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螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 摘要 螺栓是工业生产中常见的标准件，用量非常大。因此螺栓质量的重要性不 言而喻。螺栓头杆结合部因为特殊的结构形态和复杂的交变应力，使头杆结合 部出现缺陷的概率极大。但是传统的磁粉检测法对头杆结合部的周向裂纹误检 率很高，所以人们开始尝试涡流检测法。虽然普通的涡流单探头已经能够对螺 栓头杆结合部进行检测，但是也存在着机械设计复杂和探头容易损坏等弊病。 所以，本文对涡流阵列式探头进行了研究，以期制作出一种静态检测的探头， 能够准确有效地检测出螺栓头杆结合部的裂纹。从而弥补原有检测方法的不足， 为航空、船运和汽车用螺栓提供零缺陷的质量保证手段。 本文主要采用了数值型和实验型相结合的方法来设计需要的涡流阵列式探 头。首先，根据被测螺栓的大小以及裂纹大约的尺寸确定阵列探头的个数。接 着，根据被测螺栓的电导率和裂纹尺寸确定了检测频率。然后，运用电磁场理 论和麦克斯韦方程建立了单探头的数学模型，对涡流场的分布进行了估算，从 而确定了单个探头的直径和线圈匝数。最后，设计了配合螺栓头杆结合部形状 的探头骨架。实验分为两部分：第一部分用涡流阵列式探头对自己制作的试样 进行检测。试样为2 1 个s f c 8 8 镀锌螺栓，分别编号为0 号2 0 号。先从中取 出八个正常试样，将涡流阵列式探头通过电子切换用八个单探头分别测量，并 记录每个探头测得的数据。然后再用线切割在螺栓头杆结合部做出深度分别为 0 2 m m ，0 4 m ，0 6 m m ，0 8 m ，i 2 m m ，长5 m m 的裂纹。通过电子切换用八个探 头分别测量线切割过后的试样，并记录下最高和最低电压。第二部分用涡流阵 列式探头检测一批由螺栓生产厂家提供的s f c 8 8 发黑螺栓，共6 6 个。将6 6 个 螺栓分别编号为i 号_ 6 6 号( 其中1 号为已知标样) 。然后用涡流阵列式探头逐 个检测，并记录最高电压和最低电压。接着进行数据处理找出有缺陷的螺栓， 把被认为有缺陷的螺栓进行金相分析。最后从被认为合格的螺栓当中随机抽出 五个进行检验。 本文设计的涡流阵列式探头规格如下：单探头个数为8 个；探头直径为 1 7 r m ；探头电感为0 3 m h ，阻抗为1 8 8 5 q ；线圈匝数为1 1 0 匝；检测频率为 l o o k h z ；骨架用尼龙制作。深度为0 8 m 的试样平均电压差为1 1 9 v ，信噪平均 比为3 0 9 ，增益为9 7 9 d b 。螺栓生产厂家提供的发黑螺栓，根据得到的数据可 以选定一个合适的报警阈值，在6 6 个试样当中挑出1 4 个不合格螺栓，其中5 个是发黑不完全的，其余9 个用金相显微镜观察均发现裂纹。而5 2 个被认为合 格的螺栓都通过了拉力测试。 本文研制的涡流阵列式探头，能够有效地对螺栓头杆结合部进行检测，解 决了传统检测方法对螺栓头杆结合部检测时对周向裂纹误检率高的问题。在静 态检测情况下，当裂纹深度达到0 8 m m 时，信噪比为3 0 9 ，能够达到国家自动 探伤要求。相比于涡流单探头，涡流阵列式探头使用寿命更长，机械设计也更 为简单。通过调整参数使八个探头保持良好的一致性，根据得到的数据能够找 到一个理想的报警阈值，大大加快了检测速度和稳定性。假如在热处理以后， 镀锌或者发黑以前进行检测，能够避免镀锌不均匀或者发黑不完全给检测结果 带来的影响，从而提高检测的准确度。阵列式涡流探头具有许多常规探头不具 备的特性，而阵列式探头的研制和应用在我国处于起步阶段，用于检测螺栓头 杆结合部裂纹的几乎没有。本课题制作的阵列式涡流探头对今后螺栓检测的研 究有一定的参考价值，为螺栓产品提供了质量保障。 关键词：涡流检测；阵列式探头；螺栓；缺陷 t h es t u d yo fa r r a ye d d yc u r r e n tp r o b e su s e dt od e t e c t t h ed e f e c t sa tt h er o o to fb o l t s a b s t r a c t b o l t sa r e s t a n d a r dp a r t si ni n d u s t r i a lp r o d u c t ，t h e ya r eu s e d c o m m o n l y t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo fb o l t si sv e r yi m p o r t a n t d u et ot h e u n i q u es t r u c t u r ea n dt h ec o m p l e xs t r e s s ，i ti sh i g h l yp o s s i b l ef o rd e f e c t s t oo c c u ra tt h er o o to fb o l t s h o w e v e r ，m a g n e t i cp a r t i c l et e s td o e sn o t c o v e rt h o s ed e f e c t s ，s u c ha st h ec r a c k so ft h eb o l tr o o t t h e r e f o r e ，e d d y c u r r e n tt e s th a sb e e ni n t r o d u c e d t h o u g h ，s i n g l ee d d yc u r r e n tp r o b ec a n a l r e a d yt e s tt h ec r a c k so ft h eb l o tr o o t ，i th a sc o m p l e xm e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h ep r o b e sa r ep r o n et od a m a g ea n do t h e rs h o r t c o m i n g s t h e r e f o r e ， i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c ho na r r a ye d d yc u r r e n tp r o b e ss o a st op r o d u c e as t a t i ct e s tp r o b ew h i c hc a na c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l yd e t e c tc r a c k o c c u r e n c e sa tb o l tr o o t si sc o n d u c t e d t h i sp a p e rh a ss o l v e do n eo ft h e i s s u e si nt r a d i t i o n a lt e s t i n g t h e r e f o r e ，i tp r o v i d e sas o l u t i o nt o m i n i m i z et h ed e f e c tr a t eo fb o l t sw h i c ha r ep o p u l a r l yu s e di na i r c r a f t s ， a u t o m o t i v e sa n dc r u i s e s t h ep r o b e ss o l v et h ep r o b l e m st h a tp u z z l e d p e o p l e i nt h i sp a p e r ，am e t h o dc o m b i n i n gn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s i su s e dt od e s i g ne d d yc u r r e n ta r r a yp r o b e s f i r s t ，b a s e do nt h es i z e o ft h et e s t e db o l ta n dt h ee x p e c t e dc r a c k s ，t h en u m b e ro fp r o b e si nt h e a r r a yi sd e t e r m i n e d t h e n ，b a s e do nt h ec o n d u c t i v i t yo ft h et e s t e d m a t e r i a la n dt h es i z eo ft h eb o l tc r a c k s ，t h et e s tf r e q u e n c yi sd e t e r m i n e d t h e n ，e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r i e sa n dm a x w e l l se q u a t i o n sa r eu s e dt ob u i l d am o d e lo fo n es i n g l ep r o b e ，t oe s t i m a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h ee d d y h i f i e l d ，a n dt oi d e n t i f yt h ed i a m e t e ro ft h es i n g l ep r o b e f i n a l l y ，t h e p r o b ef r a m e w o r kt of i t t h eb o l t r o o ti s d e s i g n e d t h ee x p e r i m e n ti s d i v i d e di n t ot w op a r t s d u r i n gt h ef i r s tp a r t ，o u rs a m p l e sa r et e s t e d b yt h ea r r a ye d d yc u r r e n tp r o b e s t h es a m p l e sa r et w e n t y o n eg a l v a n i z e d b o l t s ，a n da r en u m b e r e df r o m0t o2 0 w es t a r tt h et e s tf r o me i g h to f t h es a m p l e s ，r e c o r dt h em a x i m u ma n dt h em i n i m u mv o l t a g ev a l u e so fe a c h b o l ta n dt h e nc u tac r a c ka tt h eb o l tr o o tb yw e d m ，w i t ht h ew i d t ho f 5 m ma n dw i t ht h ed e p t ho f0 2 m m 、0 4 m m 、0 6 m m 、0 8 m ma n d1 2 m c o r r e s p o n d i n 9 1 y ( n o 0i sas t a n d a r ds a m p l e ，n o 1 4a r e0 2 n n ；n o 5 - 8 a r e0 4 m m ；n o 9 - 1 2a r e0 6 m m ；n o 1 3 1 6a r e0 8 m m ；n o 1 7 2 0a r e1 2 m m ) t h e nt h eb o l t sa r et e s t e d a n da g a i nw er e c o r dt h em a x i m u ma n dm i n i m u m v o l t a g ev a l u e so fe a c hb o l t w i t ht h es e c o n dp a r t ，s i x t y s i xs f c 8 8 b l a c k e n i n gb o l t so f f e r e db yt h em a n u f a c t u r e ra r et e s t e d t h en u m b e r sa r e 卜6 0 。n o 1i sas t a n d a r ds a m p l e t h e n ，t h em a x i m u ma n dm i n i m u mv o l t a g e v a l u e so fe a c hb o l ta r er e c o r d e d t h ee x p e c t e dd e f e c t i v eb o l t sa r eu s e d f o rm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s t h ee d d yc u r r e n ta r r a yp r o b e sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra r ed e s i g n e d a sf o l l o w s ：( 1 ) e i g h ts i n g l ep r o b e s ：( 2 ) t h es i n g l ep r o b ed i a m e t e ri s1 7 m ：( 3 ) t h ei n d u c t a n c eo fs i n g l ep r o b ei s3 0 m h ，i m p e d a n c ei s 1 8 8 5o ：( 4 ) t h en u m b e ro ft u r n si s1 1 0 ：( 5 ) d e t e c t i o nf r e q u e n c yi sl o o h z ：( 6 ) t h e f r a m e w o r ki sm a d eo fn y l o n f i r s tp a r to ft h et e s tr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： d e p t hi s0 8 r a m , a v e r a g ev o l t a g ei s1 1 9 v ，s n ri s3 0 9 ，g a i ni s9 7 9 d b i n t h es e c o n dp a r t ，9 vi ss e ta sat h r e s h o l d f o u r t e e nf a i l e db o l t sa r e s e l e c t e d f i v eo ft h e ma r eb l a c k e n i n gi n c o m p l e t e c r a c k sa r ef o u n di n a l lt h eo t h e r st h r o u g ht h em e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e a n da l lo ft h e q u a l i f i e do n e sh a v ep a s s e dt h et e n s i l et e s t i n g t h ee d d yc u r r e n ta r r a yp r o b ed e s c r i b e di nt h i sp a p e ri sa b l et ot e s t t h er o o to fb o l t se f f e c t i v e l ya n di sa b l et oa v o i db l i n ds p o t s 9 d bo f g a i ni sa c h i e v e di ns t a t i ct e s tw h e nt h ed e p t ho fc r a c k se q u a l s0 8 m m i ts a t i s f i e st h en a t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o ra u t o m a t i ct e s t c o m p a r e dw i t h s i n g l ep r o b et e s t ，t h ea r r a ye d d yc u r r e n tp r o b e sh a v el o n g e rl i f ea n d m o r es i m p l em e c h a n i c a ld e s i g n b ya d j u s t i n gp a r a m e t e r si tc a ng r e a t l y a c c e l e r a t ed e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y i ft h e ya r eu s e da f t e r h e a tt r e a t m e n ta n db e f o r eg a l v a n i z e do rb l a c k e n i n g ，t h ei m p a c to fu n e v e n g a l v a n i z a t i o no ri m c o m p l e t eb l a c k e n i n go nt h et e s tr e s u l t sc a nb ea v o i d e d t h e r e f o r e ，i te n h a n c e st h ea c c u r a c yo ft e s t s e d d yc u r r e n ta r r a yp r o b e s h a v em a n yc h a r a c t e r i s t i c st h a tc o n v e n t i o n a l p r o b e sd o n o th a v e t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa r r a yp r o b ea r ea tt h ei n i t i a ls t a g ei n c h i n a i ts h o u l db en o t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fa r r a yp r o b e si nc r a c k d e t e c t i o ni sn o v e li nc h i n a t h i sp r o j e c th a sc o n t r i b u t e dt ot h et h e o r y a n dt e c h n i c a la p p l i c a t i o no ft h ed e f e c td e t e c t i o nm e t h o d o l o g yw h i c hu s e s s i n g l ee d d yc u r r e n ta r r a yp r o b e s i tp r o v i d e s h i g hc o n f i d e n c ef o rt h e r e l i a b i l i t yo ft h eb o l t su s e di nr e a lw o r l d k e yw o r d s ：e d d yc u r r e n tt e s t i n ga r r a ye d d y c u r r e n t p r o b e s b o l t d e f e c t s v 插图清单 图1 1 涡流在线圈交变磁场中的图示3 图1 2 简单的探头线圈5 图1 3 探头线圈的等效电路5 图1 4 电压电流波形图5 图1 5u l u r 和总电压u 的波形图5 图1 6 电压的矢量表示5 图1 7 阻抗的矢量表示5 图1 8 线圈电阻和感抗在平面上的变化7 图1 9 涡流趋肤效应图示9 图1 1 0 断裂螺栓表面组织形貌3 2 0 x 1 2 图1 1 1 螺栓受力示意图1 3 图1 1 2 线圈电阻和阻抗在平面上的变化1 4 图1 1 3 头杆结合部检测示意图1 5 图1 1 4 电涡流阵列形式g oo tq 000000 i 8oo o io 1 6 图1 1 5 电涡流阵列测试方法o w ioo oooooo0 # 1 7 图2 1 用于解析计算的线圈横截面和尺寸2 3 图2 2 导电表面上的表面式探头2 5 图2 3 平底孔处的表面式探头o ooooqo0 o 2 5 图2 4 对由提离变化引起的阻抗和感应变化的有限元推算2 6 图2 5 由提离变化引起的阻抗和感应电压的归一化变化率2 6 图2 6 由孔深变化引起的阻抗和感应电压变化率的推算；孔直径为1 0 m m 2 7 图2 7 由孔深变化引起的阻抗和感应电压变的归一化变化率( 孔的直径为 1 0 r a m ) 2 8 图2 8 由提离和孔深变化引起的归一化阻抗和感应电压的有限元推算2 8 图2 9 耦合涡流探头线圈和被检材料的磁场2 9 图2 1 0 用经标定的r c 振荡器测量金属平板厚度的装置3 0 图2 1 1 探头线圈检测的复电压平面3 1 图2 1 2 单个绝对线圈以及探头线圈系统的差动桥式连接3 3 v h i 图2 1 3 径向电流密度分布图3 6 图2 1 4 裂纹效应的灵敏度曲线3 7 图2 1 5 带磁芯的对称圆环线圈3 9 图2 1 6 阵列探头骨架示意图4 0 图2 1 7 螺栓试样图4 1 图3 1 裂纹深度和电压差的关系4 8 图4 14 号螺栓的金相照片5 5 图4 25 l 号螺栓的金相照片5 5 图4 - 33 9 号螺栓的金相照片5 5 图4 45 4 号螺栓的金相照片5 5 图4 51 号螺栓的剖面照片5 5 图4 65 1 号螺栓的剖面5 6 图4 75 号螺栓的剖面图5 6 图4 7 发黑螺栓裂纹深度和电压差的关系5 7 表格清单 表1 各个探头的电感单位( i n l l ) 4 2 表2 未经线切割的螺栓的最低电压单位( v ) 42 表3 未经线切割的螺栓的最高电压单位( v ) 4 3 表4 试样的最低电压单位( v ) 4 4 表5 试样最高电压单位( v ) 4 5 表6 未经线切割的螺栓的最高最低电压差单位( v ) 46 表7 试样的最高最低电压差单位( v ) 4 7 表8 不同深度裂纹的电压差( v ) 4 8 表9 信噪平均比和增益4 9 表1 0 螺栓电压最大值和最小值以及它们的差单位( v ) 5 2 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼型堂班究瞳或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。( 宋体小四) 学位论文作者签名：参量签字日期：z ，7 年5 月彭f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越型堂班窒瞳有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权担撼抖堂班究瞳可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。( 以下均为宋体小四) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铜友文 l d 翩躲豢 导师签名：z ，爱彳r 一、 v 签字日期o p 一7 年孑月加 签字日期：一呵年矿月缮日 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 前言 螺栓作为标准件之一，在工业生产当中可以说是无处不在。螺栓是锅炉、 汽机、蒸汽等压力管道阀门上的重要紧固件。紧固件在机械构件中起到连接、 定位以及密封等作用，螺栓连接是机械制造与机械设备安装中广泛应用的一种 形式，用量非常大。螺栓连接由于所使用的场合不同，其所受的应力状态和环 境因素作用有时也非常复杂，由于在其加工、安装、应用等过程中承受复杂的 应力、温度等作用，容易引发螺栓断裂失效。对于螺栓的疲劳破坏通常不易发 现，又很难预防，并且疲劳破坏常常是脆性破坏，具有突发性，由螺栓的疲劳 断裂而造成的重大事故也时有发生。为此，长期以来，对于螺栓的破坏研究， 也越来越被人们所重视。螺栓在制造过程中，会经过淬火、回火等热处理工艺， 而在这些过程中通常会产生微裂纹。特别是螺栓的头杆结合部，因为特殊的结 构形态和复杂的交变应力，使头杆结合部出现缺陷的概率极大，但是又难以被 有效地检测出来。因此，螺栓头杆结合部缺陷的检测成为了一个重要的课题。 目前国内对螺栓的检测一般是荧光磁粉法。该种方法主要有以下局限性： ( 1 ) 速度慢，通常检测一个需要几十秒的时间；( 2 ) 劳动强度大；( 3 ) 工作环境恶 劣，对人体有害；( 4 ) 人工检查，增加了人为误差的因素；( 5 ) 对头杆结合部周 向裂纹误检率很高。也有用超声方法检测的情况，不过超声需要耦合剂，而且 大多是在役检测。涡流检测是一种快速、简单可靠的检测技术，可用于检测导 电材料表面缺陷和近表面缺陷。采用涡流检测技术就能有效的解决上述问题， 可以让生产厂家实现在线检测，检验速度和准确性将大大提高，也不会对人体 产生危害，同时避免了人为误差。而单通道涡流探头由于扫查面积有限，所以 检测时需要螺栓高速旋转。这样一来，很容易使探头磨损，而且机械设计方面 的复杂性也很高。同单通道相比，涡流阵列技术具有下列优势：( 1 ) 大大缩减检 测时间；( 2 ) 单次扫查覆盖更大检测面；( 3 ) 减小机械和自动扫查系统的机械复杂 性；( 4 ) 提供检测区域实时图像，便于数据的判读；( 5 ) 很好地适应复杂部件的几 何形状；( 6 ) 改进可靠性和检出率。 本文以螺栓头杆结合部缺陷涡流检测探头研究为题，采用涡流阵列式 探头检测方法，通过电子控制涡流阵列探头激励和接受信号，努力探索一种有 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 效的途径，实现对螺栓头杆结合部裂纹的准确检测。综合运用金属材料学、电 磁场理论、高等数学、矩阵理论以及电子学理论等，在实验室建立一套检测设 备，主要将研究重点放在涡流阵列探头设计和制作，以及电子控制涡流阵列探 头激励和接受信号。研究涡流阵列探头检测机理和制作工艺，以及选择探头制 作所用的漆包线规格、线圈尺寸、屏蔽材料等。从而解决该行业中传统检测方 法所存在的问题，同时也对涡流阵列式探头检测新技术进行大胆创新和尝试。 2 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 第一章文献综述 1 1 涡流检测原理 涡流法无损检测是建立在电磁感应的基础上，利用在交变磁场作用下不同 材料会有不同振幅和相位的涡流值来检测铁磁性和非铁磁性材料的物理性能、 结构和冶金情况等的差异性。其用途如下：( 1 ) 可测量电导率、磁导率、晶粒 大小、热处理状况、硬度和尺寸；( 2 ) 能检出裂缝、折叠、气孔和夹杂等缺陷； ( 3 ) 分选金属材料，检查其成份、显微组织和其他性质的差异；( 4 ) 测量金属 材料上非金属涂层、金属涂镀层，铁磁性材料上非铁磁性材料涂层的厚度等。 1 1 1 基本原理 在涡流检测中，当试样放在线圈所产生的交变磁场中时，将感应出涡流， 而这些涡流又在试样附近产生一附加交变磁场。 国。h 一鬯予 【4 )( b ) 图1 1 涡流在线圈交变磁场中的图示 图1 1 a 表示线圈放在试样表面上的情况，矢量h 口代表试验线圈的初级交变 磁场，而矢量h s 代表由试样中涡流所引起的次级磁场。图1 1 b 表示试验线圈环 绕试样的情况。在上述两种情况中，这两个交变磁场都是叠加的。在有试样时， 试验线圈附近的磁场才会改变“捌。 涡流现象可用下面的数学等式进行描述。如果通过探头线圈的电流是正弦 电流 i p = i o s i n ( o j t ) 该电流产生的磁通量由p 与线圈的圈数n 和电流i p 成正比 固po cn i p 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 由法拉第电磁感应定律，产生的感应电势为 旷一鲁 因为线圈中电流是正弦电流，则线圈中的磁通也是按正弦规律变化 垂，= 西。s i n ( t a t ) 式中m 。是相对于l 的磁通。这样，感应电势为 u s = 一砷。c o s ( 甜) 。 如果探头线圈靠近工件，工件中将会产生涡流 s ：m s b2汾 式中m 是线圈和工件的互感，z s 是试样的阻抗。工件的导电率、磁导率、缺陷 以及厚度等尺寸的变化都会引起z s 的改变。所以，通过检测i s 的变化就可以检 测工件的材质，尺寸和完整性。 根据楞次定律，涡流磁场和探头线圈所产生的磁场相反，故总的磁通量e 为 o e = m p 一中s 式中中s 是涡流产生的磁通，o e 是有试样时，线圈中的总磁通量。 涡流的产生，引起线圈磁通量的减少，这等效于线圈阻抗的减小。当线圈 产生交变磁场并在工件中感生涡流，涡流受到工件性能的影响并反过来使线圈 阻抗发生变化，然后通过信号检测电路获取线圈阻抗的变化，这样就能得到检 测结果1 4 。 1 1 2 线圈的特性 简单的涡流探头就是一个线圈( 图1 2 ) 。其等效电路( 图1 3 ) ，是一个电感 和电阻串联的电路。电感表示线圈的电抗部分，而电阻表示线圈中导线及其电 缆线的电阻 4 1 。当给探头施加一个正弦信号，电压电流的波形如图1 4 所示：电 感上的电压u r l 超前电流i 9 0 。，而电阻上的电压和电流同相位。 测量探头两端的电压和电流，两者之间的相位差如图1 5 所示。 4 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 营 一r u r k l 蓉t 皇毒；l 图1 2 简单的探头线圈图1 3 探头线圈的等效电路 a o 氛瓞 拶； 图1 4 电压电流波形图 ，u ，u 烈8 心 j 心j 图1 5u l u r 和总电压u 的波形图 l - o r 图1 6 电压的矢量表示图1 7 阻抗的矢量表示 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 分析总电压u u = ( g + j c o l ) i = u r + u l = r i + j c o l i = u r + u l 电压波形如图1 5 所示。波形图看上去不太一目了然，更简单的矢量图如图 1 6 所示：1 6 中o b 表示电阻上的压降，o p 表示总的电压， 是总电压和总电 流之间的相位角。图1 7 是探头的阻抗图，阻抗也可以分解为两个分量。 电阻分量 r = z l c o s o 电抗分量 x 。= o z - - i z j s i n o 阻抗的幅值 z = 瓜丽 相角 0 = t g 。xl | r 注意，这里假设探头的分布电容可以忽略不计。 在阻抗平面中，通常以纵坐标代表电抗x l ，以横坐标代表电阻r ，由x l 和r 两个垂直分量在阻抗平面上的交点p 来表示试验线圈的阻抗z 。当线圈中没有试 样时，“空载”试验线圈的阻抗以x 。= o l o 和r 。两个垂直分量在阻抗平面上的交 点，即“空载”点p 。来表示( 图1 8 ) 当试样放到试验线圈的磁场中时，“空载” 试验线圈原来的磁场与涡流磁场叠加发生变化。磁场的这种改变的结果与试验 线圈阻抗变化是相一致的，因此，试样性质的变化可用试验线圈特性的变化来 描述。在试样的影响下，以p 。( r o ，) 点表示的“空载”线圈的视在阻抗就移到 p ，( r 。，x t 。) 点( 见图1 - 8 ) 。 6 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 图1 8 线圈电阻和感抗在平面上的变化 由于试样的影响，视在阻抗从p 。到p ，点位移量和方向即是试样的性质和仪 器特性的函数。试样的重要性质有： 1 电导率o ； 2 大小( 如棒材直径) d ； 3 磁导率p ； 4 缺陷的存在( 如裂缝或气孔) 。 涡流探头的主要特性有：1 涡流探头多变磁场频率； 2 涡流探头的大小和形状； 3 涡流探头与试样的间距( 线圈和试样间的耦合) 。 通常从阻抗的变化( p o 到p 。点的距离) 中不仅可测定试样的电导率、尺寸 和磁导率，而且还可测出裂缝的大小、方向、涂镀层的厚度等。这样，对试样 的物理性质如：合金成分、热处理状态、硬度、表面硬化层深度、缺陷大小和 试样尺寸都能进行测定。 1 1 3 趋肤效应 当通有交变激励电流的检测线圈靠近被测金属导体时，由电磁场理论有： 啦= 1 伽= 叫警 b = g h d = e 日= h 。e ” ，= o e 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 式中为矢量微分运算符，= 丢+ 专+ 妄；h 为磁场强度。a m ，；。为电场 强度( v m ) ；b 为磁感应强度或磁通密度( t ) ；d 为电位移( c ) ：j 为电流密度 ( a m 2 ) ：l l 为导磁系数( h m ) ； 为介电常数( f m ) ；o 为电导率( s m ) ；x 为向量乘号； = 2 f 。 由以上公式可解得： 2 日一七2 日= 0 式中k 2 = j 。u ( o + j me ) 。如果只考虑平面电磁波入射到无限大导体这一情况， 则有： 警誓驴。 式中也为被测金属深层的磁场强度。微分方程的解为： 日z = c 1 e 。h + g 因为导体在x 方向的延伸不受限制，即x 可趋于+ 一，故常数c 。必为0 ，则： h z = c 1 e + 式中七2 j 掣p + j 饼) ，对于金属，则： 七一厕= 西i + j 1 r 掣- - - - - 。- 当x = 0 时，c i = h o ：，其中为被测导体表面的磁场强度( a m ) 。那么，被测导体 深层的磁场强度为： 屹：h 。 厨) 由式：j 及式鼍等一k 2 h z = 。的假设条件可得： 华：一，r d , x 于是： 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 杠水卜扣 ( 半弦川州钱1 式中山为导体深层的电流密度。当x = o 时，导体表层的电流密度为： ，。，：( 1 + 趴旦竽) i 日。 于是 护咖卜“钏 由式k 和 可知，导体表层电涡流密度3 0 。以及磁场渗透深度均与。、l a 、 0 有关，。、u 、o 越小，则表层电涡流密度j 0 ，越大，渗透深度越深，反之相 反。即涡流在受检物体中感应产生，但并非在材料中均匀分布。涡流在表面上 密度较高，其幅度衰减与导体厚度呈指数函数关系，即涡流密度自导体外部向 内按指数规律衰减，并随激励信号的频率、试件的电导率、磁导率的增加，渗 透深度减小。如图1 9 所示。 捌线圈起) 1 妣电柱燃圈纠嫦电检测线圈艮二) 4 os = ) i 吲涡流吲 一一凄 强度 强度 妻誓。 罹蓄寻率 妻塞量耋 孺嚣荨辜 高磁导率 b ”日+ 图1 9 涡流趋肤效应图示 涡流随深度增加作指数或近似于指数式衰减，这取决于被检物体的形状和 厚度。通常定义当材料内部涡流密度为表面涡流密度的i e 的深度为标准渗透 深度。如下式所示： 艿= 1 4 丽a 。 定义材料内部涡流密度为表面涡流密度的5 时的渗透深度为有效渗透深度： q 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 噍= 2 9 9 6 4 a f t r , t 涡流相位角滞后角： 吃= 茗棚f = ， 式中f ：激励探头线圈的信号频率( h z ) 0 ：被测试件的电导率( m q 衄2 ) i l ：被测试件磁导率( h m - 1 ) x ：表面下深度 口：相位角滞后( 弧度) d ：标准渗透深度 由上式可以看出涡流在被测试件内部渗透一个标准渗透深度，涡流密度的 相位滞后一个弧度。被测试件的电导率、磁导率一般是已知且固定不变的，因 此渗透深度一般由激励信号频率来决定5 ，6 刀。 1 2 当今涡流检测技术发展概况 近年来，涡流检测技术有较快的发展，它不仅可以检测金属材料的腐蚀、 裂纹和其它缺陷，还可以进行无损评价。这是因为许多材料的特性都与其固有 的电磁特性有关，一般说来观测材料电磁性能的变化要比其它物理性能容易得 多。但是，与其它检测技术相比涡流检测还未被充分开发。这可能是因为其它 方法能适用于不同材料而得以发展。然而，某些重要区域的疲劳或热机械老化 等缺陷的探测和预测并不能用其它方法进行，人们已经开始把注意力集中在涡 流检测技术上。另一方面，由于涡流信号包含较复杂的变量关系，长期以来， 它阻碍了涡流检测技术的发展，而计算机及信号处理技术的迅猛发展，又大大 促进了涡流检测技术的发展。 综上所示，涡流检测技术的发展方向如下：( 1 ) 涡流阻抗的变化实质上由试 件中涡流场的分布和大小的变化所引起，应研究不同的场如何影响阻抗的特性， 阻抗特性是怎样反映涡流场以及被测体所具有的待测量特征。研究中如何将涡 流场的分布和等效电路阻抗有机结合起来是解决涡流检测中各种应用技术的根 本问题，因而需要大力研究；( 2 ) 远场涡流技术给人们提出了另一个新的理论问 1 0 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 题，即间接耦合磁场和扩散波的波动特性如何统一，以及常规涡流与远场涡流 理论统一的问题；( 3 ) 传感器的设计理论研究尚不充分。传感器应能适应检测对 象对磁场分布的要求，因此对传感器结构的性质研究，将是传感器从经验设计 走向定量设计的关键；( 4 ) 涡流检测技术对缺陷大小形状的三维评价是产品质量 不断提高的必然要求。因此涡流检测三维成像是今后要求的发展方向；( 5 ) 涡流 检测信号对金属材料表面疲劳裂纹的扩展、开裂、机械加工磨削烧伤及残余应 力非常敏感，因此可对加工过程及使用状态进行动态监测。预测材料质量、预 报材料寿命以及实现过程控制的研究己引起了人们的兴趣，并可望得到突破性 的进展。 1 3 螺栓缺陷形成的机理 螺栓的缺陷产生的原因是多种多样的，和铸造、加工、使用以及螺栓的材 质等方面都有关系。比如，在3 0 c r m n s i n i 2 a 钢螺栓的制造中使用有严重偏析的 材料是不适宜的，这就从根本上要求要提高原材料的冶金质量，采取控制硫含 量或钢包吹氩或渣洗等工艺来防止和控制缺陷的数量的措施【8 】。 通常，热处理工艺是产生缺陷的主要原因之一。由于热处理的原因引起金 相组织的变化，从而产生裂纹。图1 1 0 就是在一个已断裂螺栓表面和1 4 直径部 位取样，在光学显微镜下检验，螺栓表面组织为回火马氏体+ 粗大的上贝氏体。 螺栓内部组织的形态与边缘相同，且大部分是粗大的上贝氏体。这可能与淬火 时冷却速度慢有关。用2 硝酸酒精溶液可显示明暗相间的区域，尤其暗区域的 晶界轮廓易被显示。用苦味酸加十二烷基苯磺酸钠显示其奥氏体晶粒度为2 级， 晶界已平直化，说明螺栓在热处理过程中已经过热。螺栓表面区域存在粗大上 贝氏体和板条马氏体的混合组织，说明热处理不当。当螺栓受载时疲劳裂纹易 在局部应力最高以及局部强度最低的微区( 如被尖刀痕切露的粗大的上贝氏体区) 萌生。不良组织的强度低，其疲劳抗力也低，已形核的裂纹也容易扩展。尤其， 粗大的上贝氏体组织在有疲劳裂纹的情况下，抗冲击的性能极差，所以最终断 裂区的面积相当大。另一方面，热处理过热的螺栓晶粒粗化，晶界面积减少， 晶界上杂质元素的偏聚增加，晶粒边界就成了相对薄弱面，从而导致界面上内 聚作用严重减弱，因此裂纹沿晶界扩展，形成“冰糖”状断口形貌。“冰糖” 状沿晶断裂说明材料已经脆化，即使解决了早期疲劳问题，脆性断裂也会发生， 螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究 这就是为什疲劳裂纹很浅就发生脆断的原因例。 图1 1 0 断裂螺栓表面组织形貌3 2 0 x 加工产生的应力通常也能导致缺陷的产生。在螺栓制造过程中，采用增大 变截面圆角半径的良好设计方案。可以降