15-渦流檢測(cè)原理課件

6渦流檢測(cè)6-1渦流檢測(cè)基本原理

金屬在變動(dòng)的磁場(chǎng)中或相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)會(huì)感生出旋渦狀流動(dòng)的電流，稱為渦流。渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，它的基本原理是，當(dāng)載有交變電流的線圈靠近導(dǎo)電材料時(shí)，由于線圈磁場(chǎng)的作用，材料中會(huì)感生出渦流。15-渦流檢測(cè)原理

渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到材料導(dǎo)電性能的影響，而渦流產(chǎn)生的反作用磁場(chǎng)又使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，可以得到被檢材料有無(wú)缺陷的結(jié)論。渦流檢測(cè)只適用于導(dǎo)電材料，同時(shí)由于渦流是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，所以在檢測(cè)時(shí)不必要求線圈與被檢材料緊密接觸，從而容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。15-渦流檢測(cè)原理

因此，對(duì)管、棒、絲材的表面缺陷，渦流檢測(cè)法有很高的速度和效率。渦流及其反作用磁場(chǎng)對(duì)金屬材料工件的物理和工藝性能的多種參數(shù)有反應(yīng)，因此是一種多用途的檢測(cè)方法。然而，正是由于對(duì)多種試驗(yàn)參數(shù)有敏感反應(yīng)，也就會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)干擾信息，影響檢測(cè)的正確進(jìn)行。15-渦流檢測(cè)原理

對(duì)渦流產(chǎn)生影響的因素有電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、缺陷、工件形狀與尺寸及線圈與工件之間距離等。因此，渦流檢測(cè)可以對(duì)材料和工件進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定、探傷、厚度測(cè)量以及尺寸和形狀檢查等。15-渦流檢測(cè)原理表中列舉了渦流檢測(cè)的幾種用途15-渦流檢測(cè)原理

渦流法還可對(duì)高溫狀態(tài)下的導(dǎo)電材料進(jìn)行渦流檢測(cè)，如熱絲、熱線、熱管、熱板等。尤其加熱到居里點(diǎn)溫度以上的鋼材，檢測(cè)時(shí)不再受磁導(dǎo)率的影響，可以像非磁性金屬那樣用渦流法進(jìn)行探傷、材質(zhì)檢驗(yàn)及棒材直徑、管材壁厚、板材厚度等測(cè)量。渦流檢測(cè)可以廣泛用于各種金屬材料工件和少數(shù)非金屬材料工件。15-渦流檢測(cè)原理與其它無(wú)損檢測(cè)方法相比，渦流檢測(cè)的主要優(yōu)、缺點(diǎn)如下:優(yōu)點(diǎn):

A)

對(duì)導(dǎo)電材料的表面或近表面的檢測(cè)，具有良好的靈敏度

B)

適用范圍廣，能對(duì)導(dǎo)電材料的缺陷和其它因素的影響提供檢測(cè)的可能性

C)

在一定條件下可提供裂紋深度的信息15-渦流檢測(cè)原理

D)

不需要耦合劑

E)

對(duì)管、棒、線材等便于實(shí)現(xiàn)高速、高效率的自動(dòng)化檢測(cè)

F)

適用于高溫及薄壁管、細(xì)線、內(nèi)孔表面等其它檢測(cè)方法比較難以進(jìn)行的特殊場(chǎng)合下的檢測(cè)15-渦流檢測(cè)原理缺點(diǎn)

A)

限于導(dǎo)電材料

B)

只限于材料表面和近表面的檢測(cè)

C)

干擾因素多，需要特殊的信號(hào)處理

D)

對(duì)形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行全面檢測(cè)時(shí)效率很低

E)

檢測(cè)時(shí)難于判斷缺陷的種類和形狀15-渦流檢測(cè)原理

渦流既然是因?yàn)榫€圈中交變電流(又稱一次電流)激勵(lì)的交變磁場(chǎng)在金屬中感應(yīng)產(chǎn)生的，那么渦流也是交變的，同樣會(huì)在周圍空間形成交變磁場(chǎng)并在線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這樣，線圈造成的磁場(chǎng)不是由一次電流所產(chǎn)生，而是一次電流和渦流共同感生的合成磁場(chǎng)。15-渦流檢測(cè)原理

假定一次電流的振幅不變，線圈和金屬工件之間的距離也保持固定，那么，渦流和渦流磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布就由金屬工件的材質(zhì)所決定。也就是說(shuō)，合成磁場(chǎng)中包含了金屬工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、裂紋缺陷等信息。因此，只要從線圈中檢測(cè)出有關(guān)信息，例如從電導(dǎo)率的差別就能得到純金屬的雜質(zhì)含量、時(shí)效鋁合金的熱處理狀態(tài)等信息，這是利用渦流方法檢測(cè)金屬或合金材質(zhì)的基本原理。15-渦流檢測(cè)原理

由于渦流也有趨膚效應(yīng)，因此，渦流密度在金屬表面最大，離表面愈遠(yuǎn)衰減愈大。不同導(dǎo)電材料(電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不同)以及通過(guò)的交變電流的頻率不同，電流密度在工件橫截面上的分布也有所不同，它是按指數(shù)規(guī)律從工件表面向工件內(nèi)部衰減的。15-渦流檢測(cè)原理電流密度下降到表面電流密度37%的深度，稱為透入深度(δ)。它與激勵(lì)電流的頻率、金屬材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有直接關(guān)系，可表示為式中f-交流電流頻率(Hz)，μ-材料磁導(dǎo)率(H/m)，σ-材料電導(dǎo)率[m/(Ω.mm2)]

從上式可知，頻率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率愈大，透入深度也就愈小。15-渦流檢測(cè)原理幾種典型材料的透入深度如圖6-1，顯示導(dǎo)電材料的透入深度與檢測(cè)頻率的關(guān)系15-渦流檢測(cè)原理15-渦流檢測(cè)原理

除了透入深度的定義外，它也是交流電流的相位差為180o的深度。工件表面的渦流密度最大，它的檢測(cè)靈敏度最高，離工件表面愈深，渦流密度愈小，檢出靈敏度愈低。渦流檢測(cè)中，要用許多阻抗平面圖來(lái)描述缺陷、電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率和尺寸變化與線圈阻抗的關(guān)系。15-渦流檢測(cè)原理首先需要了解兩個(gè)線圈相距很近而又有互感的情況，當(dāng)線圈2不接負(fù)載時(shí)，線圈1的等效阻抗為線圈1原有的阻抗Z1不變(Z1=R1+jωL1)15-渦流檢測(cè)原理而當(dāng)線圈2的負(fù)載短路時(shí)，線圈1的等效阻抗為R1+jωL1(1-k2)，即比線圈1的原有阻抗減小了jωL1k2大小(其中k為耦合系數(shù)15-渦流檢測(cè)原理如將線圈l的阻抗作一復(fù)數(shù)阻抗平面，即以電阻R為橫軸，以感抗X為縱軸并以負(fù)載Rr為參變數(shù)作出的軌道曲線，如圖a所示15-渦流檢測(cè)原理是一個(gè)近似半圓(右邊)，半圓直徑為k2ωL1，線圈1感抗X從ωL1單調(diào)減少到(1-k2)ωL1，而電阻R由R1，增加到Rl+k2ωL1/2最大值后減小回到R115-渦流檢測(cè)原理

用這樣的阻抗平面來(lái)了解線圈阻抗變化要比用公式直觀得多，容易理解。但是由于不同的線圈阻抗和不同的電流頻率有不同的半圓直徑和位置，而且有時(shí)線圈阻抗的軌跡曲線不是半圓，因此要進(jìn)行相互比較有困難。15-渦流檢測(cè)原理為此，用線圈1的視在感抗ωL1來(lái)除縱軸和橫軸的X和R，可以獲得歸一化阻抗曲線，如圖b15-渦流檢測(cè)原理這樣，半圓直徑在縱軸上的位置，上端為(0,1)，下端為(0,1-k2)，直徑為k2，半圓上參變數(shù)Rr，用歸一化頻率F來(lái)表示，則有15-渦流檢測(cè)原理在半圓上端F等于零，中間F等于1，下端F為無(wú)窮大。歸一化處理后的電阻和電抗都是無(wú)因次量，并且都一定小于l。根據(jù)這個(gè)方法得到的阻抗平面圖的格式是統(tǒng)一的，因而具有通用性。15-渦流檢測(cè)原理

在渦流檢測(cè)時(shí)，若通以交變電流的線圈中沒有試樣，則可以得到空載阻抗Z0=R0+jωL0，若在線圈中放入試樣，線圈阻抗將變?yōu)閆1=R1+jωL1

隨著材料和工件性質(zhì)的不同，對(duì)檢測(cè)線圈的影響也不一樣，因而，工件性質(zhì)的變化可以用檢測(cè)線圈阻抗特性的變化來(lái)描述。15-渦流檢測(cè)原理

由于引起檢測(cè)線圈阻抗發(fā)生變化的直接原因是線圈中磁場(chǎng)的變化，檢測(cè)時(shí)需要分析和計(jì)算工件被放入檢測(cè)線圈后磁場(chǎng)的變化，然后得出檢測(cè)線圈阻抗的變化，才能對(duì)各種因素進(jìn)行分析。這樣做比較復(fù)雜，德國(guó)福斯特(Forstcr)提出有效磁導(dǎo)率的概念，使渦流檢測(cè)中的阻抗分析問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。15-渦流檢測(cè)原理

福斯特在分析線圈阻抗的變動(dòng)時(shí)，提出一個(gè)模型，當(dāng)放在通有交變電流的無(wú)限長(zhǎng)圓筒形線圈中的導(dǎo)電圓柱體時(shí)，圓柱體的整個(gè)截面上有一個(gè)恒定磁場(chǎng)。而磁導(dǎo)率卻在截面上沿半徑方向變化，并使這種情況下所產(chǎn)生的磁通量等于真實(shí)情況下圓柱體內(nèi)的磁通量。15-渦流檢測(cè)原理用事實(shí)上變化著的磁場(chǎng)強(qiáng)度和恒定不變的磁導(dǎo)率，用恒定的磁場(chǎng)強(qiáng)度和變化著的磁導(dǎo)率所取代，這個(gè)變化的磁導(dǎo)率稱為有效磁導(dǎo)率。用符號(hào)μeff表示式中k=(ωμσ)1/2，r圓柱體的半徑，J0(-j)1/2kr-零階貝塞爾函數(shù)，J1(-j)1/2kr階貝塞爾函數(shù)。15-渦流檢測(cè)原理

引入有效磁導(dǎo)率的概念并對(duì)它進(jìn)行分析，福斯特把使貝塞爾函數(shù)變量(-j)1/2kr的模為1的頻率稱為特征頻率(或界限頻率)，用符號(hào)fg表示：對(duì)于非磁性材料μ=μ0=4π×10-7H/m，因此式中σ-電導(dǎo)率，d-工件直徑(cm)15-渦流檢測(cè)原理

因?yàn)橛行Т艑?dǎo)率μeff的數(shù)值隨變量(kr)的不同而變化，因此，只要知道一個(gè)工件的特征頻率fg，并計(jì)算出檢測(cè)頻率f與特征頻率fg的比值，就可以計(jì)算出有效磁導(dǎo)率的數(shù)值。這是因?yàn)閷?duì)于一般的檢測(cè)頻率f而言，貝塞爾函數(shù)的變量(kr)可以表示為15-渦流檢測(cè)原理

可見有效磁導(dǎo)率的數(shù)值完全取決于頻率比的大小，而有效磁導(dǎo)率又決定了工件內(nèi)渦流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布。因此，工件中渦流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布又僅僅是頻率比的函數(shù)。

從這種方法可以得到的結(jié)論是，對(duì)于兩個(gè)不同的工件，只要各自對(duì)應(yīng)的頻率比相同，則有效磁導(dǎo)率、渦流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的幾何分布也相同，這就是渦流檢測(cè)的相似律，即15-渦流檢測(cè)原理

對(duì)于在渦流檢測(cè)中那些不能用數(shù)學(xué)計(jì)算提供理論分析結(jié)果，也不能精確地直接用實(shí)物加以實(shí)測(cè)的問(wèn)題，可以根據(jù)渦流檢測(cè)相似律通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)推斷檢測(cè)結(jié)果。

根據(jù)相似律，只要頻率比相同，幾何相似的不連續(xù)性缺陷(例如以圓柱體直徑的百分率表示的一定深度和寬度的裂紋)將引起相同的渦流效應(yīng)和相同的有效磁導(dǎo)率變化。15-渦流檢測(cè)原理

可以通過(guò)帶有人工缺陷的模擬試驗(yàn)測(cè)量出有效磁導(dǎo)率的變化值對(duì)于裂紋的深度、寬度以及位置的依從關(guān)系，可以用截面放大了的，帶有人工缺陷的模型試驗(yàn)來(lái)獲得裂紋引起線圈參數(shù)變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參考依據(jù)。

15-渦流檢測(cè)原理

在渦流檢測(cè)中，工件待測(cè)性能的信息是通過(guò)檢測(cè)線圈的阻抗變化或電壓效應(yīng)來(lái)提供的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算：可以推導(dǎo)出次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓。15-渦流檢測(cè)原理

在實(shí)際檢測(cè)中進(jìn)行渦流探傷時(shí)，直徑為d的圓柱體工件不可能完全充滿內(nèi)徑為Da的次級(jí)線圈。這是因?yàn)榫€圈和工件之間應(yīng)留有空隙，以保證工件的快速通過(guò)。因此，計(jì)算時(shí)次級(jí)線圈的電壓應(yīng)考慮由兩部分組成，一部分是環(huán)形空間中磁場(chǎng)感應(yīng)的電壓，另一部分是工件中磁場(chǎng)感應(yīng)的電壓。15-渦流檢測(cè)原理其充填系數(shù)為通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)工件沒有充滿線圈時(shí)，次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓為因此歸一化電壓為15-渦流檢測(cè)原理

由于有效磁導(dǎo)率是復(fù)數(shù)，得到的感應(yīng)電壓也有虛部和實(shí)部?jī)蓚€(gè)分量。因此歸一化電壓也有虛、實(shí)兩部分，分別由實(shí)部有效磁導(dǎo)率和虛部有效磁導(dǎo)率所決定，即15-渦流檢測(cè)原理

由于有效磁導(dǎo)率是頻率比的函數(shù)，只要充填系數(shù)和頻率比確定，根據(jù)上式就可以求出歸一化復(fù)數(shù)電壓(或復(fù)數(shù)阻抗)的虛部和實(shí)部，如圖15-渦流檢測(cè)原理

圖中可見，當(dāng)η=l時(shí)，其曲線和有效磁導(dǎo)率的曲線完全一致，當(dāng)η不同時(shí)各條曲線的形狀仍基本相同。15-渦流檢測(cè)原理

以上討論都局限于非磁性導(dǎo)電圓柱體工件，對(duì)于磁性材料，其頻率比應(yīng)用進(jìn)行修正。因此，當(dāng)檢測(cè)線圈接近鐵磁性材料時(shí)，線圈阻抗的感抗部分將大大增加，而在非鐵磁性材料中線圈阻抗的感抗部分將減小。因?yàn)闇u流是由一個(gè)可變的磁場(chǎng)感生出來(lái)的，所以材料磁導(dǎo)率將強(qiáng)烈地影響著渦流的響應(yīng)。因此，用渦流法檢測(cè)磁性材料工件時(shí)，應(yīng)與檢測(cè)非磁性材料工件有所不同。15-渦流檢測(cè)原理

特別是某些因素(例如成分、硬度、殘余應(yīng)力和缺陷等)既會(huì)影響電導(dǎo)率，又會(huì)影響磁導(dǎo)率，情況就變得比較復(fù)雜。在低頻情況下，問(wèn)題更加突出，這是因?yàn)榈皖l時(shí)，磁導(dǎo)率的改變對(duì)渦流響應(yīng)的影響通常要比電導(dǎo)率變化的影響大得多。15-渦流檢測(cè)原理

為消除鐵磁性材料磁導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)的影響，可對(duì)工件被檢測(cè)部位上施加強(qiáng)磁化場(chǎng)，使材料被磁化到飽和區(qū)，此時(shí)相對(duì)磁導(dǎo)率約等于1

一般可采用直流磁化場(chǎng)，但所需直流電源的成本比較高。

為了降低配套設(shè)備的制造費(fèi)用，只要將材料磁化到使其增量磁導(dǎo)率處于常數(shù)的區(qū)間即可。15-渦流檢測(cè)原理

此時(shí)鐵磁性材料檢查區(qū)磁導(dǎo)率的變化實(shí)際已不再產(chǎn)生影響，可當(dāng)作非磁性材料進(jìn)行檢測(cè)。影響線圈阻抗的因素中，磁導(dǎo)率既影響頻率比，又使特性函數(shù)(ημeff)值增大3μr倍，它的影響是雙重的，必須引起注意。在影響線圈阻抗的因素中，電導(dǎo)率影響特征頻率，在阻抗圖中影響阻抗值在頻率比曲線上的位置。15-渦流檢測(cè)原理

當(dāng)參變量中其它條件不變時(shí)，可利用渦流檢測(cè)中不同導(dǎo)電材料間電導(dǎo)率的差異會(huì)引起檢測(cè)線圈阻抗發(fā)生變化的原理，對(duì)材料進(jìn)行分選。同時(shí)，材料的某些特性(特別是溫度、成分、熱處理及所得的顯微組織、晶粒大小硬度、強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等)也與電導(dǎo)率有著對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，也可以通過(guò)工件電導(dǎo)率變化的測(cè)定來(lái)推斷材料的某些工藝性能以及來(lái)監(jiān)控成分和各種冶金特性。15-渦流檢測(cè)原理

例如由于硬度對(duì)電導(dǎo)率有顯著影響，可利用電導(dǎo)率測(cè)量來(lái)監(jiān)控時(shí)效硬化鋁合金的熱處理情況，如圖所示。15-渦流檢測(cè)原理

影響線圈阻抗的因素中，工件幾何尺寸的變化不但影響頻率比，而且影響充填系數(shù)，其影響也是雙重的。影響線圈阻抗的因素中，探頭或線圈與板材之間的距離為某值時(shí)，線圈阻抗有一相應(yīng)值。

當(dāng)間距有變化時(shí)，線圈阻抗隨之變化，它相當(dāng)于穿過(guò)式線圈中充填系數(shù)的變化，在渦流檢測(cè)中稱為“提離效應(yīng)”。15-渦流檢測(cè)原理

在檢測(cè)電導(dǎo)率和裂紋時(shí)，需減少提離效應(yīng)的干擾以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠性，而在檢測(cè)表面涂層厚度時(shí)則可利用提離效應(yīng)。上述四個(gè)因素都可通過(guò)渦流檢測(cè)原理采進(jìn)行解