基于電擾動磁敏探頭的鋼制結(jié)構(gòu)焊縫裂紋快速檢測方法

1渦流檢測儀器及傳感器的應(yīng)用通過焊接生產(chǎn)和工程應(yīng)用，必須解決許多焊接質(zhì)量的檢驗問題。特別是，表面粗糙度或有一定厚度的防腐層，超聲法難以進(jìn)行。電子法的精度不高，效率低。由于傳統(tǒng)傳感器提取效應(yīng)的影響，血流法不利于搜索缺陷。近幾年來,一些儀器生產(chǎn)廠,研發(fā)了相關(guān)的檢測設(shè)備,如國外研制的便攜式專用焊縫質(zhì)量檢查儀(EddycurrentProbesforinspectionofFerromagneticSteelWelds),從某種程度上解決了這一工程難題。本文以筆者的工作經(jīng)歷,簡述了該類儀器及傳感器的應(yīng)用發(fā)展情況。焊縫的在線檢測一直是焊管行業(yè)的重要相關(guān)技術(shù)。根據(jù)國外的應(yīng)用經(jīng)驗,筆者于1990年開發(fā)了焊管在線渦流探傷儀,該儀器一改常規(guī)的帶有磁飽和器的渦流檢測方式,而改由小填充系數(shù)的外穿過式探頭和平面組合式探頭(由差動和絕對二組探頭組成)。以解決生產(chǎn)應(yīng)用上的高溫焊縫探傷問題,平面組合探頭采用了國外稱之為電流擾動法原理的特種渦流傳感器(ElectricCurrentPerturbationMethod),這種傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是提離效應(yīng)小,可接成發(fā)射、接收(D-P)方式或絕對方式,用于阻抗平面顯示的渦流儀上,并且允許探頭運(yùn)動方向與焊管焊縫裂紋方向同向而不漏檢,由于該探頭的這兩大特點(diǎn),近10年來,國內(nèi)焊管行業(yè),特別是生產(chǎn)大直縫管的廠家,很大一部分都采用了這一形式的渦流傳感器,且取得了較好的現(xiàn)場使用效果。國外一些廠家,如日本和東南亞及澳洲等一些焊管廠,也采用了這一檢測模式。根據(jù)電擾動法研發(fā)的特種探頭,如何改進(jìn)并運(yùn)用到在役焊縫的檢測上,是近年來筆者從事試驗研究的一個方向,特別是在役焊縫通常要求在工況條件較惡劣、表面狀態(tài)凹凸不平且大型儀器不易攜帶的情形下進(jìn)行檢測,因此,開發(fā)掌上型便攜式阻抗平面顯示渦流儀及適合工程應(yīng)用的微型傳感器便成了亟待解決的技術(shù)問題。為此,筆者們通過多年的努力,研發(fā)了EEC-3300掌上型智能多功能阻抗平面顯示渦流檢測儀及電擾動磁敏探頭,該儀器不僅適用于在役焊縫的手動探傷,而且具有裂紋快速測深及材料分選的功能。2傳感圈相對于應(yīng)力圈的尺寸不同作為渦流檢測法的一個特例,電流擾動磁敏探頭也是一種能夠?qū)⒋艌黾捌渥兓牧哭D(zhuǎn)變成為電信號輸出的裝置,它包括激勵線圈和檢測單元(線圈或磁敏元件,本文以線圈為例)兩個最基本的組成部分,二者是分立的,且正交取向。激勵線圈平行于XY平面設(shè)置,兩個相互平行的感應(yīng)線圈的法線垂直于Z軸(見圖1)。當(dāng)激勵線圈與感應(yīng)線圈大小可比,則交變感應(yīng)電流所產(chǎn)生磁場的磁力線相對于感應(yīng)線圈的方向是各不相同的,即感應(yīng)線圈內(nèi)有大量取向各異的磁力線穿過,這樣必然會嚴(yán)重地影響檢測由缺陷引起的電流微弱擾動而導(dǎo)致的磁通變化。如果激勵線圈相對于感應(yīng)線圈的尺寸足夠大,那么感應(yīng)電流相對于小尺寸的感應(yīng)線圈可近似視為沿單一方向直線流動,感應(yīng)線圈附近的磁力線方向亦近似趨于一致。感應(yīng)線圈取法線方向平行于電流流動方向。無缺陷時,穿過兩個感應(yīng)線圈的磁通量為最少;當(dāng)因缺陷存在引起電流擾動而導(dǎo)致磁通變化時,即使是微弱的變化,感應(yīng)線圈也能很靈敏地發(fā)現(xiàn),且感應(yīng)線圈的這種取向?qū)μ犭x變化的敏感度也減至最小。利用磁敏元件作檢測單元,也可以達(dá)到不錯的效果,但制作工藝上較缺乏靈活性。目前,市面上的半導(dǎo)體磁敏元件主要有霍爾效應(yīng)傳感器(Halleffectsensor)、半導(dǎo)體磁敏電阻器(Semiconductivemagneto-resistor)、磁敏二極管(Magneto-diode)、載流子疇磁強(qiáng)計(Carrierdomainnagnetometer)、Z元件以及其它各種半導(dǎo)體磁敏功能組合器件等。順便指出,當(dāng)接收單元采用單個線圈時,這種電擾動傳感器也可稱之為正交渦流探頭。3eec-400主要技術(shù)指標(biāo)為了盡量縮小體積、減輕重量,EEC-3300智能袖珍型渦流儀設(shè)計時采用貼片低壓高集成度的芯片。儀器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它主要由數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、波形發(fā)生及電流激勵模塊和電源電路等幾個部分組成。有關(guān)儀器的硬件及其軟件的設(shè)計功能本文不再贅述,這里僅給出EEC-3300的主要技術(shù)指標(biāo)。?激勵頻率范圍:604Hz～5.5MHz(可變);?手動相位:360°(步進(jìn)±1°);?自動相位:將干擾信號自動旋轉(zhuǎn)到水平(X軸)方向;?增益:0～90dB;?具有數(shù)字濾波功能?X-Y增益:分別可調(diào);?屏幕規(guī)格:12864(A型液晶帶背光);320×240(B型);?顯示方式:時基掃描顯示或阻抗平面顯示;?通訊:RS232通訊接口;(可接PC機(jī),完成同屏顯示檢測信號的阻抗平面圖及時基掃描圖)。?內(nèi)存:1M(可擴(kuò)展至8M);?內(nèi)置電源:3.6V鋰電池;?外電源輸入:直流3～12V;?外形尺寸:148mm×75mm×25mm;?自動關(guān)機(jī)功能(5～25min自選);?自動日歷時間顯示;?中英文操作軟件。圖4是EEC-3300B掌上型渦流檢測儀外形圖。4接頭缺陷檢測首先在焊縫上制作標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷,見圖5(為了觀察方便,焊縫表面進(jìn)行了平滑處理),然后分別用常規(guī)和電擾動磁敏探頭作實驗,檢測結(jié)果通過RS232接口接至PC機(jī)打印輸出,如圖6～圖9所示。圖6(a)為常規(guī)絕對式渦流探頭對試塊標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的檢測波形,圖中往左的一條曲線D為探頭提離方向(如果裂紋是在焊縫粗糙表面上,則圖中曲線將是疊加后的波形,無法觀察)。圖6(b)為電擾動磁敏傳感器在相同條件下測得的阻抗平面圖,從圖中可見,兩種探頭對提離效應(yīng)的反應(yīng)大不一樣。前者探頭稍一晃動,信號就偏出屏幕外,后者即使提離到遠(yuǎn)處也只偏離一小點(diǎn)(見圖6(b)D曲線)圖7是常規(guī)渦流探頭和電擾動傳感器兩種探頭在不改變儀器參數(shù)的條件下對某一核電工程焊縫粗糙表面檢測時的阻抗平面圖形。該兩組圖形進(jìn)一步說明了兩種傳感器對工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行檢測時的差異。圖8是常規(guī)渦流探頭與電擾動磁敏傳感器分別墊上3mm有機(jī)板(模擬焊縫表面防腐層)測得的圖形。其中常規(guī)探頭的儀器增益提高10dB,電擾動磁敏傳感器儀器保持原參數(shù)不變。圖9為歸一化后電擾動磁敏探頭對3mm人工裂紋的儀器檢測界面圖(下面數(shù)字表示裂紋深度示值,單位mm)。本實驗是以阻抗平面圖作為信號的顯示模式,也可取其中X軸或Y軸信號采用時基掃描曲線的顯示模式。5電磁渦流檢測儀器的改進(jìn)焊縫表面粗糙度對渦流場的影響主要體現(xiàn)在提離效應(yīng)上。雖然,從理論上用多頻渦流法可以解決表現(xiàn)凹凸不平產(chǎn)生的干擾信號,但實際上焊縫表面狀態(tài)是很不規(guī)則的,故解決問題的途徑主要從傳感器的設(shè)計上入手。筆者亦進(jìn)行了多頻渦流的檢測實驗,此處不再贅述。EEC—3300及電擾動磁敏探頭不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫裂紋的快速檢查及裂紋深度測量,還可用于現(xiàn)場在役飛機(jī)、路軌、橋梁、輪轂、車橋、汽輪機(jī)葉片、起落架、螺栓孔等一些常見零部件的檢測。實踐證明,該儀器小巧、輕便、智能化程度高、重復(fù)性好,是一款極具應(yīng)用推廣價值的NDT新型設(shè)備。值得一提的是,筆者和寶鋼集團(tuán)為解決高溫板材表面裂紋的ET,研發(fā)了一種可提離至15mm的專用探頭(已獲國家專利),該