第3章-涡流检测技术

第三章涡流检测技术3.1概述3.2涡流检测基础知识3.3涡流检测仪器及设备3.4涡流检测方法3.5涡流检测诊断常用标准3.6涡流检测技术应用3.1概述3.1.1涡流检测基本原理3.1.2涡流检测的应用3.1.3涡流检测的特点3.1.4涡流检测的发展过程3.1.1涡流检测基本原理3.1.1涡流检测基本原理涡流检测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称为涡流检测。涡流当检测线圈中通有交变电流时，在线圈周围产生交变磁场；当此交变磁场相对导体作运动时，导体中会感生出涡状流动的电流。原理涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加，使检测线圈的复阻抗发生变化。导体内感生涡流的幅值、相位、流动形式及其伴生磁场受导体的物理特性影响，进而影响检测线圈的复阻抗。因此通过监测检测线圈的阻抗变化即可非破坏地评价导体的物理和工艺性能。3.1.2涡流检测的应用3.1.2涡流检测的特点表面或近表面缺陷检测只适用于导电材料非接触，无需耦合检测速度快，易于实现自动化适用于高温检测适用于异型材料和小零件检测3.1.3涡流检测的发展过程1879年，英国人休斯利用感生涡流对不同的合金进行了判断实验。20世纪50年代初，德国的福斯特等人提出阻抗平面图分析法和相似定律。涡流仪器的发展经历了三代。第一代模拟类机器第二代数字式仪器第三代智能仪器当前涡流检测技术的研究方向：1．多频涡流检测技术2．远场涡流技术：低频3．深层涡流技术：低频涡流和多频涡流技术的综合4．磁光涡流成像技术3.2涡流检测基础知识3.2.1与涡流检测相关的电学和磁学基本知识3.2.2涡流检测技术原理3.2.1与涡流检测相关的电学和磁学基本知识3.2.1.1金属的导电性3.2.1.2金属的磁特性3.2.1.3电磁感应3.2.1.2金属的磁特性磁化：物质在外磁场作用下感生出磁场的物理过程称为磁化。顺磁质：感生磁场微弱、与外磁场方向相同的物质，如铝。逆磁质：感生磁场微弱、与外磁场方向相反的物质，如铜。铁磁质：感生磁场强的物质，如铁，钴、镍及其合金。磁导率：相对磁导率：3.2.1.3电磁感应1．电磁感应：当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中将产生电流的现象。法拉第感应定律感应电动势2.自感应：当线圈中通有交变电流时，线圈中将产生感应电动势的现象。3.互感应：两载流线圈相互激起感应电动势的现象3.2.2涡流检测技术原理3.2.2.1涡流检测原理3.2.2.2趋肤效应和渗透深度3.2.2.3涡流检测线圈的阻抗分析3.2.2.4特征频率和有效磁导率3.2.2.5涡流检测相似定律3.2.2.1涡流检测原理试件表面缺陷影响涡流涡流变化导致检测线圈阻抗变化通过测量线圈阻抗变化，检测缺陷。趋肤效应：涡流集中在靠近激励线圈的材料表面附近交变电流激励磁场强度及涡流密度，随着深度增加按指数分布规律递减；涡流的相位差随着深度增加成比例的增加。渗透深度：涡流密度衰减为其表面密度的1/e(36.8％)时对应的深度渗透深度随被检材料的电导率、磁导率及激励频率的增大而减小。涡流探伤能够达到的极限深度：涡流密度仅约为其表面密度的5％时的深度－3δ。3.2.2.2趋肤效应和渗透深度3.2.2.2趋肤效应和渗透深度DepthEddyCurrentDensityDepthEddyCurrentDensityLowFrequencyLowConductivityLowPermeabilityHighFrequencyHighConductivityHighPermeabilityStandardDepthofPenetration(SkinDepth)1/eor37%ofsurfacedensity3.2.2.3涡流检测线圈的阻抗分析1．单线圈的阻抗2．耦合线圈的阻抗3．阻抗平面图1．单线圈的阻抗2．耦合线圈的阻抗222212122222222222()()()()rrrMMZRRRjLjLRRLRRLRjXZ－初级线圈的视在阻抗Ze－次级线圈对初级线圈作用的等效阻抗222222222()()errMZRRjLRRLZ=Z0+Ze3．阻抗平面图A点B点3．阻抗平面图3．阻抗平面图3.2.2.4有效磁导率和特征频率有效磁导率：为简化阻抗分析，假定磁场不变磁导率变化，称为有效磁导率，事实上磁导率不变磁场变化无限长螺线管，内置导电圆柱体，非铁磁性材料时：10()2()effJjkrjkrJjkr2kf特征频率：使贝塞尔函数变量的模为1的频率，是工件的固有特性，取决于工件的电磁特性和几何尺寸。jkr220150662grrfrd3.2.2.4有效磁导率和特征频率3.2.2.5涡流检测相似定律相似定律：频率比f/fg相同时，不同试件的有效磁导率、涡流密度和磁感应强度的几何分布均相似。导体内部的涡流分布、磁场分布随f/fg变化。只要频率比相同，几何相似的不连续性缺陷(例如以圆柱体直径的百分率表示的一定深度和宽度的裂纹)将引起相同的涡流效应和相同的有效磁导率变化。2211112222fdfd相似条件：模型试验的理论基础/gkrff3.2.2.6填充系数填充系数2dD线圈归一化视在阻抗：reff11reff1L1ReLRRImLd--工件直径D--线圈直径1LL3.2.2.7影响线圈阻抗的因素电导率的影响：沿阻抗曲线切线变材质识别，硬度、应力、微结构检测相对磁导率r的影响沿阻抗曲线切线变几何尺寸d的影响切线、径向同时变检测频率的影响沿阻抗曲线切线变3.3涡流检测仪器及设备3.3.1涡流检测仪3.3.2涡流检测探头(检测线圈)3.3.3对比试样3.3涡流检测仪器及设备3.3.1涡流检测仪功能：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。组成（基本电路）振荡器信号检出电路放大器信号处理电路显示器和电源电路3.3.1涡流检测仪1振荡器高频振荡频率为2MHz一6MHz，适合于检测表面裂纹；低频振荡频率为50kHz～100kHz，穿透深度较大，适合于检测表面下缺陷和多层结构中第二层材质中的缺陷。LC振荡器：起振容易、调整频率方便，振幅大、频率稳定2放大器要求：低噪声、宽动态范围和低失真3抑止电路：通过信号叠加和平均消除干扰4检出电路：幅度探测器、相位探测器5显示：电流表显示、阻抗图显示、计算机数字处理和显示3.3.2涡流检测探头(检测线圈)3.3.2.1检测线圈的分类3.3.2.2检测线圈的使用方式3.3.2.1检测线圈的分类1穿过式线圈：小直径管材、棒材、线材等检测2内通过式线圈：管件、深孔、螺纹孔内壁表面检测。3放置式线圈：板材、带材和大直径管材、棒材的表面检测，形状复杂的工件的特定区域局部检测。3.3.2.1检测线圈的分类3.3.2.2检测线圈的使用方式3.3.2.2检测线圈的使用方式3.3.3对比试样检测和鉴定涡流检测仪的灵敏度、分辨力、端部不可检测长度等性能，用于：选择检测条件调整检测仪器定期检查仪器作为整个仪器的标准当量ReferenceStandardsReferenceStandards(cont.)•Inordertogivetheeddycurrentinspectorusefuldatawhileconductinganinspection,signalsgeneratedfromthetestspecimenmustbecomparedwithknownvalues.•Referencestandardsaretypicallymanufacturedfromthesameorverysimilarmaterialasthetestspecimen.•Manydifferenttypesofstandardsexistforduetothevarietyofeddycurrentinspectionsperformed.•Thefollowingslidesprovideexamplesofspecifictypesofstandards.ReferenceStandards(cont.)Materialthicknessstandardsusedtohelpdeterminesuchthingsasmaterialthinningcausedbycorrosionorerosion.ReferenceStandards(cont.)CrackStandards:ReferenceStandards(cont.)ASMETubingPitStandard:ReferenceStandards(cont.)Nonconductivecoating(paint)standardwithvariousthicknessofpaintonaluminumsubstrate.3.4涡流检测方法3.4.1涡流检测一般操作步骤3.4.2涡流检测的频率选择3.4.3涡流检测信号分析3.4.4提离效应及其抑制3.4.2涡流检测的频率选择被检工件材料非磁性材料：高频，数千赫兹磁性材料：较低的频率透入深度要求：频率越低透入深度越大灵敏度要求(分辨力)：频率低灵敏度减小3.4.3涡流检测信号分析相位分析法1同步检波法用于抑制直线状干扰电压的杂波(如棒材直径变化的干扰)2不平衡电桥法用于抑制呈圆弧状电压轨迹变化的杂波(如提离效应的干扰)频率分析法振幅分析法3.4.4提离效应及其抑制提离效应：又称提离干扰，指在涡流检测中，探头晃动引起的信号变化叠加在缺陷信号中产生的干扰。阻碍对缺陷的正确判断与识别。抑止方法：多项式拟合法数字滤波多频测量模具支架固定探头3.5涡流检测诊断常用标准1钛及钛合金管材的涡流检验：GB／T12969.2—1991规定了以人工标准缺陷的反应信号为依据，检验损害钛及钛合金管材的连续性缺陷的涡流检验方法适用于外径为10mm～60mm,壁厚为0．5mm-45mm的冷凝器和热交换器2圆钢穿过式涡流检测诊断标准：GB／T11260—1996规定了圆钢进行穿过式涡流检验时的对比试样、设备、步骤和结果的评定适用于直径为2mm--100mm圆钢(含钢丝)的表面和近表面缺陷的涡流检验，直径小于2mm的钢丝的涡流检验也可参照使用3铝及铝合金冷拉薄壁管材涡流检测诊断标准：GB／T5126—1985适用于以外穿过式涡流探伤法检测冷拉航空高压导管、普通导管以及其他一些一般用途的薄壁圆管。被检测管材的外径在φ6mm～22mm之间，壁厚在0.5mm~1.5mm之间。4铜及铜合金无缝管涡流检测诊断标准：GB／T5248—1998适用于对铜及铜合金无缝管(以下简称管材)的表面或内部裂纹、夹杂、起皮、碰伤等缺陷的涡流无损检测，所述的规程适合穿过式线圈方法激励频率范围为lkHz一125kHz。检测的管材规格范围为：外径φ4mm～50mm；壁厚0.3mm~3mm。3.6涡流检测技术应用3.6.1涡流探伤1金属管材探伤2金属棒材、线材和丝材的探伤3结构件疲劳裂纹探伤3.6.2材质检验1材料成分及杂质含量的鉴别2热处理状态的鉴别3混料分选3.6.3涡流测厚1涂覆层厚度测量2金属薄板或箔厚度的测量1探伤：金属管材探伤2检验：材料成分及杂质含量的鉴别2检验：热处理状态的鉴别3测厚：涂覆层厚度测量ConductiveBaseMetalNonconductiveCoatingEddyCurrentsIncreasingpaintthickness焊缝检测钢管涡流探伤系统钢管涡流探伤工业线材检测表面裂纹检测第三章作业：1、