浅析金属构件的涡流无损检测方法

2018-02-17雷华

现代制造技术与装备 2018年8期

雷华

（四川化工职业技术学院，泸州 646099）

1 研究背景

随着城市化进程不断加快，各类管道网络越来越齐全，在地上、地下以及水下等各种场景下都会用到金属管道。以及在一些机器部件中，金属的使用率就更高了，所以，这类金属构件的维护就成为一个系统性问题，一旦金属构件出现腐蚀或断裂现象，特别是在航空、军工等方面，金属构件的维护变得至关重要。

而在这些金属构件的使用状况评估和检测过程中，为保证金属构件的完整性，只能进行无损检测，既要减少经济损失，也要避免破坏检测造成的损伤。在现有常规检测中，有超声法、射线法、磁粉法、渗透法和涡流法，等等。与其他四种方法相比，涡流法更加简单，相对于超声法而言，涡流法并不需要复杂的耦合；相对于磁粉法而言，涡流法不仅能检测磁性材料，还能检测非磁性材料，解决磁粉法的缺陷；与渗透法相比，涡流法更加便捷，不需要清洗试件就能进行检测。所以，对金属构件的涡流无损检测研究具有重要意义。

2 涡流无损检测原理

根据麦克斯韦的电磁场基本理论，当金属构件处在变化的磁场中时，金属构件会产生电磁感应效应，即因为经过金属构件的磁场是不断变化的，从而改变通过金属构件的磁通量，最后在金属构件内部形成环形的感应电动势，由于金属导电，所以在环形感应电动势的作用下，形成导体内部环状的感应电流。

由于产生的感应电流是环状，像一圈一圈漩涡一样，所以它被称为涡流。有电流形成就会产生焦耳热，所以，在进行涡流无损检测的过程中，涡流的焦耳热效应是能够进行涡流无损检测的重要依据。

进行涡流检测时，用一个载有交变电流的线圈靠近金属构件，由于对磁场的电磁感应作用，金属构件中会形成感应电流、涡流。涡流的大小受金属构件的导电性能影响，产生的涡流能够进一步产生磁场，从而使原线圈的阻抗发生变化，根据原线圈的阻抗变化就能诊断出被测金属构件的性能以及是否存在缺陷，等等。

通过原理可以简单看出，在检测过程中，原线圈是通过磁场相互作用的，无需接触就能检测，可以对任何可以导电的材料进行检测，同时减少了检测的麻烦。涡流无损检测的速度和效率都很高，在测试过程中，有很多因素都会影响产生的感应电流的大小，包括被测构件的材质、被测构件的尺寸、原线圈和被测物体之间的距离以及被测构件内部可能存在的缺陷，等等。这些都有可能影响最后产生的涡流效应，所以，在测量过程中，还要注意控制变量，一定要使其他条件尽可能不变，从而达到测量要求。在实际使用过程中，涡流无损检测可以用来分选合金、检测材料的机械性能、检验材料尺寸是否达标等。不仅如此，由于检测过程无需接触，只要材料能够达到导电条件，测试就能进行，所以，涡流无损检测还不会受到温度的影响。

3 涡流无损检测方法

在当下的涡流检测技术中，运用比较广泛的还是阻抗分析法，由于电磁感应原理中的互感现象，在原线圈磁场影响金属构件内部电流的同时，金属构件中电流产生的磁场还会反作用于原线圈，影响原线圈阻抗。阻抗分析法是在分析涡流效应引起线圈阻抗变化和相位变化的基础上，鉴别其他各种影响因素效应的一种分析方法。相位的变化可以反映电磁信号进入金属中的深度，从而得到检测结果。

我们知道，阻碍电流的原因有三种，电阻、电容以及电感，在进行涡流检测的原线圈中，除线圈所具有的电感外，各匝线圈之间还能形成电容，导致线圈中出现容抗，同时，导线并不是理想导体，线圈的导线内部存在电阻。所以，原线圈的电感线圈并不是一个理想的纯电感，而是由电阻、电容、电感一起组成的复杂电路。但在一般情况下，我们会忽略线圈的电容，阻抗就只剩下电阻和电感的感抗。

在金属构件中，由于形成的涡流是一圈一圈的，并且普遍分布在构件内部，所以，可以将构件看成是一层一层密集缠绕起来的线圈，相当于将金属构件直接看成一个与原线圈耦合的次级线圈。简单地说，就像是原线圈和金属构件耦合起来了一样，将涡流无损检测直接类比于互感电路来分析检测线圈的阻抗变化。因为互感，金属构件的信息都是通过线圈的阻抗变化来反映，所以在检测过程中，原线圈的功能既包含了激励作用，又包含了测量作用；既承担了建立交变电磁场的作用，又承担了检测反馈的电磁场的作用。

根据原线圈激励电流的不同可以将涡流无损检测方法分为正弦波电源激励和脉冲波电源激励两种，除此之外，根据原线圈的固定情况来看，可以分为固定式、平移式以及旋转式三种。由电磁感应定律，感应电动势的相位相比原线圈的电流相位要滞后π/2，在受到原线圈调制的过程中，金属构件中的感应电流还会对原线圈的输出电压进行调制，从而使原线圈的输出电压发生变化。

4 金属构件涡流检测的应用

根据涡流无损检测原理和方法可以清楚地知道，涡流无损检测无需接触，操作起来比较方便，而且可以检测材料内部的缺陷情况。

4.1 管材探伤

金属构件的涡流检测原理是管材探伤中常用的方法，对于每天需要大批量生产的管材，必须提高检测速度。在完整的生产线上采用高速的、自动化的涡流探伤装置进行检测，效率高、出错率低。

有了金属构件的涡流检测技术，可以实现真正意义上的无损探伤，节省人力物力，确实可以降低经济耗费。

4.2 飞机等构件检查

在飞机以及其他的高科技装备中，为节省成本，以及高效快速检测构件的完整程度，涡流无损检测是必要的技术，为保证飞机运行前构件的可靠性，必须采用无损检测技术。

现代的飞机基本采用的都是合金构件，而同时，飞机构件的工作环境比较极端，相比而言，材料更容易产生缺陷，一般的检测难度也更大。构件由于长期在负荷较大的情况下运行，产生的疲劳裂纹是比较常见的，而且多数在材料表面会扩展变大，所以，涡流法检测十分方便。所有的构件都可以在不拆卸的情况下进行检测，还能测出因油漆等覆盖而产生的盲区，简单易行，成本又低。

不得不说，涡流法对产品构件的检测十分方便，应用涡流法可以对机翼大梁、发动机涡轮叶片、涡轮盘、起落架等飞机关键部位是否出现疲劳裂纹以及腐蚀损伤的程度进行检测。

5 涡流无损检测的发展

我国的涡流无损检测经过长期发展，已经成为应用最广泛的探伤检测方法，根据现有检测方法中的探头结构不同，又可以分为常规涡流检测、透射式涡流检测和远场涡流检测三种。

其中，常规涡流检测由于电磁场中的集肤效应，只适用于检测试样表面或进一步测试亚表面缺陷，对内部的检测还存在一定的不足。透射式涡流检测就很好地克服了这一缺点，既能检测管外壁缺陷，也能保持对管内壁有相同的灵敏度。第三中远场涡流检测从本质上来讲也是一种透射式涡流检测，通过原线圈产生的磁场能量两次穿过管材的内外壁，到达原线圈的检测线圈中，与透射式的区别就在于比透射式的多穿过了一次。

涡流无损检测技术现在的服务对象还集中于基础设施、传统军事、航空航天等领域，在电力、石油以及冶金机械等行业还需要进一步应用。当下，不少学者也在不断开发金属构件涡流无损检测，通过加入人工智能因素，扩大应用领域，提升检测精度。同时，也有对汽轮机叶片进行人工缺陷的涡流探伤试验，进一步拓宽涡流无损检测应用领域。