吳 斌， 唐瑞琦， 韓志遠(yuǎn)， 劉秀成

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部,北京 100124； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院壓力容器部,北京 100029)

0 引 言

鋼制零部件在熱處理加工或長期服役過程中，沿材料深度方向易發(fā)生內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，甚至出現(xiàn)分層現(xiàn)象，各層的物理屬性存在明顯差異。例如彈簧鋼的表面脫碳將形成“脫碳層—回火屈氏體組織”的分層結(jié)構(gòu)[1]，其中脫碳層深度的檢測是彈簧鋼加工過程中控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段[2]。再例如乙烯生產(chǎn)裝置的核心部件—裂解爐管材質(zhì)通常為順磁性的奧氏體不銹鋼。在高碳勢、高溫環(huán)境下長期服役后，乙烯裂解爐管表面往往形成鐵磁性的氧化皮層，內(nèi)壁則發(fā)生滲碳形成粗晶粒滲碳層，同樣具有良好的鐵磁特性[3,4]。在役乙烯裂解爐管可簡化為“氧化皮—母材—滲碳層”的疊層結(jié)構(gòu)，且各層磁特性存在明顯差異。內(nèi)壁滲碳層將導(dǎo)致爐管脆化而出現(xiàn)微裂紋，影響其高溫力學(xué)性能[5]。因此，在乙烯裂解爐管維護(hù)檢修中，滲碳層厚度占爐管壁厚的比例是重要的檢測指標(biāo)之一。

彈簧鋼脫碳層深度及乙烯裂解爐管內(nèi)壁滲碳層厚度的檢測，均屬于對疊層結(jié)構(gòu)中特征層厚度占比進(jìn)行定量評價(jià)的問題。疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)各層的磁特性存在差異，結(jié)構(gòu)的等效(或平均)磁參量(如磁導(dǎo)率、矯頑力)由各層厚度占比決定。利用磁檢測方法，獲取疊層結(jié)構(gòu)等效磁參量的變化規(guī)律，可以間接反映內(nèi)部特征層厚度占比[6]。

Kasai N等人[7]利用渦流法測量由奧氏體不銹鋼與中碳鋼構(gòu)成的疊層鋼板等效磁導(dǎo)率(以阻抗參數(shù)表征)，顯示接收線圈阻抗和中碳鋼厚度之間正相關(guān)；劉德宇[8]對具有不同滲碳層厚度的爐管進(jìn)行了矯頑力檢測，結(jié)果表明：當(dāng)爐管滲碳層厚度小于1 mm時，矯頑力隨滲碳層厚度增加呈現(xiàn)拋物線式的單調(diào)增長趨勢。Da Silva I C等人[9]利用滲碳層會擾動爐管外側(cè)永磁體在空間形成磁力線分布特性的原理，通過磁敏元件測量爐管表面磁場強(qiáng)度的擾動特征(磁場擾動)，間接評價(jià)了高溫耐熱合金HP40Nb鋼爐管內(nèi)的滲碳層深度。

相比渦流、矯頑力等測試方法，基于磁場擾動原理的方法無需高功率勵磁源，只需利用小尺寸永磁體對被測材料進(jìn)行磁化，更易于實(shí)現(xiàn)檢測儀器裝置的小型化。但當(dāng)前研究的基于單一永磁體的磁場擾動方法對特征層厚度變化的靈敏度偏低且靈敏度受表面氧化層影響存在波動。

Khodamorad S H等人[10]利用永磁體與爐管材料相互磁力作用受鐵磁性滲碳層深度影響的客觀規(guī)律，將磁力波動引起的永磁體位移轉(zhuǎn)換成空間磁場強(qiáng)度變化，再采用霍爾元件測量空間磁場強(qiáng)度變化，間接表征磁力大小，實(shí)現(xiàn)了乙烯裂解爐管滲碳層厚度的有效檢測。上述研究的傳感器并非直接測量磁力大小，特征參量的多次轉(zhuǎn)換會降低方法精度。

本文對比研究了磁場擾動(magnetic field disturbance,MFD)和磁力測量(magnetic force measurement,MFM)兩種方法對疊層鋼板中層厚占比的檢測能力，并對MFD和MFM兩種方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先，有限元分析了永磁體布置方向?qū)FD方法的影響，提出了差動式MFD檢測方法，提升了檢測靈敏度；其次，研制了直接測量永磁體與疊層鋼板磁力大小的MFM傳感器和差動式MFD傳感器；最后，在由“65Mn鋼—304不銹鋼—硅鋼”構(gòu)成的疊層鋼板中開展了檢測實(shí)驗(yàn)，對比分析了兩種方法對硅鋼厚度占比的檢測能力。

1 MFD與MFM原理的有限元分析

1.1 MFD檢測方法

在多物理場仿真軟件COMSOL中構(gòu)建疊層鋼板的MFD檢測模型。永磁體為直徑10 mm，高10 mm的圓柱體，表面磁通密度Bp=0.16T。永磁體截面中心距離鋼板表面距離固定為L=10 mm。先后將永磁體的充磁方向設(shè)置為平行和垂直鋼板表面，觀察永磁體與鋼板之間空氣域內(nèi)的磁力線分布情況。為驗(yàn)證方法的有效性，首先將鋼板(厚度tT=7 mm)的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為μr=1.002，模擬非導(dǎo)磁的不銹鋼材料，仿真計(jì)算的磁力線分布結(jié)果如圖1(a)和圖1(c)所示。其次，將距離下表面厚度為tF的材料設(shè)置為硅鋼，其相對磁導(dǎo)率為μr=7 000，以模擬疊層鋼板出現(xiàn)鐵磁性特征層，此時磁力線分布仿真計(jì)算結(jié)果見圖1(b)和圖1(d)。

圖1 磁力線分布仿真結(jié)果

不論永磁體充磁方向設(shè)置為平行還是垂直，鐵磁性特征層的引入，均導(dǎo)致了永磁體與鋼板之間空氣域內(nèi)磁力線分布的明顯畸變。因此，通過測量鋼板表面磁場的擾動情況，可以反映鐵磁性特征層的存在。

將鐵磁性特征層厚度tF從0.5 mm逐步增加到4 mm，步長為0.5 mm，以定量分析鐵磁性特征層厚度占比β=tF/tT對磁場擾動程度的影響。提取z=0.5 mm坐標(biāo)點(diǎn)處磁通密度的水平分量Bx和垂直分量Bz，其隨參數(shù)β的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)永磁體充磁方向平行鋼板表面時，水平分量Bx隨β增加而下降，而永磁體充磁方向垂直鋼板表面時，垂直分量Bz隨β增加而增長。

兩種情況下，水平分量Bx和垂直分量Bz隨參數(shù)β增加均存在良好的線性關(guān)系，但變化方向剛好相反。借助于差動傳感器設(shè)計(jì)原理，將兩種模型得到的結(jié)果進(jìn)行差值處理，得到新的特征參量Bd=Bz-Bx，其對厚度占比β的檢測靈敏度可以高于單一的水平分量Bx或垂直分量Bz。以圖2所示仿真結(jié)果為例，相比單一永磁體檢測模型(最高靈敏度約0.926 Gs/%)，采取差動方式后磁感應(yīng)強(qiáng)度Bd對β的檢測靈敏度提高了約95 %，達(dá)到1.808 Gs/%。

圖2 MFD仿真結(jié)果

1.2 MFM檢測方法

永磁體在空間中形成磁場，其與置于磁場中的材料之間的相互磁力作用可以用下式計(jì)算[11]

(1)

式中μr為材料的相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；S為磁場與材料作用面面積，mm2；B為磁場與材料作用面處的磁通密度，Gs。

當(dāng)材料為順磁性材質(zhì)(例如304不銹鋼，其μr接近1)時，式(1)右側(cè)積分項(xiàng)外的常數(shù)項(xiàng)趨近于零，磁力作用可以忽略。當(dāng)疊層板中引入一定厚度的鐵磁性特征層，疊層板的等效磁導(dǎo)率大幅提高(μr遠(yuǎn)大于1)，與外置永磁體間存在較大的磁力作用。由式(1)可以看出：磁力由材料相對磁導(dǎo)率μr,作用面積S及作用面處的磁通密度B共同決定。當(dāng)永磁體截面積和鐵磁性特征層磁導(dǎo)率固定時，磁力主要由疊層板表面的磁通密度決定。

圖3 永磁體受力分析有限元模型

為研究疊層板表面的磁通密度B與鐵磁性特征層厚度占比β的關(guān)系，建立如圖3所示的有限元模型，其中永磁體為直徑10 mm、高5 mm的圓柱體，表面磁通密度BP=0.4T，充磁方向垂直鋼板表面。設(shè)置永磁體截面中心與鋼板表面的提離距離L=2 mm。改變下方疊層板中鐵磁性特征層厚度tF調(diào)整層厚占比β。當(dāng)tF從1 mm逐步增加到4 mm過程中，提取x軸的磁通密度分量Bz分布曲線，結(jié)果如圖4所示。

可以明顯看出，磁通密度分量Bz隨鐵磁性特征層厚度tF增加而上升。這預(yù)示著：永磁體與疊層鋼板間的磁力大小與層厚占比β間存在單調(diào)性依賴關(guān)系，通過測量磁力大小，就可以間接測量出鐵磁性特征層厚度占比β。

圖4 Bz沿x軸的分布規(guī)律

1.3 靈敏度影響因素分析

當(dāng)永磁體尺寸和距離鋼板表面高度固定時，影響差動式MFD傳感器性能的主要參數(shù)包括永磁體表面磁通密度BP，以及測量磁擾動信息的霍爾元件與疊層鋼板上表面距離d。采用控制變量法，利用圖1所示的有限元模型對上述兩個參數(shù)進(jìn)行研究。

首先，研究霍爾元件提離距離d對鐵磁性特征層厚度tF檢測靈敏度的影響。當(dāng)永磁體表面磁通密度BP=0.16 T，d在0.5～2 mm范圍內(nèi)取值不同時，仿真計(jì)算得到的磁通密度Bd與參數(shù)β的具有良好線性關(guān)系(圖5(a))，線性相關(guān)系數(shù)R2>0.9，于是靈敏度可用擬合直線β-Bd的斜率K表示。從圖5(a)中可以看出，靈敏度K隨提離距離d的增加而降低。例如，當(dāng)d由0.5 mm增加到2 mm時，靈敏度K由1.808 Gs/%變?yōu)?.447 Gs/%，約下降20 %。因此，為了提高差動式MFD傳感器靈敏度，在后續(xù)研制過程中應(yīng)該使霍爾元件提離距離盡可能小。

其次，固定霍爾元件提離距離d=0.5 mm，改變永磁體表面磁通密度BP，分析其與差動式MFD檢測靈敏度的變化規(guī)律。由圖5(b)所示結(jié)果可知，當(dāng)表面磁通密度BP從0.10T增加到0.16T時，靈敏度K由1.033 Gs/%增加至1.808 Gs/%，約上升75 %。因此，為提高差動式MFD傳感器靈敏度，應(yīng)選用磁場強(qiáng)度較強(qiáng)的永磁體提供背景磁場。

圖5 差動式MFD檢測靈敏度影響因素分析

采用同樣的方法，分析永磁體與鋼板表面距離h,表面剩磁強(qiáng)度BP對MFM檢測靈敏度的影響。仿真計(jì)算不同條件下磁力大小F與特征層厚度tF的關(guān)系如圖6所示。在分析范圍內(nèi)，磁力F對參量tF的檢測靈敏度隨距離h的增加呈線性下降趨勢，而隨表面剩磁強(qiáng)度BP增加呈線性上升趨勢。為確保MFM傳感器的高靈敏度，永磁體與鋼板表面距離應(yīng)盡可能小，最終選擇h=1 mm。

在MFD傳感器設(shè)計(jì)過程中，需考慮永磁體提供的空間背景磁場強(qiáng)度不宜超過選用霍爾元件的線性量程；設(shè)計(jì)MFM傳感器時，需考慮永磁體與疊層鋼板間作用的磁力應(yīng)在壓力敏感元件靈敏度范圍內(nèi)。綜合以上因素，最終選擇適用于MFD和MFM傳感器的永磁體表面剩磁強(qiáng)度分別為BP=0.16T和BP=0.4T。

圖6 MFM檢測靈敏度影響因素分析

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 傳感器

利用有限元仿真分析所得結(jié)論，設(shè)計(jì)了具有優(yōu)化參數(shù)的差動式MFD傳感器和MFM傳感器，結(jié)構(gòu)如圖7所示。差動式MFD傳感器采用的兩個分別垂直和水平布置的永磁體放置在槽型底座。測量水平和垂直分量的兩個霍爾元件(型號EQ—730L,靈敏度為130 mV/mT)均封裝在PCB電路板，放置于槽型底座下方。

圖7 傳感器結(jié)構(gòu)

MFM傳感器內(nèi)部的永磁體內(nèi)嵌于圓柱形卡盤，以放置在FSR 402型薄膜壓力敏感元件(薄膜厚度0.13 mm，量程范圍0.2～20 N)中心。永磁體自重將導(dǎo)致薄膜壓力敏感元件輸出初始偏置電壓V。永磁體與疊層鋼板間的磁吸附力將增加薄膜壓力敏感元件承受的壓力大小，引起電壓增量ΔV。

在兩種傳感器的封裝外殼內(nèi)安裝了預(yù)壓彈簧，以確保掃查過程中兩種傳感器內(nèi)敏感元件與測試鋼板表面的提離距離保持不變。采用直流穩(wěn)壓電源提供5 V電壓給霍爾元件和薄膜壓力敏感元件供電。薄膜壓力敏感元件的輸出電壓，和差動式MFD傳感器中兩個霍爾元件輸出端并聯(lián)后的輸出電壓，直接被NI-PXIe多通道數(shù)據(jù)采集卡所采集(采樣率為2 MS/s)。

2.2 疊層鋼板試件

測試的疊層鋼板試件由硅鋼、奧氏體不銹鋼和65 Mn鋼組合而成，總厚度保持為7 mm，試件長150 mm,寬50 mm。依據(jù)材料初始相對磁導(dǎo)率從低到高排序，依次為：奧氏體不銹鋼(μr≈1)，65 Mn鋼(μr≈500)和硅鋼(μr≈7 000)。通過改變層數(shù)和各層材料的厚度，共設(shè)計(jì)了16種疊層鋼板試件，具體參數(shù)見表1。其中A組由表層的奧氏體不銹鋼和底層的硅鋼組成，B～D組試件表面增加了65 Mn鋼薄層。上述疊層鋼板與內(nèi)壁發(fā)生滲碳、表面存在氧化皮的乙烯裂解爐管具有類似的特征。

表1 疊層鋼板試件參數(shù) mm

為盡量減小疊層鋼板各層間的空氣間隙，采用圖8所示的強(qiáng)力夾夾持疊層鋼板試件。磁力測量和磁擾動檢測傳感器先后通過U形夾具固定在三軸運(yùn)動平臺的垂直運(yùn)動軸與被測試件表面保持接觸。傳感器由運(yùn)動平臺帶動沿試件長度方向進(jìn)行長10 mm的線段掃描，共采集得到101個電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)，取其平均值Up用于分析其與疊層鋼板中鐵磁性特征層厚度tF的關(guān)系。

圖8 疊層鋼板實(shí)物測試

3 結(jié)果與分析

3.1 MFD實(shí)驗(yàn)結(jié)果

先后利用單向勵磁MFD傳感器(永磁體充磁方向平行試件表面)和差動式MFD傳感器對A,B組試件進(jìn)行測試，傳感器輸出電壓Up與硅鋼厚度占比β的關(guān)系如圖9(a)所示。相比單向勵磁MFD傳感器，差動式MFD傳感器的起始輸出電壓明顯偏高，更重要的是電壓Up對層厚占比β的變化的檢測靈敏度得到大幅提升。例如對于A組試件的測試，單向勵磁傳感器的靈敏度為2.56 mV/%。采用差動式MFD傳感器，靈敏度增長至6.21 mV/%。這驗(yàn)證了仿真所得結(jié)論的準(zhǔn)確性，顯然差動式MFD傳感器更有利于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的層厚占比測量。

相比A組試件，B組試件表面增加了0.3 mm厚的鐵磁性65 Mn鋼薄層，模擬疊層鋼板表面出現(xiàn)氧化皮等情況。此時，單向勵磁和差動式MFD傳感器對層厚占比的靈敏度均下降。以差動式MFD傳感器為例，靈敏度由6.21 mV/%下降至1.58 mV/%，但其輸出電壓與層厚占比之間仍保持良好的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.99，遠(yuǎn)優(yōu)于單向勵磁傳感器的結(jié)果(R2=0.66)。

當(dāng)疊層鋼板表面的65 Mn鋼薄層逐漸增加至0.5 mm時，其對差動式MFD傳感器的影響如圖9(b)所示。隨著65 Mn鋼薄層厚度的增加，傳感器的初始輸出電壓不斷增大，表明65 Mn鋼薄層對空間磁場具有明顯的擾動作用，也間接表明可以通過MFD方法測量表面65 Mn鋼薄層厚度的變化。但是輸出電壓Up與硅鋼層厚占比β的擬合直線斜率逐漸下降。當(dāng)65 Mn鋼薄層厚度達(dá)到0.5 mm時，傳感器輸出電壓值幾乎不隨硅鋼層厚占比β而變化，也即差動式磁擾動檢測傳感器無法測量疊層鋼板中的硅鋼層厚變化。主要原因是65 Mn鋼薄層屬于鐵磁性材料，當(dāng)位于疊層鋼板表面時，從永磁體產(chǎn)生的磁力線將主要耦合至65 Mn鋼薄層而穿透進(jìn)入下方硅鋼的磁力線大幅減少，導(dǎo)致硅鋼厚度的變化對磁擾動效應(yīng)的程度降低。這預(yù)示著，疊層鋼板表面的氧化皮等鐵磁性薄層對MFD方法的特征層厚占比檢測能力的影響不可忽略。

圖9 MFD傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 MFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10給出了利用MFM傳感器對表1所列4組試件進(jìn)行的測試結(jié)果。為便于與MFD傳感器進(jìn)行對比，這里仍以MFM傳感器的輸出電壓作為硅鋼層厚占比的表征參量。

圖10 MFM傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖10可以看出，當(dāng)不銹鋼—硅鋼疊層鋼板表面不存在65 Mn鋼薄層時，輸出電壓(磁力大小)對硅鋼層厚占比β的靈敏度最高。隨著65 Mn鋼薄層厚度的增加，永磁體與疊層鋼板的磁力作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為初始輸出電壓不斷提高。與差動式MFD傳感器相似，輸出電壓對硅鋼層厚占比的靈敏度隨65 Mn鋼薄層厚度增加而下降。當(dāng)65 Mn鋼厚度從0 mm增加到0.5 mm時，擬合直線β-Up的線性相關(guān)系數(shù)R2由0.98下降至0.57。

3.3 對比與討論

為更直觀地對差動式MFD傳感器與MFM傳感器進(jìn)行比較，分析了這兩種傳感器在不同65 Mn鋼厚度情況下的靈敏度變化趨勢，結(jié)果如圖11所示。試件表面不存在65 Mn鋼時，MFM傳感器的靈敏度達(dá)到了18.5 mV/%，比差動式MFD傳感器高出近兩倍。

圖11 MFD與MFM傳感器靈敏度對比

當(dāng)疊層鋼板中添加0.3 mm厚的65 Mn鋼板時，兩種傳感器靈敏度均大幅下降，且相較于差動式MFD傳感器，MFM傳感器靈敏度下降地更快。當(dāng)65 Mn鋼板厚度從0.3 mm增加到0.5 mm，MFM傳感器靈敏度下降程度趨于平緩，約下降36 %，但差動式MFD傳感器靈敏度繼續(xù)劣化直至失去層厚占比的測量能力。綜合來看，當(dāng)疊層鋼板表面存在鐵磁性薄層時，永磁體在空間形成的磁場將主要聚集在表面薄層而在近端形成回路。由此，導(dǎo)致疊層鋼板下部鐵磁性特征層層厚占比的變化引起的空間磁場擾動程度或疊層鋼板與永磁體的磁力作用大小大幅下降。綜合來看，65 Mn薄層厚度小于0.3 mm時，可以選擇差動式MFD傳感器，其靈敏度隨65 Mn薄層厚度變化的波動程度相對較小；當(dāng)65 Mn薄層厚度大于0.3 mm時，建議選擇MFM傳感器，雖然靈敏度有所下降，但仍可以對硅鋼層厚占比進(jìn)行有效測量。

4 結(jié)束語

針對目前疊層結(jié)構(gòu)中鐵磁性特征層厚占比的定量檢測問題，研制了兩類傳感器，分別是由兩個勵磁方向相互垂直的永磁體構(gòu)成的差動式MFD傳感器和采用薄膜壓力敏感元件測量磁力的MFM傳感器，并對這兩類傳感器進(jìn)行對比研究，得到如下結(jié)論：

1)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果均表明：差動式MFD傳感器具有比傳統(tǒng)的基于單向勵磁結(jié)構(gòu)(水平勵磁或垂直勵磁)的MFD傳感器更高的靈敏度。當(dāng)疊層鋼板表面存在鐵磁性薄層(干擾因素)時，差動式MFD傳感器輸出電壓信號與特征層厚占比的線性相關(guān)程度遠(yuǎn)高于單向勵磁MFD傳感器。

2)當(dāng)疊層鋼板表面不存在鐵磁性薄層時，研制的MFM傳感器輸出電壓對層厚占比的檢測靈敏度是差動式MFD傳感器的3倍。表面鐵磁性薄層的引入，會導(dǎo)致基于MFD與MFM兩種原理的傳感器對層厚占比的檢測靈敏度大幅下降。當(dāng)65 Mn鋼薄層厚度從0 mm增加至0.5 mm時，MFM傳感器的靈敏度下降約94 %，而差動式MFD傳感器則失效。