張倩鈺，侯德鑫，葉樹亮

(中國計量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

螺紋結(jié)構(gòu)對脈沖渦流熱成像檢測效果的影響

張倩鈺，侯德鑫，葉樹亮

(中國計量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

脈沖渦流熱成像是一種相比滲透和磁粉方法更環(huán)保的金屬表面裂紋無損檢測技術(shù)，其檢測效果與測試對象表面形狀密切相關(guān)?，F(xiàn)有研究僅關(guān)注平面和規(guī)則圓柱，缺少對更復(fù)雜形狀零部件檢測規(guī)律的分析。以螺桿為對象，采用COMSOL軟件建立電磁激勵螺桿模型，分析軸向和周向磁化方法下試樣表面溫升和焦耳熱分布的規(guī)律，并與螺桿試樣溫升分布規(guī)律進(jìn)行對比驗證。結(jié)果顯示:在軸向磁化時，漏磁等效應(yīng)導(dǎo)致螺紋牙底裂紋檢測靈敏度低；而在周向磁化時，螺紋牙底處周長減小使該處渦流截面積減小，該處裂紋檢測靈敏度反而提高。熱擴(kuò)散和邊緣熱聚集效應(yīng)會導(dǎo)致螺紋邊緣處溫度顯著偏高并干擾裂紋顯示，需與無裂紋參考圖像相減對裂紋進(jìn)行識別。該研究結(jié)果可作為復(fù)雜形狀零部件脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)設(shè)計過程的理論參考。

脈沖渦流熱成像; 螺桿裂紋; 螺紋; 漏磁效應(yīng); 磁化方法； 無損檢測

0 引言

脈沖渦流熱成像(pulsed eddy current thermography，PECT)是一種新興的主動紅外熱成像金屬表面裂紋無損檢測技術(shù)，具有環(huán)保、檢測速度快、結(jié)果直觀、易實現(xiàn)自動化的優(yōu)勢[1-3]，已成為該領(lǐng)域的研究熱點。

現(xiàn)有文獻(xiàn)集中在研究平面和規(guī)則圓柱件的裂紋檢測。Sakaagami等[4]首次提出PECT法檢測裂紋的機(jī)理，對不銹鋼平板上的無限深、有限長裂紋進(jìn)行仿真和試驗分析，表明渦流在裂紋尖端聚集導(dǎo)致裂紋尖端溫度高。宋林等[5]研究了圓柱面上的裂紋檢測，表明PECT技術(shù)可檢測出圓柱面上的裂紋。冷春虎等[6]對圓柱面上的長裂紋進(jìn)行仿真，表明裂紋引起的溫度變化與裂紋深度具有對應(yīng)關(guān)系，為曲面零件裂紋的定量檢測提供了參考。Oswald- Tranta B等[7]檢測了鋼絲表面的長裂紋，表明PECT可用來檢測小半徑圓柱表面上較淺的長裂紋。Maillard S等[8]對具有螺紋結(jié)構(gòu)的柱狀零件的PECT檢測進(jìn)行了試驗研究，表明PECT可檢測出螺桿上的軸向長裂紋，但熱圖像中螺桿牙底處裂紋成像效果不佳，文獻(xiàn)未分析相關(guān)原因。

PECT技術(shù)在應(yīng)用時需根據(jù)測試對象設(shè)計勵磁裝置，一般包括對磁化方向、勵磁線圈結(jié)構(gòu)及參數(shù)等的設(shè)計。本文分析了螺桿在不同磁化方式下的檢測效果，分析其原因并給出建議，為螺桿類零件的脈沖渦流熱成像系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 脈沖渦流熱成像檢測原理

脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)如圖1所示。高頻感應(yīng)電源向勵磁線圈提供高頻大電流，產(chǎn)生的交變電磁場在待測金屬零件表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流，通過焦耳效應(yīng)對零件加熱引起溫度升高。裂紋引起的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不連續(xù)會改變渦流場的分布，從而改變零件表面的溫度分布模式，故可通過對熱像儀記錄的表面輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來識別裂紋[9]。

圖1 脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)示意圖

脈沖渦流熱成像檢測效果取決于零件表面的渦流場分布，其由麥克斯韋方程組和電磁場本構(gòu)方程組決定[10]:

(1)

(2)

式中:H為磁場強(qiáng)度；J為電流密度；D為電位移矢量;E為電場強(qiáng)度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;ε為介質(zhì)的介電常數(shù);μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率;σ為介質(zhì)電導(dǎo)率。

渦流引起的熱效應(yīng)由焦耳定律決定:

(3)

而傳熱過程則由固體熱傳導(dǎo)方程決定[11]:

(4)

需要說明的是：絕大多數(shù)實際問題難以用以上方程求出解析解，因此需要用有限元數(shù)值仿真方法對實際問題進(jìn)行求解。裂紋的檢測效果受到勵磁方向、裂紋長度、裂紋深度等參數(shù)影響，勵磁方向與裂紋方向夾角越小，裂紋的檢測效果越顯著[12]，會在裂紋尖端位置形成異常高溫亮點，因此通常使勵磁方向平行于裂紋方向；當(dāng)裂紋方向未知時，可將勵磁方向旋轉(zhuǎn)90°測試兩次，或者采用旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行激勵[13]。

2 研究方法

2.1 測試對象

為簡化仿真建模設(shè)計以減少計算量，文中螺桿上的螺紋是彼此平行的兩個凹槽，而非螺旋形。

螺紋牙型選擇應(yīng)用較廣泛的圓弧形。為便于和仿真結(jié)果對比，試驗所用樣品的結(jié)構(gòu)和尺寸都與仿真模型完全一致，材質(zhì)為45鋼。螺桿試樣材料參數(shù)見表1。試驗中，對樣品表面噴涂黑色啞光漆以提高發(fā)射率。

表1 螺桿試樣材料參數(shù)

2.2 激勵方法

文獻(xiàn)中多采用商業(yè)高頻電源為勵磁線圈提供激勵，線圈一般由水冷銅管繞制或焊接而成，通過空氣耦合方式向金屬試樣傳遞能量[14]。本文為改善電磁能量耦合效率和避免遮擋，采用了鐵氧體磁芯進(jìn)行耦合。螺桿試樣在軸向和周向結(jié)構(gòu)不相同，因此針對兩種磁化方式，分別設(shè)計了如圖2所示的勵磁線圈。

軸向磁化時，磁芯的磁極間距為Da，大小為50 mm，如圖2(a)所示。磁極寬度方向上磁芯對試樣表面的覆蓋范圍角度為a，大小為108°，如圖2(b)所示。周向磁化時，磁極間距為Dc，大小為30 mm，如圖2(c)所示；磁芯寬度為L，大小為30 mm，如圖2(d)所示。

圖2 勵磁線圈設(shè)計圖

仿真激勵電流有效值為20×20安匝，激勵頻率為100 kHz。試驗中激勵電流有效值為25×20安匝，實測頻率為128 kHz。仿真模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型材料參數(shù)

部分材料參數(shù)對仿真結(jié)果無影響，因此未給出相應(yīng)值。為提高加熱均勻性，提離距離取5 mm。

3 仿真試驗

3.1 試驗結(jié)果

軸向和周向磁化加熱200 ms后，沿試樣軸向和周向的歸一化溫升和焦耳熱分布曲線如圖3所示。由于試樣溫升分布受到熱擴(kuò)散影響，因此不同時刻溫升分布不同。為消除觀測時間對檢測結(jié)果的影響，提取試樣上的焦耳熱分布可以更好地觀察激勵效果。

由圖3(a)和圖3(b)可知，軸向磁化時，螺桿牙底處溫升偏低，螺紋邊緣溫升高于周圍區(qū)域；周向磁化時，螺桿牙底處溫升較高，螺紋邊緣溫升顯著高于周圍區(qū)域。試驗結(jié)果和仿真規(guī)律一致，驗證了仿真結(jié)果的正確性。由圖3(c)可知:軸向磁化時，螺桿牙底處的焦耳熱密度很小，是最大值的45%;周向磁化時，螺桿牙底處的焦耳熱密度最大，是周圍區(qū)域的1.37倍。此外，對比圖3(c)和圖3(a)以及圖3(c)和圖3(b)可知:在兩種磁化方法下加熱后，經(jīng)過200 ms的熱擴(kuò)散，螺紋邊緣處的溫升高于周圍區(qū)域。

圖3 溫升和焦耳熱分布曲線

螺桿裂紋的檢測機(jī)理與平面裂紋的檢測機(jī)理相同，都是通過裂紋尖端發(fā)熱的特征進(jìn)行識別。兩種磁化方法下的螺桿裂紋檢測結(jié)果如圖4所示，試驗中的熱圖是有裂紋和無裂紋時的熱圖相減所得。

圖4 螺桿裂紋的檢測結(jié)果

由仿真結(jié)果可見，兩種磁化方法下，裂紋都有尖端發(fā)熱現(xiàn)象，但軸向磁化時由于螺桿牙底焦耳熱密度低導(dǎo)致裂紋檢測靈敏度低。由試驗結(jié)果可知，周向磁化時裂紋尖端發(fā)熱明顯，但軸向磁化時無法觀察到尖端效應(yīng)。

3.2 試驗結(jié)果分析

從仿真和試驗結(jié)果可知:螺紋結(jié)構(gòu)的電磁激勵有很強(qiáng)的不均勻性，特別是牙頂和牙底位置差異較大。激勵不均勻引起的溫度梯度容易掩蓋裂紋引起的溫度異常，故有必要分析其原因并改進(jìn)激勵均勻性。

3.2.1 軸向磁化

軸向磁化時螺桿牙底處焦耳熱密度低。麥克斯韋方程表明電場強(qiáng)度的旋度由磁通密度變化速率決定，而螺桿上的磁通密度在經(jīng)過螺紋牙底時大幅下降。由于磁力線具有連續(xù)性，部分磁力線會泄漏到空氣中或沿柱體圓周方向擴(kuò)展。

焦耳熱密度歸一化分布曲線如圖5所示。

圖5 焦耳熱密度歸一化分布曲線

為更好地檢測出螺桿牙底處的裂紋，需提高牙底處的磁通密度，本文通過減小磁極間距來實現(xiàn)。在相同激勵條件下，對磁極間距為50 mm和30 mm的兩個模型的焦耳熱分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。當(dāng)磁極間距為30 mm時，檢測區(qū)域上的焦耳熱高于磁極間距為50 mm時檢測區(qū)域上的焦耳熱，牙底處的焦耳熱密度也隨著磁極間距的減小而增大。

由圖5可知，當(dāng)磁極間距為50 mm時，牙底中心的焦耳熱密度約為最大值的46%；而當(dāng)磁極間距為30 mm時，牙底中心的焦耳熱密度約為最大值的67%。所以，減小磁極間距還提高了焦耳熱密度在試樣軸向上的均勻性，使得更多的焦耳熱可以分布到牙底處。但需要指出的是，減小磁極間距后，檢測區(qū)域面積會相應(yīng)減小。

綜上所述，減小磁極間距可提高牙底處的焦耳熱密度，從而提高該處裂紋的檢測靈敏度。

3.2.2 周向磁化

周向磁化時牙底處的焦耳熱密度明顯高于其他區(qū)域，其原因是由感應(yīng)產(chǎn)生的渦流沿軸向流動。由于趨膚效應(yīng)，渦流主要集中于試樣表層，其截面積取決于試樣周長和趨膚深度。試樣直徑在牙底處縮小會導(dǎo)致傳導(dǎo)渦流的截面積相應(yīng)縮小，由于渦流具有連續(xù)性，因此渦流密度增加。而焦耳熱密度與渦流密度的平方成正比，所以焦耳熱密度也增加。為驗證上文觀點，建立螺紋深度分別為1 mm、2 mm、3 mm的三個模型，牙底渦流密度的軸向分布曲線如圖6所示。

圖6 渦流密度分布曲線

牙底處與牙頂處(這里取離牙底最近的牙頂)的周長(P)比，以及牙頂處與牙底處的渦流密度(D)比如表3所示。

表3 周長比和渦流密度比

由表3可知:①試樣上不同區(qū)域的周長之比約等于渦流密度的反比;②牙底處與牙頂處的渦流密度之比隨著牙底半徑的增加而增加。這很好地支持了前面的解釋。

根據(jù)上述理論，周向磁化時，由于螺桿牙底處周長變小，牙底處焦耳熱密度變大，因此該處的裂紋很容易被檢出。

3.2.3 螺紋邊緣高溫干擾

在兩種磁化方法下，螺紋邊緣溫升高于周圍區(qū)域。其原因是:螺桿的牙底類似于無限長有限深的裂紋，螺紋邊緣處沒有渦流的屏蔽，能量可以向下傳遞到更深的牙底區(qū)域，導(dǎo)致螺桿邊緣溫升高于其周圍區(qū)域[15]。

邊緣溫升高會干擾牙底處裂紋的顯示，檢測時可通過將測試結(jié)果與無裂紋參照圖相減來消除干擾。需要指出的是，該方法對測試過程中的定位精度有要求，否則會因邊緣未對齊而形成偽顯示。

4 結(jié)束語

為探索柱狀零件螺紋結(jié)構(gòu)對脈沖渦流熱成像檢測效果的影響，本文用兩種磁化方法對螺桿試樣進(jìn)行激勵，分析了螺紋結(jié)構(gòu)對焦耳熱密度和溫升分布規(guī)律的影響，并給出理論解釋。在軸向磁化時，漏磁等效應(yīng)會導(dǎo)致牙底處焦耳熱密度偏低，使該處裂紋很難被檢出。通過減小磁極間距可改善此問題,從而提高該處裂紋的檢測靈敏度。在周向磁化時，牙底處傳導(dǎo)渦流截面積減小導(dǎo)致該處渦流密度變大，使該處裂紋容易被檢出。螺紋邊緣溫升偏高干擾牙底處裂紋的顯示，可通過與無裂紋參照圖相減消除干擾。

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Influence of Screw Structure on the Detection Effects of Pulsed Eddy Current Thermography

ZHANG Qianyu，HOU Dexin，YE Shuliang

(Institute of Industry and Trade Measurement Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Compared to penetration and magnetic powder methods,the pulse eddy current thermography is a more environmentally friendly non - destructive testing technology for surface crack of metal,and its detection result is closely related to the surface shape of tested objects.At present,the research on such topic is only focusing on the plane and regular cylindrical parts,while lack of analysis of the parts with more complex shapes.With screw rod as the detected object,by using COMSOL,the model of screw rod excited by electromagnetic field is established; and the law of sample surface temperature rise and Joule heat distribution under axial and circumferential magnetization methods are analyzed,and compared with the experimental results for verification.The results show that,under axial magnetization,the detection sensitivity of the crack at the root of the thread is lower because of the magnetic leakage,while under circumferential magnetization,the sensitivity is higher because the circumference decreases and the cross sectional area of eddy current decreases.In addition,the thermal diffusion and aggregation can lead to a higher temperature at the edge of the thread rod and disturb the display of crack; it needs to subtract the reference thermograph of the sample without crack to identify the crack.These researches can act as a theory reference in the process of design for pulsed eddy current thermography system for detecting parts with complex shape.

Pulsed eddy current thermography; Crack of thread rod; Screw; Magnetic leakage effect; Magnetization method; Non-destructive testing

國家重大儀器專項基金資助項目(2013YQ470767)

張倩鈺(1991—)，女，在讀碩士研究生，主要從事脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)的研究。E-mail:253735519@qq.com。 葉樹亮(通信作者)，男，博士,教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事化工產(chǎn)品安全測試技術(shù)與儀器、零部件無損檢測技術(shù)與設(shè)備、光柵信號處理與齒輪精密測量等方向的研究。E-mail: IITMI_paper@126.com。

TH-39;TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706014

修改稿收到日期:2017-01-17