基于电扰动磁敏探头的钢制结构焊缝裂纹快速检测方法

基于电扰动磁敏探头的钢制结构焊缝裂纹快速检测方法

1涡流检测仪器及传感器的应用通过焊接生产和工程应用，必须解决许多焊接质量的检验问题。特别是，表面粗糙度或有一定厚度的防腐层，超声法难以进行。电子法的精度不高，效率低。由于传统传感器提取效应的影响，血流法不利于搜索缺陷。近几年来,一些仪器生产厂,研发了相关的检测设备,如国外研制的便携式专用焊缝质量检查仪(EddycurrentProbesforinspectionofFerromagneticSteelWelds),从某种程度上解决了这一工程难题。本文以笔者的工作经历,简述了该类仪器及传感器的应用发展情况。焊缝的在线检测一直是焊管行业的重要相关技术。根据国外的应用经验,笔者于1990年开发了焊管在线涡流探伤仪,该仪器一改常规的带有磁饱和器的涡流检测方式,而改由小填充系数的外穿过式探头和平面组合式探头(由差动和绝对二组探头组成)。以解决生产应用上的高温焊缝探伤问题,平面组合探头采用了国外称之为电流扰动法原理的特种涡流传感器(ElectricCurrentPerturbationMethod),这种传感器最突出的优点是提离效应小,可接成发射、接收(D-P)方式或绝对方式,用于阻抗平面显示的涡流仪上,并且允许探头运动方向与焊管焊缝裂纹方向同向而不漏检,由于该探头的这两大特点,近10年来,国内焊管行业,特别是生产大直缝管的厂家,很大一部分都采用了这一形式的涡流传感器,且取得了较好的现场使用效果。国外一些厂家,如日本和东南亚及澳洲等一些焊管厂,也采用了这一检测模式。根据电扰动法研发的特种探头,如何改进并运用到在役焊缝的检测上,是近年来笔者从事试验研究的一个方向,特别是在役焊缝通常要求在工况条件较恶劣、表面状态凹凸不平且大型仪器不易携带的情形下进行检测,因此,开发掌上型便携式阻抗平面显示涡流仪及适合工程应用的微型传感器便成了亟待解决的技术问题。为此,笔者们通过多年的努力,研发了EEC-3300掌上型智能多功能阻抗平面显示涡流检测仪及电扰动磁敏探头,该仪器不仅适用于在役焊缝的手动探伤,而且具有裂纹快速测深及材料分选的功能。2传感圈相对于应力圈的尺寸不同作为涡流检测法的一个特例,电流扰动磁敏探头也是一种能够将磁场及其变化的量转变成为电信号输出的装置,它包括激励线圈和检测单元(线圈或磁敏元件,本文以线圈为例)两个最基本的组成部分,二者是分立的,且正交取向。激励线圈平行于XY平面设置,两个相互平行的感应线圈的法线垂直于Z轴(见图1)。当激励线圈与感应线圈大小可比,则交变感应电流所产生磁场的磁力线相对于感应线圈的方向是各不相同的,即感应线圈内有大量取向各异的磁力线穿过,这样必然会严重地影响检测由缺陷引起的电流微弱扰动而导致的磁通变化。如果激励线圈相对于感应线圈的尺寸足够大,那么感应电流相对于小尺寸的感应线圈可近似视为沿单一方向直线流动,感应线圈附近的磁力线方向亦近似趋于一致。感应线圈取法线方向平行于电流流动方向。无缺陷时,穿过两个感应线圈的磁通量为最少;当因缺陷存在引起电流扰动而导致磁通变化时,即使是微弱的变化,感应线圈也能很灵敏地发现,且感应线圈的这种取向对提离变化的敏感度也减至最小。利用磁敏元件作检测单元,也可以达到不错的效果,但制作工艺上较缺乏灵活性。目前,市面上的半导体磁敏元件主要有霍尔效应传感器(Halleffectsensor)、半导体磁敏电阻器(Semiconductivemagneto-resistor)、磁敏二极管(Magneto-diode)、载流子畴磁强计(Carrierdomainnagnetometer)、Z元件以及其它各种半导体磁敏功能组合器件等。顺便指出,当接收单元采用单个线圈时,这种电扰动传感器也可称之为正交涡流探头。3eec-400主要技术指标为了尽量缩小体积、减轻重量,EEC-3300智能袖珍型涡流仪设计时采用贴片低压高集成度的芯片。仪器的硬件结构框图如图3所示。它主要由数据采集模块、微处理器模块、波形发生及电流激励模块和电源电路等几个部分组成。有关仪器的硬件及其软件的设计功能本文不再赘述,这里仅给出EEC-3300的主要技术指标。♦激励频率范围:604Hz～5.5MHz(可变);♦手动相位:360°(步进±1°);♦自动相位:将干扰信号自动旋转到水平(X轴)方向;♦增益:0～90dB;♦具有数字滤波功能♦X-Y增益:分别可调;♦屏幕规格:12864(A型液晶带背光);320×240(B型);♦显示方式:时基扫描显示或阻抗平面显示;♦通讯:RS232通讯接口;(可接PC机,完成同屏显示检测信号的阻抗平面图及时基扫描图)。♦内存:1M(可扩展至8M);♦内置电源:3.6V锂电池;♦外电源输入:直流3～12V;♦外形尺寸:148mm×75mm×25mm;♦自动关机功能(5～25min自选);♦自动日历时间显示;♦中英文操作软件。图4是EEC-3300B掌上型涡流检测仪外形图。4接头缺陷检测首先在焊缝上制作标准人工缺陷,见图5(为了观察方便,焊缝表面进行了平滑处理),然后分别用常规和电扰动磁敏探头作实验,检测结果通过RS232接口接至PC机打印输出,如图6～图9所示。图6(a)为常规绝对式涡流探头对试块标准人工缺陷的检测波形,图中往左的一条曲线D为探头提离方向(如果裂纹是在焊缝粗糙表面上,则图中曲线将是叠加后的波形,无法观察)。图6(b)为电扰动磁敏传感器在相同条件下测得的阻抗平面图,从图中可见,两种探头对提离效应的反应大不一样。前者探头稍一晃动,信号就偏出屏幕外,后者即使提离到远处也只偏离一小点(见图6(b)D曲线)图7是常规涡流探头和电扰动传感器两种探头在不改变仪器参数的条件下对某一核电工程焊缝粗糙表面检测时的阻抗平面图形。该两组图形进一步说明了两种传感器对工程钢结构焊缝进行检测时的差异。图8是常规涡流探头与电扰动磁敏传感器分别垫上3mm有机板(模拟焊缝表面防腐层)测得的图形。其中常规探头的仪器增益提高10dB,电扰动磁敏传感器仪器保持原参数不变。图9为归一化后电扰动磁敏探头对3mm人工裂纹的仪器检测界面图(下面数字表示裂纹深度示值,单位mm)。本实验是以阻抗平面图作为信号的显示模式,也可取其中X轴或Y轴信号采用时基扫描曲线的显示模式。5电磁涡流检测仪器的改进焊缝表面粗糙度对涡流场的影响主要体现在提离效应上。虽然,从理论上用多频涡流法可以解决表现凹凸不平产生的干扰信号,但实际上焊缝表面状态是很不规则的,故解决问题的途径主要从传感器的设计上入手。笔者亦进行了多频涡流的检测实验,此处不再赘述。EEC—3300及电扰动磁敏探头不仅能够实现对焊缝裂纹的快速检查及裂纹深度测量,还可用于现场在役飞机、路轨、桥梁、轮毂、车桥、汽轮机叶片、起落架、螺栓孔等一些常见零部件的检测。实践证明,该仪器小巧、轻便、智能化程度高、重复性好,是一款极具应用推广价值的NDT新型设备。值得一提的是,笔者和宝钢集团为解决高温板材表面裂纹的ET,研发了一种可提离至15mm的专用探头(已获国家专利),该