第3章涡流探伤

1第 3章 涡流检测技术利用电磁感应原理，通过 测定被检工件内感生 涡流 的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。给线圈通以变化的交流电 ,根据电磁感应原理，穿过金属块中若干个同心圆截面的磁通量将发生变化，因而会在金属块内感应出交流电。由于这种电流的回路在金属块内呈旋涡状，故称为涡流。涡流是根据电磁感应原理产生的，所以涡流是交变的。同样，交变的涡流会在周围空间形成交变磁场。23.1涡流检测简介3.1.1 涡流检测的基本原理当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流（其大小等参数与工件中的缺陷等有关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化。因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。 33.1.2涡流检测的特点3.1.2.1 用途及影响感生涡流的主要因素1.探伤：缺陷形状、尺寸和位置2.材质分选：电导率3.测厚：检测距离和薄板厚度4.尺寸检测：工件的尺寸和形状5.物理量测量（径向振幅、轴向位移及运动轨迹的测量）：工件与检测线圈间的距离43.1.2.2 特点1.对 导电材料表面和近表面缺陷 的检测灵敏度较高；2.检测线圈 不必 与被检材料或工件 紧密接触 ，不需耦合剂，检测过程不影响被检材料的性能；3.应用范围广 ，对影响感生涡流特性的各种物理和工艺因素均能实施监测；4.在一定条件下，能反映有关裂纹深度的信息；5.可在高温、薄壁管、细线、零件内孔表面等其它检测方法不适应的场合实施监测；6.检测形状复杂零件，效率低；难于区分缺陷的种类和大小。53.1.3 发展过程1879年，英国人 休斯 对合金进行了判断实验；发展缓慢，直到 20世纪 50年代，德国的 福斯特 等人提出了利用阻抗分析方法来鉴别涡流实验中各个影像因素的新见解，涡流检测技术得到了实质性的突破；涡流仪器的发展：模拟类机器数字式仪器智能仪器当前涡流检测技术主要研究热点： 多频涡流检测技术；远场涡流检测技术；深层涡流技术；磁光 /涡流成像技术。63.2涡流检测基础知识3.2.1 电磁感应现象1.电磁感应磁通量发生变化，产生感生电流。2.自感应交变电流产生交变磁通量，产生自感电动势。3.互感应两个相互靠近的线圈，其中的一个电流发生变化，都会引起另一个线圈内磁通量的变化，从而在另一个线圈中产生感生电动势的现象。73.2.2 涡流检测3.2.2.1 涡流检测的 组成检测线圈、检测电流的仪器和被检的金属工件。裂纹走向与涡流平行，难于检测，须从多个方向进行检测。83.2.2.2 趋肤效应和渗透深度1.趋肤效应感应出的涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附近的现象。涡流密度随着距离表面的距离增加而减小。2.渗透深度趋肤效应的存在，使交变电流激励磁场的强度及感生涡流的密度，从被检材料的表面到其内部按指数分布规律递减。将涡流密度衰减为其表面密度的1/e时对应的深度定义为渗透深度：93.2.2.3涡流检测线圈的阻抗涡流的大小影响激励线圈的电流大小。若施加的交变电压不变，这种影响可等效于激励线圈的阻抗发生了变化。设 Z0为没有试件时线圈的等效阻抗， Zs为有试件时反射到激励线圈上的附加阻抗，则线圈的阻抗 Z可表示为：R0：激励线圈的电阻；X0：激励线圈的电抗；Rs：反射电阻；Xs：反射电抗 。101.空间中某点的磁场不再是由一次电流产生的磁场，而是一次电流磁场和涡流磁场迭加而形成的合成磁场。2.涡流的大小影响着激励线圈中的电流。3.涡流的大小和分布决定于激励线圈的形状和尺寸、交流电频率、金属块的导电率、磁导率、金属块与线圈的距离、金属块表层的缺陷等。因此，检测线圈中的电流（或阻抗）变化，就可以取得关于试件材质的情况、有无缺陷及其形状尺寸的变化等信息。113.2.2.4涡流检测相似定律1 涡流检测界限频率在有效磁导率的数学表达式中，贝塞尔函数的变量（ -j Kr） 1/2的模为 1时的频率，称为界限频率，也称特征频率或固有频率，用符号 fg表示。界限频率 fg的物理意义是：对和工件紧密耦合的工作线圈，当撤去外加能量时，线圈与工件的组合系统依靠本身贮存的电磁能量而发生电振荡的频率。当外加交变能量的频率与固有频率相同时，系统自身消耗能量最少。 2涡流检测相似定律对于两个形状相似尺寸不同的工件，如果二者的频率比 f/fg相同，则这两个工件的有效磁导率就相同，磁导率是描述试件内涡流和磁场分布的物理量。这种相似的现象称为涡流相似定律。f/fg 2fr2式中： f 激磁频率；单位， Hz； fg 界限频率；单位， Hz； 磁导率；单位， H/m；亨利每米 电导率；单位， S/m ；西门子 /米r 试件半径；单位， m。如，一根 d=10cm、 =35s/m的铝棒（ fg=1.45Hz）在f=145Hz的试验频率下所显示的有效磁导率、场强分布及涡流密度分布，与一根直径 d=0.01cm， =10s/m的铁丝（ fg=50660Hz），在 f=5.07Mhz的试验频率下所显示的结果完全相同。根据相似定律，可进行对比试验，以此判定缺陷的深度和大小。143.3涡流检测仪器及设备3.3.1涡流检测仪按检测目的不同，涡流检测仪可分为： 导电仪、测厚仪和探伤仪 等几种。它们的电路型式不同，但为了将试件中的待测因素通过检测线圈的阻抗变化反映出来，它们需要完成一些相同任务： 1）产生激励信号； 2）检测涡流信息； 3）鉴别影响因素； 4）指示检测结果。因此，组成大致相同，由振荡器、探头（检测线圈及其装配件）、信号输出电路、放大器、信号处理器、显示器、电源等几部分组成。15振荡器产生各种频率的振荡电流通过检测线圈， 线圈产生交变磁场并在工件中感生涡流。当试件存在缺陷或物性变化时，线圈电压发生变化，通过信号检出电路将线圈电压变化量输入放大器放大，经信号处理器消除各种干扰信号，最后将有用的信号输入显示器显示检测结果。163.3.1.1 振荡器振荡器的作用是给电桥电路提供电源，当作为电桥桥臂的检测线圈移动到有缺陷的部位时，电桥输出信号，信号经放大后输入检波器进行相位分析，再经滤波和幅度分析后，送到显示和记录装置。* 173.3.1.2 检出电路检出电路可用幅度探测器、相敏探测器来实现。相敏探测器可用于辨别由不同源引起的信号改变。典型的相敏涡流检测系统常采用两个相敏探测器。183.3.2 涡流检测探头3.3.2.1.涡流检测仪的检测线圈分类由按检测线圈与被测工件的相互位置关系可分为如下三类：1）穿过式线圈：将工件插入并通过线圈内部进行检测。2）内通过式线圈：插入工件内部进行检测。3）放置式线圈（探头）：检测时将线圈置于工件表面。193.3.2.2 检测线圈的使用方式进行涡流检测要先在被检工件或材料上激励出交变磁场，因而需要一个激励线圈。与此同时，为了计量涡流磁场的变化，还要有一个测量线圈。激励线圈和测量线圈可以分开装置，也可以是一个线圈兼具激励和测量两种功能。在不需要区别线圈功能的场合，可把激励和测量线圈统称为检测线圈。按电联方式不同，检测线圈有绝对式和差动式两种。1.绝对式 只用一个检测线圈进行涡流检测的方式称为绝对式。2.差动式 两个检测线圈反接在一起进行工作的方式称为差动式。又分为标准比较式和自比较式。n 标准比较式：两个参数完全相同，反向联接的线圈分别放置在标准试样和被检工件或材料上。根据两个检测线圈的输出信号有无差异来判断被检工件或材料的性能。n 自比较式：是标准比较式的特例。比较的标准为同一被检工件或材料上不同部分。用两个参数完全相同，差动联接的线圈同时对同一工件或材料的相邻部分进行检测时，被测部位材料的影响通常较为微弱，而被检部位若存在裂纹，则线圈的自比较工作方式特别适用于检测管（棒）材的局部缺陷。22233.3.3 对比试样主要用于检测和鉴定涡流检测仪的性能，例如灵敏度、分辨力、端部不可检测长度等。人工加工缺陷：对比试样人工缺陷与自然缺陷尺寸并不相同。材料应与被检工件一致。不允许试件产生变形、材质变化、留有残余应力，也不允许加热、研磨。不允许有金属粉末等杂质进入人工缺陷内。243.4 涡流检测方法3.4.1涡流检测一般步骤3.4.1.1检测前的准备根据试件的性质、形状、尺寸及欲检出缺陷种类和大小选择检测方法及设备。对小直径、大批量焊管或棒材的表面探伤，一般选用配有穿过式自比较线圈的自动探伤设备。1.对被检工件进行预处理，除去表面污物及吸附的铁屑等；2.确定检测方法；3.根据相应的技术条件或标准来制备对比试样；4.调整传送装置，使试件通过线圈时无偏心、无摆动。253.4.1.2确定检测频率200 Hz-6MHz。由被检工件厚度、所希望的透入深度、要达到的灵敏度等来选择。频率越低，透入深度越大，但降低频率的同时，检测灵敏度也随之降低。263.4.1.3 调整仪器 选定仪器的平衡形式：自动、手动，或不需要 选定灵敏度 相位调节 选择滤波器形式及 频率 调节报警电瓶 调节好记录器的灵敏度 调节标记装置的延迟时间 决定自动分选档级273.4.1.4.检测在选定规范下进行检测，应尽量保持固定的传送速度，同时保持线圈与试件的距