脈沖渦流檢測中如何正確評估實際有效滲透深度

渦流檢測作為一種非接觸式無損檢測方法，具有操作簡單、檢測速度快、安全、缺陷檢出率高等特點，被廣泛運用在航空航天、船舶、核電、機械、建筑、冶金等領域。常規(guī)渦流檢測以單一頻率的正弦波作為激勵信號，通過對目標檢測區(qū)域內感應電壓幅值或相位的采集和分析來實現對表面及近表面缺陷的檢出。但是，上述單頻渦流檢測是穩(wěn)態(tài)式檢測方法，具有有效滲透深度小，頻譜范圍有限且對干擾信號敏感等缺點，限制了該方法的應用。相比于傳統(tǒng)單頻渦流檢測，脈沖渦流檢測具有頻譜范圍廣、感應信號豐富、檢測深度范圍廣、響應速度更快等優(yōu)勢，對感應電壓信號進行時域瞬態(tài)分析即可實現缺陷的檢測和評估。在脈沖渦流檢測中，標準滲透深度是影響檢測參數選擇的重要參考。但由于實際檢測過程受多方面因素的影響，其并非簡單的一維渦流問題，利用理論計算的標準滲透深度來評估實際有效滲透深度會產生嚴重的偏差，影響包括檢測頻率等在內的關鍵檢測參數的選擇，進而影響缺陷的檢出率。中國核動力研究設計院的研究人員針對工業(yè)上常用的奧氏體不銹鋼，開展了脈沖渦流標準滲透深度的理論計算與實際有效滲透深度的試驗測定，將計算結果與試驗結果進行了對比，分析了理論值與實際值產生偏差的原因，為實際檢測的參數優(yōu)化與數據分析提供了參考。01滲透深度計算方法脈沖渦流的標準滲透深度直接關系到渦流能否有效穿透到缺陷所在位置，進而實現有效檢出。與常規(guī)單頻渦流不同，脈沖渦流激勵信號(方波)是基波和許多諧波的組合，利用傅里葉展開可表示為：式中：A0為信號直流分量；Фn為相位；基頻ω1=2πf1，f1為與基準角頻率ω1對應的基準頻率；An為振幅譜；n=1，2，…；V為方波信號的幅值；k為方波信號的占空比。選擇脈沖寬度及周期滿足T=2Δ(Δ為脈沖寬度)的脈沖信號，則激勵信號所有頻率分量可表示為：常規(guī)單頻渦流檢測的標準滲透深度可表示為：式中：f為正弦激勵信號的頻率；μ和σ分別為導體的磁導率和電導率。將式(3)代入式(4)中，當n=1，占空比為50%時，可以得到脈沖渦流的標準滲透深度δPW為：02滲透深度測定試驗1脈沖渦流檢測系統(tǒng)圖1脈沖渦流檢測系統(tǒng)框架示意脈沖渦流檢測系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器、差分放大器、探頭以及計算機等組成。系統(tǒng)實施檢測時，信號發(fā)生器產生方波電壓信號，經功率放大器放大后驅動檢測探頭激勵線圈，同時由檢測探頭的接收線圈對產生的交變電磁場進行檢測，信號經放大后被采集，最后由計算機分析處理。試驗的脈沖渦流檢測探頭為一發(fā)一收式探頭，即該探頭由獨立的激勵線圈(180匝)和檢測線圈(2300匝)構成。待測試樣尺寸(長×寬)為300mm×165mm的304不銹鋼板，設置3種厚度H，分別為5，10，15mm，電導率σ為1.39×106S/m，磁導率μ為4π×10-7H/m。在試樣S1面加工有尺寸為15mm×2mm(直徑×深度)的平底孔(見圖2)，將脈沖渦流探頭放置于S2面進行掃查。若脈沖渦流檢測信號能夠有效表征該平底孔，則有效滲透深度可視為與板厚相當。圖2試樣結構示意試驗中激勵信號的脈沖寬度為5ms，頻率為100Hz，由式(5)計算得出其標準滲透深度為42.7mm。脈沖渦流掃查區(qū)域示意如圖3所示，其中，D區(qū)域尺寸(長×寬)為50mm×50mm，平底孔位于D區(qū)域中心。圖3

脈沖渦流掃查區(qū)域示意采用探頭對D區(qū)域進行線掃查和面掃查，得到的典型脈沖渦流響應信號及其典型特征如圖4所示。在脈沖渦流響應信號的諸多特征值中，主峰幅值特征在減薄缺陷的檢測中應用較多，因此選取主峰幅值作為脈沖渦流滲透深度的判定指標。圖4脈沖渦流響應信號及其典型特征2線掃結果分析將線掃主峰幅值按照式(6)進行歸一化：y=(x－xmin)/(xmin－xmax)

(6)式中：y為歸一化處理后的特征量；x為歸一化處理前的特征量；xmax為樣本數據的最大值；xmin為樣本數據的最小值。圖5不同厚度試樣的歸一化線掃主峰幅值分布由圖5可知，當H=5mm時，曲線平滑，信噪比較好，平底孔區(qū)域與非平底孔區(qū)域信號的差異顯著；H=10mm時，曲線與H=5mm時的較為接近，雖然在掃查起始位置處出現一定波動，但平底孔特征仍然明顯；H=15mm時，曲線存在嚴重的不規(guī)則跳變且分布雜亂，信噪比較低，難以辨別出平底孔的位置。線掃結果表明：在該試驗條件下，脈沖渦流對304不銹鋼板的有效滲透深度在10~15mm之間?？紤]此次線掃描中采樣間距較大，可能會影響信號特征值的表征能力，因此對試板進行面掃查，獲取主峰幅值的空間分布云圖來論證脈沖渦流的有效滲透深度。3面掃結果分析不同厚度試樣的面掃主峰幅值二維分布如圖6所示，其中x,y軸表示位置距離。當H=5mm時，主峰幅值分布如圖6(a)所示，可見無缺陷區(qū)域主峰幅值分布較為均勻，且在平底孔區(qū)域內主峰幅值從圓心向四周逐漸降低，底面邊界明顯；根據主峰幅值分布可以大致判斷平底孔的直徑為15mm左右；當H=10mm時，主峰幅值分布如圖6(b)所示，與H=5mm時的分布圖相比較，無缺陷區(qū)域色階分布不均勻，平底孔區(qū)域輪廓模糊，且無法觀測出平底孔缺陷區(qū)域的尺寸，但從圖中能大致判斷平底孔缺陷的分布位置；當H=15mm時，主峰幅值分布如圖6(c)所示，此時平底孔區(qū)域的主峰幅值與其他區(qū)域的無明顯區(qū)別，無法根據主峰幅值辨識出平底孔的形狀。上述分析表明：在當前試驗條件下，脈沖渦流對奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度可達到10mm，無法達到15mm。圖6不同厚度試樣的面掃主峰幅值二維分布綜合線掃和面掃結果可知，在試驗條件下，脈沖渦流對奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度不超過15mm，遠小于理論計算值42.7mm，可能原因如下所述：1在脈沖渦流實際檢測過程中，線圈形狀及結構參數與被檢試件中的渦流分布狀態(tài)密切相關，為了獲得滿足要求的渦流滲透深度，還需要對線圈結構和形狀進行適當的調節(jié)及優(yōu)化。2奧氏體不銹鋼在生產及加工的過程中，由于偏析、熱處理不當、冷軋、冷作硬化等原因，會在母材內產生一定量的鐵素體及形變，誘發(fā)馬氏體，造成奧氏體不銹鋼試板具有一定的鐵磁性。

3試驗選用的奧氏體不銹鋼為冷軋鋼板，在其軋制及平底孔加工的過程中晶體點陣會產生畸變和缺陷，同時誘發(fā)材料應力狀態(tài)的改變，從而導致材料電導率發(fā)生變化?！?/p>

結論★1當鋼板厚度為5mm和10mm時，基于脈沖渦流信號的主峰幅值可以有效識別出平底孔缺陷；當鋼板厚度增加到15mm時，無法辨識出平底孔缺陷。結果表明，在當前試驗條件下，脈沖渦流對奧氏體不銹鋼板的有效滲透深度不超過15mm。2試驗測定的脈沖渦流有效滲透深度遠小于