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焊缝涡流检测
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:12/22/2006 阅读:19032

 

 

 

 

1.涡流检测技术基础

当线圈流过高频交变电流时会在其中产生同频率的交变磁场,如果该磁场靠近金属工件表面,则在工件中能感应出同频率的电流,简称为涡流。涡流的大小与金属材料的导电性、导磁性、几何尺寸及其中的缺陷形态有关。涡流本身也会产生同频率的磁场,其强度取决于涡流的大小,其方向与线圈电流磁场相反,它与线圈磁场叠加后形成线圈的交流阻抗,如图1所示。涡流磁场变化会引起线圈阻抗的变化。测量出该阻抗变化的幅值与相位即能间接地测量出工件表面与近表面材质异常或缺陷尺寸。

焊缝涡流检测技术是近年来发展最快的无损检测方法之一,它有很多特点,主要为:

1) 单面检测不需要耦合剂,避免了超声检测过程与耦合有关的困难。

2) 虽然涡流检测多半是针对表面与次表面缺陷,但是低频涡流甚至可检测到50mm厚不锈钢中的缺陷。

3) 可检测多层结构。例如,含有油漆层、绝缘层、不锈钢堆焊层等的金属构件。

4) 可进行高温工件的检测,最高温度可达550,如果采用水冷探头检测,温度还可以提高。

5) 线圈传感器体积小、质量轻、反应速度快,可以实时显示检测结果。

1.1 涡流渗透深度

线圈在工件中激发的涡流并不是均匀地分布在其截面上,靠近线圈的工件表面层电流密度最大,远离表面逐渐地减小,这种现象称为集肤效应。涡流的渗透深度受材料导电与磁导率的影响,两者越高,涡流渗透得越浅。此外,它还受线圈励磁电流频率的影响,频率越高,涡流渗透得也越浅。为了衡量涡流的渗透深度,一般采用其电流密度降至试件表面上密度的37%的标准渗透深度来度量,如图2所示。在不同金属材料中涡流频率与渗透深度的关系如图3所示。

 

1.2 线圈的类型

按线圈励磁与接收信号的方式可把线圈划分为:

1) 只采用单一线圈产生主磁场并探测涡流信号的绝对线圈,如图4a所示。

2) 为了消除线圈与工件间隙变化、工件材质与温度改变等对线圈阻抗的影响,采取双线圈反向连接形成有互补功能的差动线圈,如图4b所示。

3) 励磁与接收线圈分开的单线圈输出方式,称为双线圈,如图4c所示。

4) 在励磁与接收分离的双线圈结构中再以差动线圈方式输出的称为差动输出双线圈,如图4d所示。不同的线圈有不同的功能并适合于对应的检测要求。

1.3 缺陷信号定性分析

严格地说,缺陷信号隐含在线圈阻抗值之内,因此只有进行阻抗分析才能对信号分析。影响线圈阻抗的主要因素是涡流磁场,它与材料和设参数有关。其中材料的电导率受其合金成分、硬度、残余应力和温度的影响。材料按导磁特性可分为铁磁材料与非铁磁材料两类,铁磁材料的磁导率很高,对线圈阻抗的影响远远大于其它参数。尺寸因素表现在工件形状、厚度与缺陷的尺寸上。设备参数主要有线圈类型、尺寸、励磁频率和线圈与工件相邻表面间的距离(Lift-off,简称提离)等。

线圈的交流阻抗是一个矢量,它由幅值与相位角两部分组成,因此可以采用矢量图进行分析。

1)材料电导率的影响

非铁磁材料电导率与线圈工件间的提离对线圈阻抗的影响见图5。由图中可知,高导电性材料涡流与其磁场强度大,除部分地抵消磁场外也使损耗增高,于是引起线圈电抗降低,电阻增加。而线圈的提离最初是引起线圈电阻的改变,它与电导引起变化方向之间有一夹角α

 

 

2)线圈励磁频率的影响

励磁频率除了对涡流渗透深度产生影响外,还对线圈的阻抗产生影响。如图6~图8所示。

 

 

 

从图6~图8中可以看出,变换频率可以改变涡流损耗状态与材料的检测工作点。例如对黄铜而言,提高频率(20kHz1MHz),最初涡流损耗增加,电阻增大。继续增加频率,涡流只集中在表面,使损耗下降,最后甚至会出现使线圈提离只影响其电抗的条件。

3)铁磁材料磁导率的影响

当线圈靠近铁磁材料时,线圈磁场使铁磁材料中的磁畴方向逐渐平行于磁场方向,线圈磁通增加(达到B=μHB为磁通密度,μ为磁导率,H为磁场强度)从而增加线圈的电抗,见图9。铁磁材料中的电导率、线圈提离与涡流频率对线圈阻抗的影响与非铁磁材料的规律相似,见图10。从图中可以看出,提离引起阻抗的变化与非铁磁材料的方向相反。

 

4)材料缺陷的影响

涡流检测裂纹时采用阻抗图进行定性分析可以提供清晰的信号变化方向。例如在碳素钢上裂纹主要影响涡流强度、磁导率及线圈提离变化引起阻抗改变方向接近垂直,于是在碳素钢上容易检测裂纹,如图11所示。反之在非铁磁材料如铝合金上,裂纹信号是夹在导电与提离信号之间的,只有当裂纹较深时才容易分辨。一般地说,缺陷信号都具有突变的特征,而材料电导率与磁导率的变化相对来说比较缓慢。

5)线圈阻抗的特点

线圈与工件的提离对其阻抗影响很大,并且是一种干扰信号,应尽量地抑制它。检验铁磁材料时,线圈阻抗的电抗成分比检验非铁磁材料时线圈电抗大很多,特别是检测含铁素体的不锈钢焊缝与堆焊层时,局部铁素体含量变化对缺陷信号会产生干扰。线圈阻抗与电导率、磁导率、提离和励磁频率等参数间的关系均呈非线性函数的特点。因此,对每种线圈结构都要进行具体的数值分析才能达到提取有效缺陷信号的目的。

 

2. 缺陷信号的提取

2.1 涡流场的数字模拟

由前所述,缺陷信号是隐含在涡流电磁场中的,所以分析涡流场对线圈阻抗的影响是提取缺陷信号与复原缺陷形态的基础。但是除极简单的情况外,导体内电磁场参数间的函数关系还没有解析表达式。因此,目前均采用数字模拟技术来研究线圈阻抗、涡流磁场与缺陷参数间的关系,以达到优化线圈结构,选择合理的涡流频率与解释检验结果等目的。例如图12ab分别是采用二维模拟技术对称平线圈检测3个分层结构工件时得到的阻抗轨迹与两个导电层中的涡流密度分布。从图中可以看到,材料电导率与磁导率、间隙距离和线圈提离对阻抗影响的数值关系,以及两个导电层内涡流场的分布。

 

13是平线圈检测铁素体工件时,采用计算机三维数字模拟技术观察人工缺陷对涡流分布流线的影响。从图中可以看到在缺陷的两侧都有闭合的环流以及涡流缺陷表面与深度方向渗入的形态。通过改变材料性能、涡流频率与线圈尺寸等参数还可以观察涡流分布的变化,达到优化提取缺陷信号的目的。图14是镍铬合金管中应力腐蚀裂纹(SCC)的双带区有限元分析模型,用来模拟应力腐蚀裂纹中局部导电现象。其中内层导电带的电导率不为零,但是小于材料本身。环带宽d与环带电导率σO采用模型计算与测量确定,其结果见图15。由图中可见,其预计值与实测值非常接近。

 

从以上三个例子中可见,利用数字模拟技术研究涡流检测中的物理现象是一种行之有效的方法与发展的必然趋势。

2.2 线圈结构的有限元分析

目前,利用光刻技术开发微型阵列式线圈与超小型探头是一个重要的方向,如若对线圈与探头进行优化设计,可对单层或双层线圈模型进行有限元分析与数值计算。光刻线圈的设计类型与数字模型见表1。模拟的结果如图16与图17所示。从图中可以得出,双层收发型阵列式线圈结构BC对提离不敏感,并且有较好的信号相位分离特性。而单层收发型阵列式线圈除了结构D3外其它都有较好的性能,可做进一步开发与工程应用。上述例子表明,有限元分析与有限差分法分析同样是研究缺陷信号规律、预测线圈阻抗与优化线圈结构的可靠方法,目前已广泛地应用于工程设计与实际测量中。可以相信,未来甚至会出现功能更强与更加可靠的数字仿真软件来研究与解决涡流检测所面临的各种困难。

2.3 信号处理

为了更好地辩认与解释缺陷信号,需要对传感器测量到的原始数值作进一步的加工处理,以便于把信号的信噪比提高,能够清晰地反应到二维阻抗平面上或者在计算机的屏幕上绘制出缺陷的投影图形。

典型的信号处理过程如图18所示。从图中可以看出,由相位探测器输出的连续信号波形Xt)经过前置滤波去掉模拟信号中的噪声,再经模数转换器(A/D)把模拟量变换成数字量X(n),通过数字信号处理器进行处理后输送数字波形Y(n),再经过数模转换器(D/A)与模拟滤波器得到处理后的波形Y(t)

采用数字信号处理有以下优点:

1) 提高精度  模拟滤波器的精度很难超过10-3,数字系统的字长为14位时可达到10-4的精度。

2) 可靠性高  数字系统只有二值电平(O1),不受温度、噪声与电磁场的影响。

3) 频域广  可得到极低(<1Hz)到极高(>10MHz)频率的滤波功能。

4) 分时复用  现代的处理器速度非常高,一个通道数据的处理时间很短。因此,可以在同步信号的控制下,分时处理多通道的数据,例如4个通道以上的数据。

2.4 多频涡流

由频率对线圈阻抗影响的定性分析中可知,调整励磁频率可改变线圈阻抗与各参数间的函数关系,以便更好地分离缺陷信号。但是只有单一频率励磁,对于探头扫查过程中不断发生的线圈提离变化与其它参数的改变还是不能很容易地提取出有效的缺陷信号。因此,为了能够从两种以上的干扰信号中把它分离出来,可以采用多种不同的励磁频率来达到。例如图19中是一个典型的双频率检测系统。主频ƒO经分频后得到频率为ƒ1与ƒ2的励磁电压,通过功放同时加到差动线圈上。检测的信号经放大后由两个同步相位探测器输出,对应于频率ƒ1得到的阻抗相量分量为X1X2;对应于ƒ2得到另一阻抗相量分量为X3X4

4个已知相量分量中分离出缺陷信号类似于解联立方程。例如,设X1X4分量都与缺陷P1、线圈提离P2和铁素体含量P3等独立参数有关,如图20所示。于是得出:

    过去上述方程的解是通过电路完成的。目前,缺陷信号的分离处理过程可通过数字计算机更快捷、更精确地得到。

2.5 脉冲涡流

按照脉冲电子学理论,一个窄脉冲电压或电流含有很多不同频率的谐波分量,因此采用脉冲电压励磁线圈就包括了多频涡流检测的功能。另外对脉冲涡流磁场现象的分析是采用时间与信号幅度的方式,比阻抗相量法更容易,因此得到普遍的应用。线圈中的电流脉冲会在工件表面激发起涡流脉冲,该脉冲向工件深度方向传播(渗透),其强度是时间的函数。类似于雷达波传播的过程,强度也不断衰减且遇到目标时会产生反射。由于脉冲含有多种频率的谐波分量,不同频率的涡流分量其渗透深度不同,衰减也不同,低频成分可渗透到较深的区域,因此在脉冲的波形上能反应出随渗透深度而改变的特点。如果在波形上选择若干特征作为监测指标,则可以较容易地分离出缺陷信号,如图21所示。例如,取时间较早的t1点代表线圈提离,中间点t2既含有提离也包括缺陷的成分,而t3点与线圈提离无关,仅仅是缺陷的特征点等。当然面对一种特定的线圈结构,应当通过分析与试验手段选取特征点,才能达到提取缺陷信号的目的。

 

3. 焊缝的涡流检测技术

目前,焊缝的涡流检测主要采用多频涡流或脉冲涡流检测方法,并且已成功地应用于核反应堆中不锈钢管道焊缝与堆焊层缺陷的检测,同样也应用于海洋采油平台钢结构焊缝疲劳裂纹的检测以及油气输送管道内外壁腐蚀与裂纹的检测。

3.1 钢焊缝收发分离式线圈的涡流检测

如果采用发射与接收线圈分离的探头结构,因为铁磁材料的磁导率很大,因此可以选取两个线圈的间距s满足常状态下两者之间耦合很小的条件,见图22。但是当长而深的裂纹在探头的下面通过时,涡流环路会发生变形,涡流磁场强度也发生变化,促使两线圈之间通过涡流场增大耦合,从而增加接收线圈的输出电压。

1)分离线圈的信号

当频率为100kHz时,分离式线圈的裂纹信号与提离信号的相位差接近90°。裂纹信号主要是因电阻性涡流损耗的改变而引起的,信号幅度只与裂纹的深度和长度有关,几乎不发生相位角的变化。反之,线圈提离信号却逆时针旋转接近90°,如图23a所示。当收发线圈中心距s较大时,对深而长的表面裂纹非常灵敏,但对1mm左右的提离变化并不敏感,因此适合于检验带余高焊缝的表面裂纹。在不同线圈中心距的条件下,裂纹信号幅度与其深度和长度间的关系见图23b与图23c。由图中可见,线圈中心距与裂纹长度间存在一个最佳信号幅值区,例如s12mm时,对深度3mm的缺陷最大信号幅度出现在缺陷长度为15mm左右。裂纹信号还与线圈轴线和裂纹方向间的夹角θ有关,见图23d。当夹角θ增大时,信号幅度很快下降。

2)收发分离式线圈的阻抗图

由于分离式线圈的缺陷信号是接收线圈的输出电压,因此其阻抗图是按照归一化电压绘制的。图24表示检测碳素钢件时,接收线圈输出电压与频率和提离的关系,随着频率的提高,线圈输出电压的电抗成分下降,在100kHz左右最佳。经研究得出,可以采用无因次特征值Pc来表示线圈输出与各参数之间的关系,见式(4)。其中线圈中心距对Pc值影响最大,可见双线圈的设计其中心距是一个关键因素。 

式中──线圈间距(mm);

ƒ──检验频率(Hz);

μr──相对磁导率;

ρ──电阻率(Ω·cm)。

25表示出检测不锈钢件时接收线圈输出电压与频率和提离的关系,同样当频率大于10kHz时,随着频率的提高,线圈的输出电压下降。一般当Pc大于10时,几乎所有金属材料的阻抗轨迹曲线都很接近,甚至可以按照同一条曲线处理。

分离线圈式涡流探头已用在核容器支撑构件焊缝、接管焊缝与汽轮机轴中心孔等表面裂纹的检测上,由于探头的裂纹信号幅度不受焊缝余高的影响,因而取得了较好的效果。此外,这种探头还成功地用于不锈钢焊缝与铸造不锈钢粗晶阀体的检测。

3.2 钢焊缝的脉冲涡流检测

采用脉冲涡流可以检测铁素体钢焊缝,其原理是在线圈中建立起初始励磁电流与振荡的条件,然后在适当的瞬间切断励磁电路,于是线圈中的电流会通过一个高阻尼电阻另外形成回路,见图26a。这时伴随着线圈中储存电磁能量的释放,电流会出现峰值,与其对应也会产生电压峰值,随后呈现指数衰减,见图26b。当线圈的自身分布电容较大时,电压达到峰值后还可能产生振荡衰减,见图26c

可以利用场效应三极管实现脉冲电流的励磁与切断,其典型脉冲电路见图26d,励磁电流与线圈产生的电压波形见图26e。在图26e中,电压波形可划分为3个具有时间特征的模式段。时间模式段1的变化与材料性质有关,而峰值高度(时间模式段2)对材质的变化特别是裂纹的存在更加灵敏,以致不需要很大的放大就可以检测出峰值信号的变化。

如果把上述脉冲涡流检测的物理现象应用到铁素体钢焊缝裂纹的检测上,还应当把线圈提离与裂纹信号分开。试验已经证明,峰值后的时间长度(时间模式段3)只与线圈的提离有关。这样就可以利用高速峰值探测器来实现焊缝裂纹的检测。

1)脉冲信号分析

在人工缺口试样上对线圈提离与模式段3的延迟时间和缺口深度与时间模式段2的电压峰值测量结果见图27a。可见裂纹深度影响模式段2的峰值,而线圈的提离只改变模式段3的延迟时间。图27b给出了与上述关系对应的阻抗值与相位角的变化,从图中可以看出,线圈提离引起很大的相位角变化,而裂纹深度只影响阻抗的幅值,两者的变化方向是互相垂直的。

2)阵列探头

利用上述原理,在低碳钢焊缝脉冲涡流检测中采用的是多线圈阵列元件探头。它是由16个线圈组成的,每个线圈元件均可以上下自由滑动13.5mm的行程,以促成与焊缝余高变化有较好的浮动匹配。元件按照方阵排列,使其覆盖区较大,线圈都采用长18mm、直径1.7mm的铁心缠绕60匝而成,外面再用塑料管封装并由磷青铜弹簧保持其对焊缝表面的压力。元件的中心间距为6mm,探头中的各线圈元件都是单独励磁,以免形成各元件间的电磁耦合,典型的探头结构见图28

29给出了该探头在含有余高的低碳钢焊缝上,实际测量热影响区疲劳裂纹的结果。从图中可以看出,裂纹信号的峰值电压很高,线圈提离的变化只影响峰值后的延迟时间,两者很容易分开。

3.3 涡流检测在不锈钢堆焊层上的应用

核容器与石油加氢裂化容器不锈钢堆焊层的组织粗大,结晶方向性强。采用超声检测堆焊层内的缺陷与层下裂纹时,会出现较大的衰减与噪声干扰。反之,采用涡流检测比较成功,特别是检测8mm厚堆焊层与合金钢母材间的裂纹效果更好。

用调幅方式的多频涡流是基于低频成分能渗透到较大深度的原理。试验表明,频率为50kHz280kHz600kHz的高频绝对线圈探头,能较好地检测表面裂纹、表面轮廓与堆焊层内的铁素体含量。选择频率为500Hz2800Hz5000Hz的低频绝对线圈探头,可测量堆焊层的厚度。选用频率500Hz2800Hz5000Hz的低频绝对发射-差动接收双线圈探头,则能检测出堆焊层内缺陷、堆焊层与母材间的平面剥离和堆焊层下裂纹。经过优化的信号由融合算法可以分离与抑制堆焊层粗糙表面引起的提离信号与奥氏体堆焊层内局部铁素体含量变化引起的干扰信号。

30给出了一个典型的多频涡流检测硬件系统方框图。它具有单频或多频与线圈通道(4通道)的选择功能。提供频率范围达10Hz10MHz,相位选择范围0°~360°,最大增益达110dB0.5Hz10kHz的低通与高通滤波系统可分为42挡进行分级调节。该系统采用16位模数转换器(A/D)可提供高精度数字信号,通过串口与计算机通信。

系统的软件具有消除噪声、抑制线圈提离与铁素体含量等因素的干扰以及确定涡流信号性质等功能。采用非线性函数展开方式,按照最小平方吻合原理进行回归分析,对密集的和单独的涡流信号都可提取有关缺陷尺寸的信息,以确定缺陷尺寸与分布。此外,还可以管理检测参数的校准与标定,滤波系统的计算与在线信号融合分析以及缺陷的投影显示等功能。

 

 
 
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