李冬林, 高 見, 涂 君, 宋小春

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0 引 言

有色金屬帶材如銅帶、鋁帶，因具有強(qiáng)的耐腐蝕性和高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，在石油化工、核能核電等重要的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為普遍。但因帶材質(zhì)地軟、塑性強(qiáng)，在加工和服役過程中難免會(huì)出現(xiàn)裂紋、凹坑、鼓包、褶皺、毛刺等缺陷[1,2]。一旦帶材因缺陷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活造成極大的危害[3]，因此必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控和缺陷評(píng)價(jià)。

有色金屬帶材的缺陷檢測(cè)通常有人工目測(cè)、渦流檢測(cè)、機(jī)器視覺等方法。人工目測(cè)是目前大多數(shù)國(guó)內(nèi)帶材生產(chǎn)廠家采用的檢測(cè)方法，但這種方法的檢測(cè)結(jié)果受檢測(cè)人員技術(shù)素質(zhì)的影響容易出現(xiàn)誤判，且檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢查效率低[4]。渦流檢測(cè)在導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)中應(yīng)用非常普遍，但受渦旋電流的限制和提離效應(yīng)的影響難以探測(cè)和識(shí)別帶材上的邊緣缺陷和鼓包[5,6]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器視覺的缺陷檢測(cè)技術(shù)正逐漸成為帶材檢測(cè)的主流技術(shù)，但該方法需要處理大量的數(shù)據(jù)信息，且很多缺陷只有在特定的環(huán)境下才能在圖像中顯示，因此缺陷識(shí)別效率較低、檢測(cè)成本較高[7,8]。針對(duì)當(dāng)前各種檢查方法的局限性，探索新的無損檢測(cè)技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)有色金屬帶材的快速高效檢測(cè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于電流的磁效應(yīng)原理，研究了一種直流通電—磁場(chǎng)測(cè)量(injected direct current-magnetic field measurement,IDC-MFM)的電磁無損檢測(cè)方法。該方法利用有色金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性能直接將直流電注入到帶材中，采用高靈敏度的隧道磁電阻元件(tunnel magneto-resistance,TMR)制作探頭來探測(cè)因缺陷導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化，以實(shí)現(xiàn)有色金屬帶材的缺陷檢測(cè)。通過對(duì)通電平板的三維電磁場(chǎng)仿真和對(duì)銅帶和鋁帶樣本的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)證實(shí)IDC-MFM檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)帶材上凹坑、凸起、鼓包和邊緣缺陷的檢測(cè)。

1 IDC-MFM檢測(cè)原理

根據(jù)電流的磁效應(yīng)原理和畢奧—薩伐爾定律可知，通有穩(wěn)恒直流電流I的無限長(zhǎng)直均勻?qū)w其周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0在平行于電流方向的縱截面上均勻分布,在垂直于電流方向的橫截面上按磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與到導(dǎo)體的距離成反比的梯度規(guī)律分布，任何一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向遵循右手法則[9]。當(dāng)導(dǎo)體表面或內(nèi)部有缺陷，電流I在流經(jīng)缺陷處時(shí)其流向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)體外部磁場(chǎng)的變化，即磁感應(yīng)強(qiáng)度由B0變成了B0+ΔB，如圖1所示。若用磁敏元件在通電導(dǎo)體缺陷附近的空氣中進(jìn)行掃查來探測(cè)ΔB的變化，可對(duì)導(dǎo)體上的缺陷作出表征，這就是直流通電—磁場(chǎng)測(cè)量(IDC-MFM)的電磁無損檢測(cè)原理。

圖1 IDC-MFM檢測(cè)原理

2 缺陷導(dǎo)體的三維磁場(chǎng)仿真

帶缺陷的通電導(dǎo)體的磁場(chǎng)分布非常復(fù)雜，難以進(jìn)行理論計(jì)算和分析，本文借助于有限元軟件ANSYS的穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)和靜態(tài)磁場(chǎng)兩個(gè)分析模塊的耦合計(jì)算來仿真分析缺陷導(dǎo)體通直流電后導(dǎo)體內(nèi)外的三維磁場(chǎng)分布特性，進(jìn)而研究缺陷附近磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律來驗(yàn)證IDC-MFM檢測(cè)原理的可行性。

由于帶材呈扁平狀，且凹、凸缺陷都有，因此,仿真計(jì)算中采用帶橫向凹槽和凸起的平板兩種幾何模型，如圖2所示。

圖2 平板的幾何模型

平板模型的幾何尺寸為100 mm×20 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，橫向凹槽尺寸為10 mm×2 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×深)，橫向凸起尺寸為10 mm×2 mm×1 mm(長(zhǎng)×寬×高)。假設(shè)平板為銅板，其電阻率為1.75×10-8Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，板內(nèi)通有100 A的穩(wěn)恒直流電，電流方向?yàn)榘宓拈L(zhǎng)度方向(Z軸方向)。

為了分析缺陷處磁場(chǎng)的變化，首先按圖2所示幾何模型和尺寸計(jì)算平板上沒有任何缺陷時(shí)的三維磁場(chǎng)分布，然后再計(jì)算平板上有凹槽和凸起缺陷時(shí)的三維磁場(chǎng)分布。圖3、圖4和圖5是三種情況的磁場(chǎng)分布云圖，其中圖(a)是橫截面(平行于X-Y平面)的磁場(chǎng)分布，圖(b)是縱截面(平行于Y-Z平面)的磁場(chǎng)分布。圖3顯示，平板沒有缺陷時(shí)，在橫截面上磁場(chǎng)按類橢圓形逐漸向圓形過渡梯度分布，在縱截面上磁場(chǎng)沿縱向(板的長(zhǎng)度方向)均勻分布，這與畢奧—薩伐爾定律描述的磁場(chǎng)分布規(guī)律是一致的。將圖4、圖5分別與圖3對(duì)照發(fā)現(xiàn)，無論平板上的缺陷是凹槽還是凸起，整個(gè)磁場(chǎng)的分布規(guī)律基本沒變，只在缺陷附近的小范圍內(nèi)磁場(chǎng)的分布發(fā)生了非常明顯變化，且磁場(chǎng)不僅在缺陷處有變化，在平板表面附近的空氣中也有變化。

圖3 平板無缺陷時(shí)的磁場(chǎng)分布云圖

圖4 平板有凹槽時(shí)的磁場(chǎng)分布云圖

圖5 平板有凸起時(shí)的磁場(chǎng)分布云圖

為了獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化特征，在有凹槽表面的上方提離距離為0.5 mm的空氣中設(shè)置3條橫向等間距的縱向(Z向)直線掃查路徑，如圖6所示。

圖6 掃查路徑

其中，路徑1經(jīng)過缺陷長(zhǎng)度的邊緣，路徑3經(jīng)過缺陷長(zhǎng)度的正中間，路徑2在路徑1和3的中間。分別沿3條掃查路徑提取橫向磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx繪制出圖7所示的磁場(chǎng)變化曲線。

圖7 凹槽缺陷的Bx變化曲線

圖7顯示，從不同的路徑看，遠(yuǎn)離缺陷處的Bx(背景磁場(chǎng))均為恒定值，且中間大兩邊小，即路徑3的背景磁場(chǎng)最大，約為2.67 mT，路徑1背景磁場(chǎng)最小，約為2.53 mT；在缺陷處，磁場(chǎng)的變化比較明顯，路徑2和路徑3上的磁場(chǎng)是減小的，且路徑3上(即缺陷正中間)的磁場(chǎng)變化幅值最大，約為0.45 mT，而路徑1上(即缺陷邊緣)的磁場(chǎng)變化幅值非常小。

在有橫向凸起的平板上方提離距離為0.5 mm的空氣中設(shè)置類似于圖6所示的3條橫向等間距的縱向直線掃查路徑，并分別沿3條掃查路徑提取Bx繪制出圖8所示的磁場(chǎng)變化曲線。圖8顯示的不同的路徑上的磁場(chǎng)變化特點(diǎn)與圖7類似，遠(yuǎn)離缺陷處的Bx(背景磁場(chǎng))為恒定值，且路徑3的背景磁場(chǎng)最大，約為2.48 mT，路徑1的背景磁場(chǎng)最小，約為2.3 mT；在缺陷附近的磁場(chǎng)變化比較明顯，路徑2和路徑3上的磁場(chǎng)是增加的，且路徑3(即缺陷正中間)的磁場(chǎng)變化幅值最大，約為0.05 mT，而路徑1上(即缺陷邊緣)的磁場(chǎng)變化幅值非常小。

圖8 凸起缺陷的Bx變化曲線

將圖7與圖8所示的磁場(chǎng)變化曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無論缺陷是凹槽還是凸起，其Bx分量的波形形狀基本一樣，均為單峰信號(hào)；在缺陷不同位置的Bx分量信號(hào)變化是一致的，在缺陷中間信號(hào)幅值最大而在邊緣最小。兩種缺陷Bx信號(hào)的明顯差異是，凹槽缺陷呈現(xiàn)的是磁場(chǎng)減小的波谷信號(hào)，而凸起缺陷呈現(xiàn)是磁場(chǎng)增加的峰波信號(hào)，究其原因是缺陷引起的電流密度分布不均勻而導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化。當(dāng)電流流動(dòng)遇到凹槽缺陷時(shí)，因凹槽的阻隔導(dǎo)致電流繞開缺陷而向缺陷邊緣和底部流動(dòng)，所以缺陷處的電流密度減小，致使其磁場(chǎng)減小而呈現(xiàn)波谷信號(hào)，又由于凹槽缺陷正中間的電流密度最小，因此該處的波谷幅值最大；當(dāng)電流流過凸起缺陷時(shí)，缺陷處的電流密度會(huì)增加，導(dǎo)致其磁場(chǎng)增加而呈現(xiàn)波峰信號(hào)，又由于凸起缺陷正中間的電流密度最大，因此該處的波峰幅值最大。此外，由于缺陷邊緣離板的左右邊緣距離不大，無論缺陷是凹槽還是凸起，因電流的擾動(dòng)導(dǎo)致缺陷邊緣處的電流密度會(huì)略有增加，因此該處的磁場(chǎng)也略有增加而使信號(hào)呈現(xiàn)幅值很小的波峰狀。

通過上述三維仿真結(jié)果呈現(xiàn)的通電平板在無缺陷、有凹槽缺陷和凸起缺陷時(shí)磁場(chǎng)分布特性和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律，不僅驗(yàn)證了IDC-MFM檢測(cè)原理的可行性，還為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施提供了指導(dǎo)。

3 IDC-MFM檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述的IDC-MFM檢測(cè)原理和通電平板的三維仿真結(jié)果可知將直流電流導(dǎo)入到銅、鋁等導(dǎo)電材料內(nèi)后采用磁敏感探頭可探測(cè)到因缺陷而引起的磁場(chǎng)變化信號(hào)，為此，設(shè)計(jì)的IDC-MFM檢測(cè)系統(tǒng)如圖9所示，它由供電回路和信號(hào)采集與處理兩套系統(tǒng)組成。供電回路用來實(shí)現(xiàn)給被測(cè)試件供給所需的穩(wěn)恒直流電流，主要包括直流電源、調(diào)節(jié)電阻和被測(cè)試件。信號(hào)的采集與處理系統(tǒng)用來完成信號(hào)的探測(cè)、采集、放大、提取與顯示，主要包括磁敏感探頭、信號(hào)放大電路、示波器等。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)示意

圖10是某公司提供的銅帶和鋁帶檢測(cè)樣本。鋁帶尺寸為9 mm×5 mm(寬×厚)，表面有一些橫向和縱向凸起、凹坑；銅帶尺寸為24 mm×2.5 mm(寬×厚)，表面有一些縱向的帶狀鼓包、點(diǎn)狀鼓包。

圖10 樣本實(shí)物

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)樣本搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。由于通電導(dǎo)體存在焦耳熱效應(yīng)，為了避免因被測(cè)試件發(fā)熱給拾取信號(hào)帶來影響，需盡量給被測(cè)試件通以較小的電流。

圖11 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

為此，這里電源采用12 V,12 Ah的蓄電池，調(diào)節(jié)電阻由兩個(gè)電阻值為5 Ω的電阻并聯(lián)而成，在忽略試件和導(dǎo)線的情況下可計(jì)算得被測(cè)試件內(nèi)通的直流電流約為4.8 A。放大電路板采用5 V雙電源供電以便調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，其放大倍數(shù)為0～1000倍。由于幾安的直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)極其微弱，因此磁敏感探頭選用具有高靈敏度、高分辨率的TMR 2905芯片[10,11]制作成檢測(cè)探頭。

4 樣本檢測(cè)結(jié)果

將圖10所示的鋁帶樣本上的缺陷放大后如圖12所示，圖(a)顯示，鋁帶上一個(gè)橫向凸起缺陷A1和一個(gè)縱向凸起缺陷A2，凸起高度約為0.3 mm，寬度約為0.5 mm，長(zhǎng)度約為4.5 mm；圖(b)顯示鋁帶上有一個(gè)橫向凹坑缺陷A3，深度約為0.1 mm，寬度約0.5 mm，長(zhǎng)度為鋁帶寬度。

圖12 鋁帶上的缺陷

沿鋁帶長(zhǎng)度方向通電后，將TMR探頭置于鋁帶表面提離約為0.5 mm處縱向掃查，探測(cè)到的Bx分量信號(hào)如圖13所示。圖(a)是兩個(gè)凸起缺陷A1和A2的信號(hào)，圖(b)是凹坑缺陷A3的信號(hào)。根據(jù)前面的檢測(cè)原理和仿真分析可知，由于電流在凸起缺陷處聚集會(huì)導(dǎo)致Bx分量增加，所以圖(a)中A1和A2的Bx信號(hào)是波峰向上的單峰信號(hào)；由于電流繞開凹坑缺陷流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致Bx分量減小，所以圖(b)中A3的Bx信號(hào)是波峰向下的單峰信號(hào)。因?qū)嶒?yàn)中采用手動(dòng)縱向移動(dòng)探頭導(dǎo)致掃查路徑很難與通電方向保持高度一致，而鋁帶比較窄又使得Bx的橫向變化梯度較大，所以圖中信號(hào)的基線漂移較為明顯。

圖13 鋁帶上的缺陷信號(hào)

將圖10所示的銅帶樣本上的缺陷放大后如圖14所示。

圖14 銅帶上的鼓包缺陷

其中C1和C2是兩個(gè)縱向帶狀鼓包，鼓起的高度約為0.5 mm，寬度約為3 mm，C1缺陷的長(zhǎng)度約為16 mm、C2缺陷的長(zhǎng)度約為12 mm；C3和C4是兩個(gè)點(diǎn)狀鼓包，鼓起的高度約為0.5 mm，直徑約為3.5 mm；C5缺陷也是一個(gè)縱向帶狀鼓包，距離銅帶的側(cè)面邊緣約為2 mm，鼓起高度約為0.5 mm，寬度約為2 mm，長(zhǎng)度約為4 mm。

沿銅帶長(zhǎng)度方向通電后，將TMR探頭置于銅帶表面提離約為0.5 mm處縱向掃查，探測(cè)到鼓包缺陷的Bx分量信號(hào)如圖15所示。圖(a)是兩個(gè)帶狀鼓包C1和C2的信號(hào)，由于C1比C2縱向長(zhǎng)度稍長(zhǎng)，因此C1的信號(hào)幅值和波寬值都略比C2信號(hào)的大；圖(b)是兩個(gè)點(diǎn)狀鼓包的信號(hào)，因?yàn)镃3,C4兩缺陷中心的連線不與探頭的縱向掃查路徑平行，同時(shí)縱向掃查兩個(gè)缺陷時(shí)可能探頭未掃查到C3缺陷的中心，因此C3比C4的信號(hào)幅值略小而波寬值略大；圖(c)是邊緣帶狀鼓包C5的信號(hào)，圖中可見邊緣鼓包的信號(hào)非常明顯，由于鼓包頂部有點(diǎn)起伏，造成信號(hào)波峰也略有起伏。

圖15 銅帶上的缺陷信號(hào)

根據(jù)上述銅帶和鋁帶樣本的檢測(cè)結(jié)果顯示，通過給試件導(dǎo)入直流電測(cè)磁場(chǎng)的IDC-MFM檢測(cè)方法可以探測(cè)有色金屬帶材上的凹坑缺陷、凸起缺陷和邊緣缺陷。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)有色金屬帶材研究了IDC-MFM電磁無損檢測(cè)方法，該方法采用給被測(cè)試件導(dǎo)入直流電流和用磁敏感探頭探測(cè)缺陷引起的磁場(chǎng)變化來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料的檢測(cè)。

2)對(duì)通電平板進(jìn)行三維磁場(chǎng)的有限元仿真，分析了平板無缺陷和帶有凹槽、凸起缺陷時(shí)的磁場(chǎng)分布特性，研究了缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化特點(diǎn)和缺陷信號(hào)特征。

3)搭建檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)銅帶和鋁帶樣本進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)信號(hào)和仿真結(jié)果的一致性證實(shí)IDC-MFM檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)有色金屬帶材上凹坑、凸起、鼓包和邊緣缺陷的檢測(cè)。