基于u形磁轭探头的直流漏磁检测仿真与试验

基于u形磁轭探头的直流漏磁检测仿真与试验

1涡流场检测技术研究丢失误差检测方法易于实现自动化、高检测可靠性，是一种适用于钢板、钢丝绳、储存底板和钢板等铁磁件的检测方法。在原理上,该方法可归结为“激励+检测”的模式,即采用一种或多种励磁方式在被测构件中产生出可以探测到的信息,由检测单元拾取这一信息,获得无损检测的信号。由此,磁化方式是其中很重要的问题,根据所用励磁源的不同,磁化方式有直流、交流、脉冲和永磁磁化等,其中直流和永磁磁化方式的研究工作较为丰富,在工程实践中已有广泛的应用。但由于交流磁化时有集肤效应存在,能在被检构件中产生较强的涡流,需确定该涡流对检测结果是否有重要影响,检测信号是否仅为缺陷的漏磁场引起,它们各自的贡献程度有多大。因此只有深入研究涡流场在U形磁轭探头中的作用机制,才能进一步实现缺陷的定量评定。对于交流磁化,在磁粉检测中使用较多,它能促使磁粉运动而达到较高的检测灵敏度。KawakamiM等人提出用AC-MFL法来检测方钢,探头采用U形磁轭式,激励频率为4~32kHz,实现高效地自动化检测。近年来Foerster公司开发了基于U形磁轭探头的AC-MFL法自动探伤装备,检测钢棒时比直流磁化更有效。李路明等人研究了漏磁检测的交直流磁化问题,提出磁化频率应大于1kHz。GotohY等人分析了使用AC-MFL法检测相邻的两个缺陷的区分问题,还利用内穿过式探头检测外壁裂纹。康中尉将AC-MFL法应用于螺纹缺陷的识别。陈水平等人应用极低频交变场检测铁磁性管道,扩展了叠接相加法的应用范围。国内外学者大多重点考虑了缺陷的检出和提高信号的检测灵敏度,但对交流漏磁中的涡流场作用机制的认识尚不完善。本文从仿真和试验方面出发,对其检测机理提出了质疑,研究了DC-MFL法的信号特征,提出了漏磁检测法机理的评判准则,仿真分析了U形磁轭探头的检测特性,并获得了在各种激励信号下试验检测信号,为进一步研究其机理提供了理论和试验依据。2仿真和试验研究目前,国内外学者都一致认为,AC-MFL法是一种基于漏磁场检测的方法,检测传感器大多使用U形磁轭,在磁轭上绕制励磁线圈建立磁化器。当利用正弦信号激励磁化线圈时,磁轭中产生相应的交变磁化场,与被检构件形成磁回路,受集肤效应的影响,该交变场基本存在于构件表层并使其磁化饱和,如存在缺陷,则有泄漏磁场为磁敏元件所拾取,检测机理如图1所示,使用磁敏传感器获取缺陷处的漏磁场就可以表征缺陷信息。AC-MFL法检测横向裂纹时已有大量文献,表现为垂直分量为双峰值、水平分量为单峰的现象,同直流漏磁法(DC-MFL法)的典型信号特征一致,因而不便于阐明涡流场的作用机制,为能进一步开展机理分析,现以纵向裂纹为研究对象,并先对DC-MFL法开展研究,根据交、直流漏磁检测原理一致的特点,将其信号特征拓展到AC-MFL法中,最后开展U形磁轭探头的仿真和试验,与前述结果对比,从而明晰涡流场的作用贡献。DC-MFL法的仿真和试验模型及参数如图2所示,使用直流励磁线圈对钢板进行强磁化,钢板中含有纵向裂纹。为缩短计算时间,仅分析实体模型的1/2部分。钢板尺寸规格为80(长)mm×14(宽)mm×2(厚)mm,纵向裂纹为6.25(长)mm×0.5(宽)mm×0.1(厚)mm,励磁电流为12A。为保证与试验的一致性,采用线圈不动且移动钢板的漏磁检测方式,检测探头与工件表面的提离距离为0.5mm。仿真(FEA)和试验(EXP)结果如图3所示,由图可见,尽管磁化场方向与裂纹走向一致,缺陷的检测灵敏度下降,但实施极强磁化后纵向裂纹也能被检出。值得注意的是,与横向裂纹的检测不同,纵向裂纹的漏磁场水平分量在缺陷区呈明显的台阶状,信号的凸起部分与裂纹长度有关,但大于真实的裂纹长度28%左右。虽然纵向裂纹的漏磁场水平分量在形状上区别于横向裂纹,但其缺陷处磁场的物理机理本质是一致的,即裂纹处磁场为背景磁场和泄漏磁场的矢量叠加,是对背景磁场的增强,磁敏元件正是拾取了这一增强的磁场变化从而实现了缺陷的检出,这一信号特征也是漏磁检测方法的基本特征,可作为检测方法的物理评判准则,因此可认为AC-MFL法也必有上述的信号特征。3u型磁键成像的模拟和实验3.1模型2:单次扫查路径为进一步开展分析,对U形磁轭探头模型进行仿真。探头参数和激励信号载荷见文献。U形磁轭探头沿裂纹y方向扫查,提离距离为0.5mm。由于模型的对称结构,只计算了一半的扫查路径结果。U形磁轭探头中心的磁场水平分量By的仿真结果如图4所示,在裂纹中心处的By幅值仅为无裂纹区域背景磁场的82%,其信号形状特征与图3不一致,这说明在裂纹处没有出现缺陷漏磁场与背景磁场叠加的现象,不符合前文所述的评判准则。3.2低频强场治疗对U形磁轭探头进行测试试验,试验分弱磁化和强磁化2种情况,频率范围从低频到高频,考察磁场的扰动结果。采用了小尺寸规格U形磁轭,模型如表1所示,裂纹与探头的方向仍与文献一致,探头沿Y方向扫描,采集数据的间距为1mm,探头提离0.5mm。激励频率为27kHz和8kHz,探头空载时,测量磁轭的两脚端头部分的磁场有效值分别为1.5×10-4T和265×10-4T,后者已产生较强磁场,再通过集肤效应,可使工件表层进入饱和状态,从原理上满足交流漏磁检测的磁化要求。图5(a)是激励频率为27kHz时的检测结果,结果表明,在无裂纹时,背景磁场对应的电压为4.10V左右,进入裂纹时有小幅的增加,随后就迅速下降,在进入裂纹后,磁场对应电压比背景磁场小达50mV,探头出裂纹时信号相反。图5(b)是激励频率为8kHz时的检测结果,与图5(a)相比具有一致的检测特征,但在裂纹处相比无裂纹处的背景磁场对应电压差更大,达到了近400mV,检测特征明显。试验结果的信号趋势和仿真结果符合得很好。仍使用上述探头,激励频率使用60Hz,测量磁轭的两脚端头部分的磁场有效值为39×10-4T,电路放大倍数同前,检测纵向裂纹时,没有任何信号的波动。改变扫查方式,使磁力线和扫查方向均垂直于裂纹走向时,信号变化明显,可以检出裂纹。由于此探头再加大激励时激励线圈明显发热,因此对于低频强磁化激励时要更换尺寸规格较大的探头。低频强磁化试验所用探头尺寸和试验参数如表2所示,信号激励频率60Hz,可以看出,探头空载时产生的磁场有效值为115×10-4T,当与钢板形成回路且回路间隙有3mm时,能产生有效值为545×10-4T的磁场,并对钢板产生较大吸力。对长度为40mm的裂纹进行检测,扫查方式仍与文献相同,试验结果如图6所示,仍为裂纹处磁场小于背景磁场。3.3检测灵敏度随缺陷走向的变化规律由上述结果可以看出,U形磁轭探头在检测纵向裂纹时,无论励磁频率和磁化程度如何,与DC-MFL法检测结果具有完全不同的特点,并没有呈现出因裂纹的漏磁场的叠加作用而增大的趋势。对探头的电磁场分析可知,在其有效检测范围内,由磁轭和被检工件形成了磁回路,其磁场可称为一次磁场,工件因此被磁化,在缺陷处有直接漏磁场,如图7所示。若基于漏磁检测原理,AC-MFL法拾取的是一次磁场在缺陷处的漏磁场。当一次磁场垂直于缺陷走向时,会具有最大的检测灵敏度,随磁力线与缺陷走向之间夹角的减小,检测灵敏度将逐渐下降。由于工件中为纵向裂纹,预期的检测信号应为具有较小的且具有向上趋势单峰现象的信号,即与图3的信号相一致,但图4~6的仿真和试验结果说明并非如此。事实上,交变的电流激励,在磁轭的两脚之间也产生了涡流,如图7所示,涡流在试件的表面表现为近似于相互平行,且垂直于两脚连线。当涡流经过含缺陷工件表面时,电流向缺陷两端和底面偏转,使流经缺陷面的电流强度减小,缺陷越深的地方,电流线越稀疏,感应磁场磁通密度值也就越小,当探头走向与裂纹走向平行时,水平分量By在裂纹区域就会出现一个宽凹陷区,而不是向上的峰值。对应于图4~6的仿真和试验结果,说明检测探头获取到了二次感应场的畸变。值得注意的是,使用通交流电的U形磁轭探头检测横向裂纹时,水平分量能获得如图3所示的信号,仅是单峰更尖锐。而当裂纹处于纵向方向时,水平分量单峰方向正好相反。实际的裂纹方向可为任意方向,如图8所示,在横、纵向裂纹走向之间的缺陷,信号幅值必定小于横向裂纹而大于纵向裂纹,从而当裂纹为某一角度时无任何信号显示,造成漏检,这一点必须引起相关人员的重视。因此对U形磁轭探头而言,在检测纵向裂纹时,检测传感器所获取的物理量并非为直接漏磁场,而是涡流引起的二次磁场变化,由此,AC-MFL法的机理解释在此条件下是有误的。进一步的研究工作应改变各种仿真和试验参数,验证各种模型下的AC-MFL探头的检测信号特征。4纵向裂纹试验采用有限