淺析金屬構件的渦流無損檢測方法

雷 華

（四川化工職業(yè)技術學院，瀘州 646099）

1 研究背景

隨著城市化進程不斷加快，各類管道網(wǎng)絡越來越齊全，在地上、地下以及水下等各種場景下都會用到金屬管道。以及在一些機器部件中，金屬的使用率就更高了，所以，這類金屬構件的維護就成為一個系統(tǒng)性問題，一旦金屬構件出現(xiàn)腐蝕或斷裂現(xiàn)象，特別是在航空、軍工等方面，金屬構件的維護變得至關重要。

而在這些金屬構件的使用狀況評估和檢測過程中，為保證金屬構件的完整性，只能進行無損檢測，既要減少經(jīng)濟損失，也要避免破壞檢測造成的損傷。在現(xiàn)有常規(guī)檢測中，有超聲法、射線法、磁粉法、滲透法和渦流法，等等。與其他四種方法相比，渦流法更加簡單，相對于超聲法而言，渦流法并不需要復雜的耦合；相對于磁粉法而言，渦流法不僅能檢測磁性材料，還能檢測非磁性材料，解決磁粉法的缺陷；與滲透法相比，渦流法更加便捷，不需要清洗試件就能進行檢測。所以，對金屬構件的渦流無損檢測研究具有重要意義。

2 渦流無損檢測原理

根據(jù)麥克斯韋的電磁場基本理論，當金屬構件處在變化的磁場中時，金屬構件會產(chǎn)生電磁感應效應，即因為經(jīng)過金屬構件的磁場是不斷變化的，從而改變通過金屬構件的磁通量，最后在金屬構件內(nèi)部形成環(huán)形的感應電動勢，由于金屬導電，所以在環(huán)形感應電動勢的作用下，形成導體內(nèi)部環(huán)狀的感應電流。

由于產(chǎn)生的感應電流是環(huán)狀，像一圈一圈漩渦一樣，所以它被稱為渦流。有電流形成就會產(chǎn)生焦耳熱，所以，在進行渦流無損檢測的過程中，渦流的焦耳熱效應是能夠進行渦流無損檢測的重要依據(jù)。

進行渦流檢測時，用一個載有交變電流的線圈靠近金屬構件，由于對磁場的電磁感應作用，金屬構件中會形成感應電流、渦流。渦流的大小受金屬構件的導電性能影響，產(chǎn)生的渦流能夠進一步產(chǎn)生磁場，從而使原線圈的阻抗發(fā)生變化，根據(jù)原線圈的阻抗變化就能診斷出被測金屬構件的性能以及是否存在缺陷，等等。

通過原理可以簡單看出，在檢測過程中，原線圈是通過磁場相互作用的，無需接觸就能檢測，可以對任何可以導電的材料進行檢測，同時減少了檢測的麻煩。渦流無損檢測的速度和效率都很高，在測試過程中，有很多因素都會影響產(chǎn)生的感應電流的大小，包括被測構件的材質(zhì)、被測構件的尺寸、原線圈和被測物體之間的距離以及被測構件內(nèi)部可能存在的缺陷，等等。這些都有可能影響最后產(chǎn)生的渦流效應，所以，在測量過程中，還要注意控制變量，一定要使其他條件盡可能不變，從而達到測量要求。在實際使用過程中，渦流無損檢測可以用來分選合金、檢測材料的機械性能、檢驗材料尺寸是否達標等。不僅如此，由于檢測過程無需接觸，只要材料能夠達到導電條件，測試就能進行，所以，渦流無損檢測還不會受到溫度的影響。

3 渦流無損檢測方法

在當下的渦流檢測技術中，運用比較廣泛的還是阻抗分析法，由于電磁感應原理中的互感現(xiàn)象，在原線圈磁場影響金屬構件內(nèi)部電流的同時，金屬構件中電流產(chǎn)生的磁場還會反作用于原線圈，影響原線圈阻抗。阻抗分析法是在分析渦流效應引起線圈阻抗變化和相位變化的基礎上，鑒別其他各種影響因素效應的一種分析方法。相位的變化可以反映電磁信號進入金屬中的深度，從而得到檢測結(jié)果。

我們知道，阻礙電流的原因有三種，電阻、電容以及電感，在進行渦流檢測的原線圈中，除線圈所具有的電感外，各匝線圈之間還能形成電容，導致線圈中出現(xiàn)容抗，同時，導線并不是理想導體，線圈的導線內(nèi)部存在電阻。所以，原線圈的電感線圈并不是一個理想的純電感，而是由電阻、電容、電感一起組成的復雜電路。但在一般情況下，我們會忽略線圈的電容，阻抗就只剩下電阻和電感的感抗。

在金屬構件中，由于形成的渦流是一圈一圈的，并且普遍分布在構件內(nèi)部，所以，可以將構件看成是一層一層密集纏繞起來的線圈，相當于將金屬構件直接看成一個與原線圈耦合的次級線圈。簡單地說，就像是原線圈和金屬構件耦合起來了一樣，將渦流無損檢測直接類比于互感電路來分析檢測線圈的阻抗變化。因為互感，金屬構件的信息都是通過線圈的阻抗變化來反映，所以在檢測過程中，原線圈的功能既包含了激勵作用，又包含了測量作用；既承擔了建立交變電磁場的作用，又承擔了檢測反饋的電磁場的作用。

根據(jù)原線圈激勵電流的不同可以將渦流無損檢測方法分為正弦波電源激勵和脈沖波電源激勵兩種，除此之外，根據(jù)原線圈的固定情況來看，可以分為固定式、平移式以及旋轉(zhuǎn)式三種。由電磁感應定律，感應電動勢的相位相比原線圈的電流相位要滯后π/2，在受到原線圈調(diào)制的過程中，金屬構件中的感應電流還會對原線圈的輸出電壓進行調(diào)制，從而使原線圈的輸出電壓發(fā)生變化。

4 金屬構件渦流檢測的應用

根據(jù)渦流無損檢測原理和方法可以清楚地知道，渦流無損檢測無需接觸，操作起來比較方便，而且可以檢測材料內(nèi)部的缺陷情況。

4.1 管材探傷

金屬構件的渦流檢測原理是管材探傷中常用的方法，對于每天需要大批量生產(chǎn)的管材，必須提高檢測速度。在完整的生產(chǎn)線上采用高速的、自動化的渦流探傷裝置進行檢測，效率高、出錯率低。

有了金屬構件的渦流檢測技術，可以實現(xiàn)真正意義上的無損探傷，節(jié)省人力物力，確實可以降低經(jīng)濟耗費。

4.2 飛機等構件檢查

在飛機以及其他的高科技裝備中，為節(jié)省成本，以及高效快速檢測構件的完整程度，渦流無損檢測是必要的技術，為保證飛機運行前構件的可靠性，必須采用無損檢測技術。

現(xiàn)代的飛機基本采用的都是合金構件，而同時，飛機構件的工作環(huán)境比較極端，相比而言，材料更容易產(chǎn)生缺陷，一般的檢測難度也更大。構件由于長期在負荷較大的情況下運行，產(chǎn)生的疲勞裂紋是比較常見的，而且多數(shù)在材料表面會擴展變大，所以，渦流法檢測十分方便。所有的構件都可以在不拆卸的情況下進行檢測，還能測出因油漆等覆蓋而產(chǎn)生的盲區(qū)，簡單易行，成本又低。

不得不說，渦流法對產(chǎn)品構件的檢測十分方便，應用渦流法可以對機翼大梁、發(fā)動機渦輪葉片、渦輪盤、起落架等飛機關鍵部位是否出現(xiàn)疲勞裂紋以及腐蝕損傷的程度進行檢測。

5 渦流無損檢測的發(fā)展

我國的渦流無損檢測經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)成為應用最廣泛的探傷檢測方法，根據(jù)現(xiàn)有檢測方法中的探頭結(jié)構不同，又可以分為常規(guī)渦流檢測、透射式渦流檢測和遠場渦流檢測三種。

其中，常規(guī)渦流檢測由于電磁場中的集膚效應，只適用于檢測試樣表面或進一步測試亞表面缺陷，對內(nèi)部的檢測還存在一定的不足。透射式渦流檢測就很好地克服了這一缺點，既能檢測管外壁缺陷，也能保持對管內(nèi)壁有相同的靈敏度。第三中遠場渦流檢測從本質(zhì)上來講也是一種透射式渦流檢測，通過原線圈產(chǎn)生的磁場能量兩次穿過管材的內(nèi)外壁，到達原線圈的檢測線圈中，與透射式的區(qū)別就在于比透射式的多穿過了一次。

渦流無損檢測技術現(xiàn)在的服務對象還集中于基礎設施、傳統(tǒng)軍事、航空航天等領域，在電力、石油以及冶金機械等行業(yè)還需要進一步應用。當下，不少學者也在不斷開發(fā)金屬構件渦流無損檢測，通過加入人工智能因素，擴大應用領域，提升檢測精度。同時，也有對汽輪機葉片進行人工缺陷的渦流探傷試驗，進一步拓寬渦流無損檢測應用領域。

6 結(jié)語

渦流無損檢測技術作為對金屬構件的一種新型檢測方法，其無傷性特點以及方便快捷的優(yōu)勢，使它得到了很好的發(fā)展。金屬構件的渦流無損檢測技術理論研究進展很快，渦流檢測技術也在向微機化、智能化發(fā)展，這樣能夠進一步延伸和拓展渦流無損檢測技術的應用領域，發(fā)展前景十分廣闊。