脈沖渦流新應(yīng)用：復(fù)合金屬層材料鑒別

渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種非接觸式無(wú)損檢測(cè)方法，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、安全等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)主要用于檢測(cè)導(dǎo)電材料表面或近表面的傷痕，還可以用來(lái)對(duì)金屬材料種類、合金成分、材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、熱處理狀態(tài)、硬度以及力學(xué)性能等進(jìn)行鑒別。例如馬鋼高線廠線材混號(hào)的分選，在役電力變壓器導(dǎo)線材料的快速識(shí)別，甚至還有適用于自動(dòng)售貨機(jī)、無(wú)人公交車的硬幣渦流識(shí)別系統(tǒng)，可以對(duì)第5套硬幣有效識(shí)別。上述這些研究成果采用的都是常規(guī)渦流檢測(cè)，即以單一頻率的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，通過對(duì)目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的感應(yīng)電壓幅值或相位進(jìn)行采集和分析，在近表面實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的鑒別，在單層金屬的識(shí)別中實(shí)現(xiàn)了較好的應(yīng)用。目前，石油工業(yè)的原油傳輸管道常采用雙層復(fù)合金屬管，在管道出廠及工程安裝現(xiàn)場(chǎng)的管理中需要對(duì)管道的材料進(jìn)行鑒別。常規(guī)渦流檢測(cè)在單層金屬的檢測(cè)中適應(yīng)性較好，但是由于其檢測(cè)深度淺、頻譜范圍有限，且對(duì)干擾信號(hào)敏感，在石油雙層復(fù)合金屬管的應(yīng)用中存在一定的局限性。相比于常規(guī)單頻渦流，脈沖渦流具有頻譜范圍廣、感應(yīng)信號(hào)豐富、檢測(cè)深度深、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，只要對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行時(shí)域瞬態(tài)分析就可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和評(píng)估。該技術(shù)在大壁厚結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。鑒于脈沖渦流具有可穿透大壁厚金屬層的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的技術(shù)人員提出采用脈沖渦流技術(shù)對(duì)石油雙層復(fù)合金屬管進(jìn)行材料鑒別，針對(duì)不銹鋼包覆銅、鐵、鋁模擬復(fù)合金屬層的試樣開展脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析，以期為雙層復(fù)合金屬管的材料鑒別提供有效手段。脈沖渦流檢測(cè)原理圖1脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)示意脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)探頭、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)接收模塊、采集模塊和上位機(jī)監(jiān)控軟件等組成。采用脈沖渦流系統(tǒng)對(duì)復(fù)合金屬層進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要具有一定占空比的寬帶方波脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)檢測(cè)探頭激勵(lì)線圈；受激勵(lì)線圈磁場(chǎng)B0的作用，包覆金屬層A和待檢測(cè)被包覆金屬層B中均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而渦流的分布、密度、流動(dòng)形式受到激磁條件（如激勵(lì)線圈的形狀、尺寸、交流電流的頻率等）、金屬層A和B自身的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀與尺寸等多種因素的影響；感應(yīng)產(chǎn)生的渦流會(huì)分別形成與原磁場(chǎng)方向B0相反的磁場(chǎng)B1和B2，使通過檢測(cè)線圈的磁通發(fā)生變化，則脈沖渦流響應(yīng)磁場(chǎng)B是三部分磁場(chǎng)的疊加，即：B=B0+B1+B2B0只取決于檢測(cè)環(huán)境以及激磁條件，B1和B2受金屬層A和B的材料及其幾何尺寸的影響。實(shí)際檢測(cè)中，疊加磁場(chǎng)B在檢測(cè)線圈中引起電參數(shù)的變化即為脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)。該信號(hào)由檢測(cè)探頭的接收線圈檢測(cè)到，經(jīng)放大后被采集。信號(hào)中包含了金屬層A和待檢測(cè)金屬層B的相關(guān)信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析并提取相關(guān)特征可以用于金屬層B的材料區(qū)分。脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)圖2復(fù)合金屬層試樣結(jié)構(gòu)示意復(fù)合金屬層試樣長(zhǎng)200mm，寬200mm，金屬層A厚1.5mm，材料為304不銹鋼，其電導(dǎo)率為1.39×106S/m，磁導(dǎo)率為4π×10-7H/m（試驗(yàn)中采用的304不銹鋼板帶有微弱磁性，因此相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)略大于1）。待測(cè)金屬層B厚5mm，材料分別為銅、鐵、鋁，其中銅的電導(dǎo)率為5.7×107S/m，磁導(dǎo)率為4π×10-7H/m；鐵的電導(dǎo)率為9.9×106S/m，磁導(dǎo)率為2.4×10-4H/m；鋁的電導(dǎo)率為3.5×107S/m，磁導(dǎo)率為4π×10-7H/m。試驗(yàn)采用的脈沖渦流檢測(cè)探頭為一發(fā)一收式探頭，即該探頭由獨(dú)立的激勵(lì)線圈（180匝）和檢測(cè)線圈（2300匝）構(gòu)成，探頭中心間距為20mm。脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度是檢測(cè)中極為重要的參數(shù)之一，其直接關(guān)系到渦流能否有效穿透包覆金屬層A并抵達(dá)待測(cè)金屬層B，從而實(shí)現(xiàn)有效檢出。脈沖渦流激勵(lì)信號(hào)（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(hào)直流分量；Φn為相位，n=1,2,…；基頻ω1=2πf1；An為振幅譜。當(dāng)n=1，占空比為50%時(shí)，An在基頻上取最大值，保證了脈沖信號(hào)的信噪比，此時(shí)可以得到脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δPW為：式中：Δ為脈沖寬度；σ為電導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度設(shè)置為5ms，頻率設(shè)置為100Hz，由上式可計(jì)算得其標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為42.7mm。結(jié)果表明，脈沖渦流對(duì)試驗(yàn)中采用的304不銹鋼板的有效檢測(cè)深度不超過15mm，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值42.7mm，原因可能有，在脈沖渦流實(shí)際檢測(cè)過程中，不銹鋼加工工藝的差異影響了不銹鋼的性能，線圈形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)影響了不銹鋼板中的渦流分布狀態(tài)，最終導(dǎo)致渦流滲透深度發(fā)生變化。304不銹鋼在生產(chǎn)及加工過程中，受偏析、熱處理不當(dāng)、冷軋、冷作硬化等因素的影響，在母材內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定量的鐵素體及形變誘發(fā)馬氏體，造成304不銹鋼試板具有一定鐵磁性；試驗(yàn)選用的304不銹鋼為冷軋鋼板，在軋制及平底孔加工過程中，晶體點(diǎn)陣易發(fā)生畸變，同時(shí)引起材料應(yīng)力狀態(tài)的改變，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率發(fā)生變化。采用脈沖渦流探頭在試樣304不銹鋼包覆層上進(jìn)行隨機(jī)掃描試驗(yàn)，得到的典型脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)及特征如圖3所示。圖3典型脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)及其特征目前在利用脈沖渦流對(duì)多層金屬結(jié)構(gòu)的裂紋進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要采用主峰幅值、主峰面積、過零時(shí)間及衰減時(shí)間對(duì)裂紋的深度和尺寸進(jìn)行表征。因此，選取這4種典型的脈沖渦流信號(hào)特征量，分析304不銹鋼包覆層下銅、鐵、鋁3種金屬的信號(hào)特征差異，尋找出區(qū)分3種金屬材料的特征參量。圖43種試樣的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)及其特征由圖4可知，由于鐵的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于銅和鋁，所以其脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)烈，鐵試樣的主峰幅值明顯高于銅和鋁試樣，主峰幅值可作為區(qū)分鐵磁性材料和非鐵磁性材料的直接特征。對(duì)每種試樣分別隨機(jī)采集50次響應(yīng)信號(hào)，提取信號(hào)的峰值幅值、主峰面積、過零時(shí)間和衰減時(shí)間4個(gè)特征，分布規(guī)律如圖5所示，可見隨機(jī)采集數(shù)據(jù)的各個(gè)特征值波動(dòng)