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(中國工程物理研究院 材料研究所,江油 621908)
渦流檢測(cè)技術(shù)起源于19世紀(jì),現(xiàn)在是常用的無損檢測(cè)方法之一,適用于檢測(cè)導(dǎo)體表面或近表面的宏觀缺陷[1]。但是,由于電磁場(chǎng)的趨膚效應(yīng),用常規(guī)的感應(yīng)線圈法難以檢查出導(dǎo)體深層的缺陷,這是因?yàn)殡S著電磁場(chǎng)頻率的降低,趨膚效應(yīng)穿透深度增加,但感應(yīng)線圈的靈敏度卻隨之下降。因此,新的用于檢測(cè)導(dǎo)體深層缺陷的渦流檢測(cè)法選用巨磁阻(Giant Magneto-Resistive, GMR)探頭[2-4]、超導(dǎo)量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)[5-9]、磁通門磁強(qiáng)計(jì)(Flux-Gate Magnetometer)[10-11]等低頻靈敏度更高的磁場(chǎng)測(cè)量工具。經(jīng)典電磁場(chǎng)理論表明,平面電磁波趨膚效應(yīng)的穿透深度為
(1)
式中:ρ為電阻率;μ為磁導(dǎo)率;f為電磁場(chǎng)頻率。
如果激勵(lì)場(chǎng)為平面波,那么其在無限大導(dǎo)體平板內(nèi)部的渦流按exp(-z/δ)因子指數(shù)衰減,其中z為導(dǎo)體內(nèi)部深度。在實(shí)際的渦流檢測(cè)中,激勵(lì)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)更接近于磁偶極場(chǎng)而不是電磁場(chǎng)平面波,趨膚效應(yīng)的指數(shù)因子疊加上偶極場(chǎng)的距離衰減因子,實(shí)際上電磁場(chǎng)衰減得更快,有效穿透深度比式(1)更小[12]。用平面波模型計(jì)算,對(duì)于電阻率約為4.0×10-8Ω·m的6061鋁合金,10 kHz電磁場(chǎng)的穿透深度約為1 mm,100 Hz電磁場(chǎng)的穿透深度約為10 mm。對(duì)于電阻率約為7.2×10-7Ω·m的不銹鋼,傳統(tǒng)渦流檢測(cè)(使用感應(yīng)線圈)的典型檢測(cè)頻率是200 kHz,對(duì)應(yīng)的穿透深度約為1 mm,因此想用渦流檢測(cè)法檢測(cè)幾毫米以上深度的缺陷,必須大幅降低檢測(cè)頻率。
SMITH等[2]用GMR陣列檢測(cè)鋁板底部的缺陷,檢測(cè)頻率為8 kHz~20 kHz,其優(yōu)點(diǎn)是GMR做成陣列之后集成在芯片上,可以同時(shí)得到多個(gè)點(diǎn)的渦流信息,檢測(cè)速度大幅提高,但其選擇的檢測(cè)頻率偏高,檢測(cè)深度為1.6~2 mm。DOGARU等[3]用GMR探頭檢測(cè)了鋁板緊固孔周邊的裂紋式缺陷,這類缺陷是緊固孔周圍常見的缺陷,容易導(dǎo)致部件破損甚至發(fā)生事故,其采用了自指零的檢測(cè)方法(即將無缺陷樣品上的檢測(cè)信號(hào)作為零點(diǎn),將有缺陷樣品上的檢測(cè)信號(hào)用差分法減去無缺陷樣品的信號(hào),即可凸顯缺陷的信號(hào)),用圓周掃描的方式檢測(cè)緊固孔周邊的裂紋缺陷,檢測(cè)頻率為200 Hz,可以檢測(cè)到深達(dá)13 mm的裂紋缺陷。但這種圓周掃描法只適用于預(yù)先知道孔中心位置的情況,如果孔的上方覆蓋了鋁板,不知道缺陷的具體位置,就只能用線性掃描的方法檢測(cè)一列10個(gè)孔,以成功分辨出有缺陷的孔,孔上方可覆蓋厚度為3.2 mm的鋁板,檢測(cè)深度為4.8 mm。NAIR等[4]采用同相正交法用GMR探頭快速檢測(cè)了飛機(jī)結(jié)構(gòu),檢測(cè)深度雖然只有2.5 mm,但同相正交法能快速處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描,檢測(cè)速度達(dá)到10 mm·s-1,摒棄了傳統(tǒng)掃描方法必須逐點(diǎn)掃描,并且在每一個(gè)點(diǎn)上停留足夠時(shí)間的缺點(diǎn),同時(shí)該方法能提高圖像分辨率,適用于飛機(jī)檢測(cè)這種場(chǎng)合。GMR探頭在渦流檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)是探頭體積小、可以集成陣列和檢測(cè)速度快。
SQUID在渦流檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)是磁場(chǎng)靈敏度高、檢測(cè)深度大。ZHONG等[5]直接利用掃描SQUID顯微鏡(低溫SQUID)平臺(tái),并未針對(duì)渦流檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化,僅僅增加了激勵(lì)線圈,對(duì)鋁板的檢測(cè)深度就能很容易地達(dá)到4.2 mm,得到磁場(chǎng)幅值的一維分布曲線,其中檢測(cè)頻率為350 Hz。NAGENDRAN等[6]同樣使用了低溫SQUID,但同時(shí)使用了軸向梯度計(jì),其檢測(cè)頻率在33~853 Hz之間調(diào)節(jié),針對(duì)不同的檢測(cè)深度進(jìn)行優(yōu)化,鋁板的檢測(cè)深度可達(dá)14 mm,同樣得到磁場(chǎng)幅值的一維分布曲線。KAWANO等[7-8]利用高溫SQUID平面梯度計(jì),優(yōu)化了梯度計(jì)的基線長度,調(diào)節(jié)了檢測(cè)頻率,在基線長度為1 mm,檢測(cè)頻率為200 Hz時(shí),鋁板的檢測(cè)深度可達(dá)20 mm,當(dāng)基線長度為8.5 mm,檢測(cè)頻率為35 Hz時(shí),檢測(cè)深度達(dá)到了38 mm,但其對(duì)缺陷的檢測(cè)仍是基于得到磁場(chǎng)幅值的一維分布曲線進(jìn)行的。SQUID的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)深度大,缺點(diǎn)是需要使用液氮甚至液氦,且必須在磁屏蔽室內(nèi)工作(高溫SQUID)或使用具備磁屏蔽功能的軸向梯度計(jì)(低溫SQUID),設(shè)備比較龐大,使用不方便。
磁通門磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度略高于GMR探頭的靈敏度,而且磁通門磁強(qiáng)計(jì)體積較小(遠(yuǎn)小于使用液氮、液氦的SQUID設(shè)備整體,但大于GMR探頭),無需磁屏蔽,但其在渦流檢測(cè)中的應(yīng)用相對(duì)比較冷門,發(fā)展水平也不如GMR和SQUID,因此需要更深入的研究。VERTESY等[10]設(shè)計(jì)了一種磁通門探頭,并將其用于渦流檢測(cè),檢測(cè)頻率為千赫茲級(jí)別,檢測(cè)材料為鎳基合金Inconel600,檢測(cè)深度為1.25 mm。磁通門磁強(qiáng)計(jì)采用二維掃描的方法,得到了磁場(chǎng)幅值的二維分布圖。雖然其檢測(cè)深度看似較小,但被測(cè)材料為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基合金,具有較高的應(yīng)用價(jià)值,而且鎳基合金的磁導(dǎo)率較高,也會(huì)大幅削減渦流穿透深度。FUJITA等[13]利用磁通門探頭對(duì)鐵磁性的SS400鋼板進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)頻率為40 Hz~2 kHz,其同樣受限于鐵磁材料的磁導(dǎo)率對(duì)渦流穿透深度的削減作用,最大檢測(cè)深度為2 mm。由于類似磁性鋼板的日常應(yīng)用十分廣泛,所以該研究比較有應(yīng)用價(jià)值。GASPARICS等[11]利用磁通門探頭檢測(cè)渦流磁場(chǎng)的水平分量(通常都是檢測(cè)垂直于被測(cè)平面的分量),被測(cè)樣品為波音公司的標(biāo)準(zhǔn)樣品NDT396,該樣品的總厚度為1.8 mm,看似不厚,但卻直接應(yīng)用于航空領(lǐng)域,具有廣泛的前景。根據(jù)該樣品的厚度,文獻(xiàn)采用了1 kHz的檢測(cè)頻率,得到了比較清晰的磁場(chǎng)平行分量幅值的二維分布圖像。
磁通門磁強(qiáng)計(jì)與GMR探頭、SQUID相比具有自身的優(yōu)勢(shì),然而在深層渦流檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用還較少,筆者在該領(lǐng)域展開了研究,探索了磁通門磁強(qiáng)計(jì)在渦流檢測(cè)中的應(yīng)用前景。
使用的磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭為Bartington Mag-13三分量探頭,探頭在1 Hz下的標(biāo)稱磁場(chǎng)噪聲譜密度的幅度有效值為4×10-12T,主機(jī)型號(hào)為CH-330F,最小分辨力為0.01 nT,量程為10-5T和10-4T兩檔,兩檔的最小分辨力不同,10-5T檔的分辨力達(dá)0.01 nT,10-4T檔的分辨力只有0.1 nT。
在無屏蔽環(huán)境下,由于地磁場(chǎng)幅度約為5×10-5T,因此只能使用10-4T這一檔,此時(shí)的分辨力為0.1 nT。實(shí)際上環(huán)境和電子設(shè)備所產(chǎn)生的總體噪聲,反映到磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果大約為1 nT的量級(jí)。磁通門磁強(qiáng)計(jì)輸出模擬信號(hào),經(jīng)過Zurich HF2鎖相放大器的解調(diào),輸出相應(yīng)頻率的磁場(chǎng)分量幅值,由計(jì)算機(jī)采集處理。磁通門磁強(qiáng)計(jì)深層渦流檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
由圖1可知,預(yù)制缺陷的樣品放在二維平臺(tái)上,由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行掃描,磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭與激勵(lì)線圈安裝在測(cè)量架上,其中探頭測(cè)量平行于樣品平面的磁場(chǎng)分量,激勵(lì)線圈是螺線管空心線圈,安裝在探頭下方,與一個(gè)可調(diào)節(jié)橫向位置的螺桿相連,目的是在測(cè)量前調(diào)節(jié)線圈位置,使激勵(lì)線圈的中心對(duì)準(zhǔn)探頭的測(cè)量中心,此時(shí)激勵(lì)磁場(chǎng)的平行分量應(yīng)當(dāng)為零,這種設(shè)計(jì)能很好地排除激勵(lì)線圈本底磁場(chǎng)的影響。
圖1 磁通門磁強(qiáng)計(jì)深層渦流檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意
磁場(chǎng)平行分量法渦流檢測(cè)原理示意如圖2所示,其特點(diǎn)是:將交變磁場(chǎng)分為激勵(lì)線圈產(chǎn)生的本底磁場(chǎng)與樣品渦流產(chǎn)生的樣品磁場(chǎng)兩個(gè)部分,調(diào)節(jié)激勵(lì)線圈的相對(duì)位置,使線圈中心對(duì)準(zhǔn)探頭測(cè)量中心。由于本底磁場(chǎng)在中心點(diǎn)處沿y方向,而探頭測(cè)量的是z方向分量,理論上無論激勵(lì)線圈的電流多大,只要線圈嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)探頭測(cè)量中心,探頭測(cè)得的本底磁場(chǎng)始終為0,而樣品磁場(chǎng)卻存在z方向分量,可以被探頭測(cè)得,因此這種方法能排除強(qiáng)大的本底磁場(chǎng),僅測(cè)量樣品的渦流磁場(chǎng)。如果探頭、線圈嚴(yán)格對(duì)齊,線圈平面與樣品平面完全平行,那么理論上可以通過無限提高激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度來提高樣品的渦流磁場(chǎng)強(qiáng)度,卻不受本底磁場(chǎng)的影響,從而提高了信噪比。當(dāng)然,在實(shí)際檢測(cè)中,可能會(huì)因?yàn)椴荒軐?duì)齊、樣品與探頭和線圈不平行、樣品并非無限大平板、樣品是曲面等原因而產(chǎn)生偏差,但這種方法仍然可以實(shí)現(xiàn)較大的檢測(cè)深度。
圖2 磁場(chǎng)平行分量法渦流檢測(cè)原理示意
預(yù)制缺陷樣品為規(guī)格(長×寬×高)為200 mm×200 mm×2 mm的6061鋁合金板,預(yù)制穿透鋁板的線形和十字形缺陷,縫寬均為1 mm,長度為80 mm,預(yù)制缺陷鋁板樣品外觀如圖3所示。樣品上方放置多層200 mm×200 mm×2 mm的6061鋁合金平板,測(cè)試磁通門磁強(qiáng)計(jì)深層渦流檢測(cè)裝置對(duì)鋁板一定深度下預(yù)制缺陷的檢測(cè)能力。
圖3 預(yù)制缺陷鋁板樣品外觀
激勵(lì)線圈為圓形空心螺線管,有500匝線圈,外徑為25 mm,內(nèi)徑為20 mm,高度為6 mm,由于信號(hào)發(fā)生器輸出電壓、電流的限制,在此線圈上可施加的正弦波的最大電流為30 mA。Zurich HF2鎖相放大器在檢波時(shí),由于過低頻率下的鎖定性能較差,輸出信號(hào)波動(dòng)很大,因此選擇的最低頻率為72 Hz,在該頻率下工作比較穩(wěn)定。其電阻率約為4.0×10-8Ω·m,相應(yīng)頻率的穿透深度約為11.8 mm。
將預(yù)制缺陷樣品、鋁平板放在二維平臺(tái)上,調(diào)節(jié)樣品位置,使其中心對(duì)準(zhǔn)線圈的正下方,然后啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器,輸出峰值為30 mA的正弦波電流信號(hào)。頻率為72 Hz,啟動(dòng)磁通門磁強(qiáng)計(jì),平行分量的磁場(chǎng)信號(hào)輸入HF2鎖相放大器,經(jīng)過檢波得到72 Hz頻率下的信號(hào)幅值,最后輸入至計(jì)算機(jī)采集卡,由計(jì)算機(jī)控制二維平臺(tái)進(jìn)行掃描檢測(cè),得到渦流磁場(chǎng)平行分量幅值的二維分布圖像。
將圖3所示樣品放在二維平臺(tái)上,樣品上方放置厚度范圍為4~14 mm的多層鋁板(每層鋁板厚2 mm),然后在鋁板上方用磁通門磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)渦流信號(hào)。當(dāng)樣品為圖3中左邊的線缺陷鋁板時(shí),測(cè)得渦流磁場(chǎng)平行分量的二維圖像如圖4所示。
由圖4可知,80 mm長的線缺陷平行于y軸,磁通門磁強(qiáng)計(jì)可以隔著厚度為14 mm內(nèi)的鋁板測(cè)得缺陷產(chǎn)生的渦流信號(hào),當(dāng)缺陷分別位于測(cè)量中心正下方的左邊和右邊時(shí),缺陷產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化量的方向相反,由于鎖相放大器已經(jīng)鎖住相位,所以磁場(chǎng)圖像應(yīng)當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)波峰和波谷,多個(gè)文獻(xiàn)中的渦流檢測(cè)圖像都反映了類似的性質(zhì)[5-6,8,10]。隨著覆蓋鋁板厚度的增加,渦流磁場(chǎng)分量的信號(hào)幅值逐漸減小,但仍保持一個(gè)波峰和一個(gè)波谷的特征,可以清晰地辨認(rèn)出多層鋁板下方存在一個(gè)線缺陷,同時(shí)噪聲也隨著鋁板厚度的增加而明顯增加,圖像的平滑度降低,這里噪聲的數(shù)量級(jí)約為1 nT。當(dāng)覆蓋的鋁板厚度達(dá)到16 mm甚至更高的時(shí)候,磁場(chǎng)圖像中很難辨認(rèn)出線缺陷的特征,這說明上述設(shè)備對(duì)鋁板的最大檢測(cè)深度應(yīng)當(dāng)在14~16 mm之間。如果要進(jìn)一步提高檢測(cè)深度,可以通過降低電路噪聲、增加激勵(lì)線圈的匝數(shù)和電流的方式來實(shí)現(xiàn)。
將樣品換成圖3右邊的十字形缺陷鋁板,上方覆蓋厚度范圍為4~14 mm的多層鋁板,再次檢測(cè),得到渦流磁場(chǎng)平行分量的二維圖像如圖5所示。
圖4 不同厚度鋁板覆蓋下線缺陷樣品的渦流磁場(chǎng)平行分量二維分布
圖5 不同厚度鋁板覆蓋下十字形缺陷樣品的渦流磁場(chǎng)平行分量二維分布
理論上,螺線管激勵(lì)線圈在十字形預(yù)制缺陷金屬板上產(chǎn)生渦流,當(dāng)線圈位于十字對(duì)角線上的時(shí)候應(yīng)當(dāng)存在極大值。如圖5 (a)所示,圖像上存在兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷,驗(yàn)證了這種說法,因此波峰波谷的中心應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)十字形的中心。實(shí)際測(cè)量的圖像中,右上角的波谷幅度較小,而下方也疑似出現(xiàn)新的波峰,這可能是由樣品表面與線圈平面、探頭的x方向不平行引起的,這個(gè)波峰不應(yīng)看成十字形缺陷的磁場(chǎng)圖像特征。隨著覆蓋鋁板厚度的不斷增加,十字形缺陷的渦流磁場(chǎng)信號(hào)不斷減弱,而下方的波峰相對(duì)于四極分布的缺陷渦流磁場(chǎng)信號(hào)越來越明顯,并不隨著鋁板厚度的增加而減弱,驗(yàn)證了這種猜測(cè)。此外,隨著鋁板厚度的增加,缺陷渦流磁場(chǎng)圖像的面積也越來越大,當(dāng)缺陷深度達(dá)14 mm時(shí),當(dāng)前儀器的掃描范圍也受到限制,磁場(chǎng)圖像已經(jīng)無法顯示十字形缺陷圖像特征的全貌,但圖像還是比較清晰的,能判斷出下方存在明顯的缺陷,這說明該設(shè)備和方法對(duì)鋁板深層缺陷的檢測(cè)深度能達(dá)到14 mm。噪聲的數(shù)量級(jí)達(dá)到1 nT,與圖4結(jié)果保持一致。
對(duì)圖4,5中缺陷的渦流磁場(chǎng)變化幅度(峰-谷值)隨深度的變化進(jìn)行分析,由于趨膚效應(yīng),導(dǎo)體深層渦流密度隨著深度的增加而指數(shù)下降,除此之外,根據(jù)偶極磁場(chǎng)隨距離的衰減規(guī)律,即使不是導(dǎo)體介質(zhì),磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨著距離的增加而下降,因此缺陷產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)隨深度增加而衰減的速率會(huì)比單純平面波的趨膚效應(yīng)時(shí)的衰減速率更大。而且,考慮到激勵(lì)線圈的電磁場(chǎng)進(jìn)入導(dǎo)體后,遇到缺陷再反射回來,最后被探頭測(cè)得,實(shí)際上經(jīng)過了兩倍的路徑,因此應(yīng)當(dāng)用exp(-2z/δeff)的因子來描述衰減速率,δeff為等效穿透深度。將缺陷信號(hào)的渦流磁場(chǎng)幅度與缺陷深度的關(guān)系繪制成曲線(見圖6)。
圖6 不同缺陷樣品渦流磁場(chǎng)幅度與缺陷深度的關(guān)系曲線
由圖6可知,渦流磁場(chǎng)幅度隨缺陷深度的增加而呈指數(shù)衰減,圖6(a)中線缺陷樣品的δeff約為7.6 mm,其衰減速率遠(yuǎn)大于平面波趨膚效應(yīng)時(shí)的衰減速率,這說明除了趨膚效應(yīng)外,可能存在其他引起衰減的原因,如偶極磁場(chǎng)的衰減;圖6(b)中十字形缺陷樣品的δeff約為11.6 mm,接近平面波趨膚效應(yīng)的理論穿透深度為11.8 mm的衰減速率,小于線缺陷渦流磁場(chǎng)的衰減速率。造成二者差異的原因可能是線缺陷僅能從一個(gè)方向上對(duì)渦流分布進(jìn)行約束和改變,從而改變磁場(chǎng),當(dāng)缺陷深度增加時(shí),渦流分布面積迅速擴(kuò)大;而十字形缺陷在xy方向上均能對(duì)渦流分布進(jìn)行約束,當(dāng)缺陷深度增加時(shí),渦流分布面積的擴(kuò)大受阻,渦流密度相比線缺陷時(shí)的渦流密度更加集中,磁場(chǎng)改變的幅度也增大,隨深度增加的衰減速率減小。
比較線缺陷樣品與十字形缺陷樣品的渦流磁場(chǎng)幅度,當(dāng)缺陷深度為2 mm時(shí),線缺陷的渦流磁場(chǎng)幅度為5.9×10-8T,十字形缺陷的渦流磁場(chǎng)幅度為1.3×10-7T;當(dāng)缺陷深度達(dá)到14 mm時(shí),線缺陷的渦流磁場(chǎng)幅度為5.3×10-9T ,十字形缺陷的渦流磁場(chǎng)幅度為1.5×10-8T??梢娛中稳毕莸臏u流磁場(chǎng)幅度是線缺陷的2倍甚至更多,而缺陷信號(hào)的峰-谷值在nT的數(shù)量級(jí),在超低頻的情況下,磁通門磁強(qiáng)計(jì)體現(xiàn)了靈敏度較高的優(yōu)勢(shì)。
試驗(yàn)結(jié)果表明,磁通門磁強(qiáng)計(jì)作為低頻磁場(chǎng)靈敏度較高的磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備,可以用于對(duì)深層渦流的無損檢測(cè);而采用平行分量法時(shí),激勵(lì)線圈本底磁場(chǎng)垂直于探頭測(cè)量方向,可以有效消除本底磁場(chǎng)的影響,更加凸顯出缺陷導(dǎo)致的渦流磁場(chǎng)的變化,而且線圈形狀非常簡(jiǎn)單,不需要D形線圈,只需圓形線圈就能實(shí)現(xiàn)鋁板14 mm深度缺陷的渦流檢測(cè),并且對(duì)線缺陷、十字形缺陷都有很好的分辨力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)十字形缺陷的渦流磁場(chǎng)信號(hào)幅度比線缺陷的渦流磁場(chǎng)信號(hào)幅度更強(qiáng),且渦流磁場(chǎng)隨著缺陷深度的增加而衰減得更慢。渦流磁場(chǎng)圖像的峰-谷值低至5 nT時(shí),噪聲幅度約為1 nT,這樣弱的信號(hào)的分辨率已經(jīng)小于一些磁通門磁強(qiáng)計(jì)的分辨率。該方法還擁有更大的檢測(cè)能力,如可以通過降低電路噪聲、增加線圈匝數(shù)和電流、提高線圈對(duì)稱性等方法進(jìn)一步提高檢測(cè)深度。磁通門磁強(qiáng)計(jì)在渦流檢測(cè)中有自身的優(yōu)勢(shì),與SQUID相比不需要低溫系統(tǒng),也不需要磁屏蔽室,與GMR探頭相比檢測(cè)深度更深。試驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了磁通門磁強(qiáng)計(jì)渦流檢測(cè)領(lǐng)域的空白,具有很好的應(yīng)用前景。