起穿过材料的磁场产生畸变。经测试，空气的相对磁导率为1.000 000 04，一般可近似为1。

1.1多晶硅的相对磁导率测试

硅材料的相对磁导率为0.99999688，表现为抗磁性。多晶硅材料与硅材料的性质类似，使用SQUID测磁仪在常温（300 K）下测量多晶硅的磁化曲线，随着外加磁场的逐渐增大，磁矩以近似线性的关系减小。由磁化曲线可计算出多晶硅材料的磁化率，其值为-0.00000005～-0.0000017。根据式（1）便可得出地磁场环境下，多晶硅的相对磁导率为0.999 998 3～0.999 999 5，因此多晶硅表现为抗磁性。式中:μ是多晶硅的磁导率；μ0是真空磁导率；μr是多晶硅的相对磁导率，χm是多晶硅的磁化率。

1.27A09铝合金的相对磁导率测试

铝材料的相对磁导率为1.000 02，是顺磁性物质，由材料内自由电子或离子的顺磁性所决定，特点为材料被磁化时使磁场略有增强。所选用的7A09型铝合金与铝材料具有相似的性质，同样使用SQUID测磁仪在常温（300 K）下测试其磁化曲线。同理，根据式（1）计算得到7A09型铝合金地磁场环境下的相对磁导率，其值为1.000 15～1.00020，7A09铝合金的相对磁导率大于铝材料的相对磁导率，因此铝合金表现为顺磁性。

1.3根据磁导率差异检测缺陷

磁法检测技术是根据磁导率差异判断缺陷，弱磁检测技术也不例外，由于铝合金和多晶硅材料的相对磁导率均与空气存在差异，这就为缺陷检测提供了前提。

铁磁性物质的相对磁导率都很大，从十几到几千不等，而非铁磁性物质的相对磁导率一般都较小，若想实现弱磁技术在非铁磁性材料缺陷检测中的应用，必须能够检测到微小磁导率变化所引起的磁场畸变，因此必须具备测量精度非常高的传感器与测量仪器。

2　试验及验证

2.1弱磁检测仪器

弱磁检测仪主要由上位机、信号采集器和磁矢量传感器组成，可为单探头或多探头形式。仪器的核心部件为磁矢量传感器，为了达到分辨微小信号的目的，在现有的磁通门技术的基础上进行了改进，通过使用钴基非晶态合金代替传统的坡莫合金充当磁芯来提高传感器的各项性能指标，同时改进传感器的回路形状，使得其分辨率、稳定性等性能指标大幅度提高。弱磁检测仪的技术指标可达到:1）测量分辨率:0.5 nT；2）测量范围:±1 000 000 nT；3）灵敏度:50 μV/nT；4）噪音:＜0.5 nT；5）工作温度:-20～50℃。

2.2多晶硅试件的检测及验证

图1为多晶硅薄片，其尺寸:长125 mm，厚0.4 mm，宽125 mm。传感器检测方向如箭头所示。

图1　多晶硅试件Fig.1　Polysilicon specimen

图2为多晶硅试件弱磁检测曲线。图中有2处向上凸起的异常信号，异常位置为距离试件左端41～52 mm和78～90 mm处，两处异常各有2个波峰，判断为缺陷形状复杂。第一个异常处曲线幅值为50～70 nT，第二个异常处曲线幅值为70～100 nT。对曲线所示异常处（距左端50、86 mm位置）用线切割的方式抛开，拍摄金相图（图3），验证异常处的实际状况。从图3中可清楚地发现，异常处金相呈现出黑色聚集物。

2.37A09型铝合金试件的检测及验证

在7A09型铝合金板上制作了两种类型的缺陷（图4）:一种是孔洞型缺陷，直径为0.4 mm，深度任意；另一种是槽型缺陷，检测结果如图5

所示。

h4

h3

h2

h1

100

80

60

40

20

0 120Distance/mm -3.664 -3.666 -3.668 -3.670 -3.672 -3.674 -3.676 -3.678 -3.680 -3.682 -3.684

M

agnetic field intensity

/n

T

×104

图2多晶硅试件弱磁检测曲线

Fig.2Weak magnetic detection curve of polysilicon specimen

图3　多晶硅试件金相图Fig.3　Metallurgical pictures of polysilicon specimen

图4　7A09铝合金预制缺陷Fig.4　7A09 aluminum alloy prefabricated defects

图5a为孔洞型缺陷的检测结果，分别在距薄板左端94、192、295 mm处有向上凸起的信号异常，其余区域变化比较舒缓。在铝合金板上预置孔洞的位置分别为距薄板左端100、200、300 mm处，由于检测过程是手动检测，因此检测结果与实际缺陷位置存在一定的偏差。检测曲线的异常幅值分别为22、19、24 nT。7A09型铝合金材料表现为顺磁性，相对磁导率大于空气的相对磁导率。而薄板上孔洞处的材料相当于空气，当磁场穿过铝合金薄板时，孔洞处能够通过的磁通变少，则铝合金材料中需通过的磁通变大，薄板表面的磁通也会变大，所以孔洞处的磁检测曲线会产生一个向上的凸起。图5b为槽型缺陷的检测结果，分别在距薄板左端92、198 mm处有向上凸起的信号异常，其余区域变化比较舒缓。在铝合金板上预置槽型缺陷的位置分别为距薄板左端100、200 mm处，由于检测过程是手动检测，因此检测结果与实际缺陷位置存在一定的偏差。检测曲线的异常幅值分别为65、55 nT。该异常与图5a中曲线异常产生的原理相同。

图5　弱磁检测曲线Fig.5　Weak magnetic detection curve

由于孔型缺陷在板内部，而槽型缺陷在板表面，孔型缺陷的提离值大，因此信号强度小。

3　结论

1）弱磁检测技术检测多晶硅自然缺陷，能够检测直径为10 μm的夹杂缺陷，因检测时提离值很小，测量曲线的磁异常值可达50～70 nT。

2）7A09铝合金人工缺陷检测φ0.4 mm的孔型缺陷和深度为1、2 mm的槽型缺陷，弱磁检测技术都能够较准确检测出，磁异常值随提离值的不同而不同。

3）无论对于抗磁性的硅材料，还是对于顺磁性的铝合金材料，弱磁检测技术都能够检测其中缺陷，说明弱磁技术应用于非铁磁性材料缺陷检测的可行性，为弱磁技术在非铁磁性材料缺陷检测中的应用奠定了理论基础。

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Research on the Application of Weak Magnetic Technology in the Detection of Non-ferromagnetic Materials

LIAO Jun1，XIA Gui-suo1，*，LI Lang2，ZOU Heng-cai3，HU Bo1，CHENG Qiang-qiang1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；
2.Ganzhou Municipal People＇s Congress Standing Committee Office of Longnan County，Jiangxi Ganzhou 341000，China；3.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Hunan Zhuzhou 412000，China）

Magnetic detection technology had generally used in the defect detection of ferromagnetic materials.In current study，a kind of weak magnetic detection technology which can be applied to the defect detection of ferromagnetic and non-ferromagnetic materials is presented.The basic principle of the technology of weak magnetic detection is introduced.Taking two kinds of nonferromagnetic materials，polysilicon and 7A09 aluminum alloy as an example，in this paper，the general process of detecting non ferromagnetic materials by using weak magnetic detection technology has been described.Having tested material permeability，designed experiment，collected and analyzed signals.The experiments on natural defect detection of polysilicon shows that the weak magnetic detection technology can detect the inclusion defects of 10 μm diameter，and the experiments of artificial defect detection of aluminum alloy shows that the weak magnetic detection technology has a good detection effect on φ0.4mm hole defect and groove type defect in 1 mm to 2 mm depth.The feasibility of this method in the detection of non ferromagnetic materials has been verified.

weak magnetic detection；permeability；polysilicon；7A09 aluminum alloy

TG115.284

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.003

1673-6214（2016）01-0013-04

2015年11月8日

2016年1月7日

民用大飞机专项子项（BB201508101）；无损检测技术教育部重点实验室开放基金（ZD201329003）；南昌航空大学博士启动基金（EA201308039）

夏桂锁（1978年-），男，博士，副教授，主要从事电磁无损检测及精密计量等方面的研究。