摘 要：電渦流檢測(cè)技術(shù)作為一種常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)方向缺陷的高速自動(dòng)化檢測(cè)，具有簡(jiǎn)便、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，常用于發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電工件表面及近表面缺陷。文章重點(diǎn)介紹電渦流檢測(cè)的工作原理、檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法，并對(duì)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架表面和車鉤位置表面及近表面缺陷進(jìn)行電渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，定量評(píng)估缺陷的大致深度。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了電渦流檢測(cè)技術(shù)在地鐵車輛金屬表面及涂層覆蓋下裂紋缺陷檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)及重要作用。

　　關(guān)鍵詞：地鐵;車輛;電渦流檢測(cè);趨膚深度;車鉤;轉(zhuǎn)向架

　　《專用車與零部件》(原：現(xiàn)代顯示)(雙月刊)創(chuàng)刊于2015年，是由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)主管、北京卓眾出版有限公司主辦的行業(yè)雜志。主要欄目：卷首語、聚焦點(diǎn)、專用車、講技術(shù)、看世界、大數(shù)據(jù)等。

　　當(dāng)檢測(cè)線圈中通有交變電流時(shí)，在線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng);當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線穿過下方待加熱試件時(shí)，便會(huì)形成回路，從而在其橫截面內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流又被稱作“渦流”。當(dāng)接通交流電的線圈靠近被檢測(cè)工件表面后，其工件表面會(huì)出現(xiàn)電磁渦流，從而產(chǎn)生1個(gè)與原電磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，抵消原磁場(chǎng)的強(qiáng)度，導(dǎo)致檢測(cè)感應(yīng)線圈的電阻和電感分量發(fā)生變化。因此，通過檢測(cè)感應(yīng)線圈的阻抗變化值便可以非破壞性地評(píng)價(jià)導(dǎo)體的物理和工藝性能。

　　1 電渦流檢測(cè)原理

　　電渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的一種無損檢測(cè)方法，該檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)感應(yīng)線圈的阻抗值變化。

　　電渦流檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下3部分組成：①通交流電的線圈式探頭;②檢測(cè)電流的儀器;③被檢測(cè)的金屬工件。其檢測(cè)原理如圖1所示，在檢測(cè)過程中，如果在金屬表面存在缺陷或者其他不均勻性問題時(shí)，就會(huì)阻斷電渦流的流動(dòng)，從而影響到局部表面的溫度及感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使得線圈阻抗發(fā)生變化。因此，利用電磁感應(yīng)原理，可基于檢測(cè)線圈阻抗的變化來推斷被檢測(cè)工件表面及近表面是否發(fā)生損傷，只需檢測(cè)出這個(gè)變化的數(shù)值就可以判別金屬表面有無缺陷。

　　當(dāng)工件表面產(chǎn)生的感應(yīng)電渦流在檢測(cè)工件表面流動(dòng)時(shí)，垂直于渦流流向的裂紋會(huì)阻擋其流動(dòng)，從而引起反射磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致檢測(cè)線圈阻抗和電壓改變，從而檢測(cè)出缺陷。如果裂紋的走向和電渦流流動(dòng)的方向相互平行，那么缺陷被檢出的可能性就較低。因此，電渦流檢測(cè)必須從多個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)不同走向的表面缺陷。

　　2 電渦流檢測(cè)儀器

　　電渦流檢測(cè)儀器的種類很多，根據(jù)不同的檢測(cè)目的可以將其分為導(dǎo)電儀、測(cè)厚儀和探傷儀。雖然它們各自的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有所不同，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中往往需要承擔(dān)相同的任務(wù)：①產(chǎn)生高頻的激勵(lì)信號(hào);②檢測(cè)試件表面的電渦流變化情況;③呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果及缺陷信息。

　　根據(jù)不同檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀及材料屬性，需要變更使用不同類型的線圈探頭。如圖2所示，常見的檢測(cè)線圈探頭類型分為以下3類。

　　(1)穿過式線圈(圖2a)：主要用于檢測(cè)管道，其為棒材等需要從線圈內(nèi)部通過的導(dǎo)電試件。

　　(2)內(nèi)通過式線圈(圖2b)：此類線圈直接穿過被檢測(cè)試件的內(nèi)部，適合檢出管件、小孔徑鉆孔、螺紋孔或厚壁管內(nèi)部的表層缺陷。

　　(3)放置式線圈(圖2c)：分為點(diǎn)式或探頭式線圈。探傷檢測(cè)時(shí)需要放置于被檢測(cè)工件表面，此類線圈的體積較小，線圈內(nèi)部一般帶有磁芯并且靈敏度較高，適合檢測(cè)各種板材及管材的表面，同時(shí)可針對(duì)復(fù)雜形狀試件的指定位置處進(jìn)行檢測(cè)。

　　3 電渦流檢測(cè)方法

　　在實(shí)際檢測(cè)過程中，被測(cè)工件的金屬特性決定其表面感應(yīng)電渦流的密度及滲透深度，即電渦流所能到達(dá)工件表面以下的實(shí)際距離。通常，該距離直接影響電渦流檢測(cè)能力(即檢測(cè)精度)。由于檢測(cè)缺陷的深度受到被測(cè)對(duì)象的趨膚效應(yīng)影響，因此，電渦流法通常便于檢測(cè)近表面缺陷。

　　3.1 趨膚深度

　　感應(yīng)電渦流的密度隨著被試工件表面距離的增大而減小，其變化取決于激勵(lì)端的頻率、被測(cè)工件的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等參數(shù)。在平面電磁波進(jìn)入到半無窮大的金屬導(dǎo)體中時(shí)，電渦流密度及能量將隨著感應(yīng)渦流滲透的深度變化呈現(xiàn)指數(shù)型衰減趨勢(shì)：

　　式(1)中，Jx 表示距離工件表面x深度處的渦流密度;J0表示起始金屬表面的電渦流密度;e為底數(shù)常數(shù);μ表示試件的磁導(dǎo)率;f表示感應(yīng)線圈的交流電頻率;σ表示被檢測(cè)材料的電導(dǎo)率特性。

　　當(dāng)導(dǎo)線中通直流電時(shí)，電流在導(dǎo)體中的分布是均勻的，然而當(dāng)通交流電時(shí)，電流在導(dǎo)體截面上將不再成均勻分布，導(dǎo)體表面上各點(diǎn)的電流密度較大，而中心軸線上的電流密度較小，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分的這種現(xiàn)象叫做趨膚效應(yīng)。在高頻電路中采用空心導(dǎo)線代替實(shí)心導(dǎo)線，此導(dǎo)線的厚度被稱為趨膚深度。通常情況下，感應(yīng)電渦流能到達(dá)的距離為被檢測(cè)表面3～4個(gè)趨膚深度。因此，該技術(shù)不適用于檢測(cè)位于表層以下過深位置處的缺陷。

　　3.2 滲透深度

　　通常情況下，將渦流密度衰減為其表面密度總量的1/e時(shí)所對(duì)應(yīng)的深度定義為滲透深度[3]，該值將決定渦流檢測(cè)的靈敏度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　該值表示不同電導(dǎo)率的金屬標(biāo)準(zhǔn)滲透深度與頻率之間的關(guān)系。如圖3所示，對(duì)于給定的材料，需要根據(jù)材料的相關(guān)物理性質(zhì)選擇合適的感應(yīng)激勵(lì)頻率。

　　電渦流檢測(cè)的激勵(lì)頻率選擇范圍大致可以從200 Hz到6 MHz。對(duì)于大多數(shù)的非磁性材料的檢測(cè)，通常選擇數(shù)千赫茲頻率，而對(duì)于磁性材料則選擇較低頻率。實(shí)際檢測(cè)過程中若檢測(cè)的缺陷位于試件的表面及近表面，采用高頻激勵(lì)信號(hào);若待檢缺陷位于距離表面一定位置處，則采用低頻激勵(lì)信號(hào)。

　　3.3 提離效應(yīng)抑制

　　在渦流檢測(cè)過程中，探頭的提離及晃動(dòng)、檢測(cè)表面的粗糙度等因素都會(huì)引起檢測(cè)信號(hào)的變化。而電渦流的大小隨著變化電磁場(chǎng)與導(dǎo)體的距離改變而變化，這被稱為提離效應(yīng)。這種效應(yīng)對(duì)實(shí)際檢測(cè)過程中的阻抗信號(hào)值影響非常大，常見的抑制提離信號(hào)的方法就是加裝固定形狀的模具，以便檢測(cè)時(shí)保持電渦流探頭距離下方被檢工件表面高度穩(wěn)定且不變。