圖 1渦流檢測(cè)原理示
沉淀硬化不銹鋼按鋼內(nèi)金相組織形態(tài)可分為沉淀硬化半奧氏體不銹鋼、沉淀硬化奧氏體不銹鋼、沉淀硬化馬氏體不銹鋼。其中,合金17-4PH是在鋼中加入銅、鈮等元素經(jīng)沉淀硬化而獲得的馬氏體不銹鋼,該類材料具有耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、塑性及韌性優(yōu)良等特點(diǎn),因此航運(yùn)交通、航空航天工程、核工業(yè)等領(lǐng)域常將其作為關(guān)鍵零部件的材料[1-2]。遠(yuǎn)洋輪船某型號(hào)輪軸即采用17-4PH不銹鋼制成,而船舶在航行過(guò)程中輪軸一直承受著巨大的扭力載荷,其即便存在細(xì)微缺陷也可能帶來(lái)斷軸的風(fēng)險(xiǎn),因此在生產(chǎn)制造過(guò)程中需要對(duì)精加工后的輪軸進(jìn)行磁粉檢測(cè),確保輪軸表面不存在裂紋、夾雜物等缺陷,保障船舶的安全運(yùn)行[3]。
工程中開展輪軸熒光磁粉檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)軸身處常出現(xiàn)大面積條狀、片狀磁痕顯示[4],經(jīng)滲透檢測(cè)該區(qū)域未形成類似痕跡,但是大面積磁痕顯示會(huì)造成熒光磁粉檢測(cè)結(jié)果的信噪比大幅下降,甚至?xí)?dǎo)致細(xì)小相關(guān)顯示的漏判,因此需要尋求其他檢測(cè)方法對(duì)該類工件進(jìn)行有效、可靠檢測(cè)。據(jù)資料顯示,針對(duì)17-4PH不銹鋼材料部件的無(wú)損檢測(cè),相關(guān)學(xué)者與工程人員做過(guò)眾多研究與嘗試。李乾武等[5]利用非線性超聲技術(shù)評(píng)估核電廠17-4PH不銹鋼隔離閥閥桿熱老化脆化問(wèn)題,結(jié)果表明非線性超聲對(duì)時(shí)效過(guò)程中17-4PH不銹鋼的顯微組織變化敏感,可有效評(píng)估閥桿的熱脆化程度。劉松等[6]采用熒光磁粉檢測(cè)方法對(duì)17-4PH鋼渦輪軸進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)輪軸端面存在裂紋缺陷,進(jìn)一步進(jìn)行理化檢驗(yàn)與缺陷診斷分析,得出磁痕為鍍鉻工藝中產(chǎn)生的氫脆裂紋,其研究有效避免了不合格產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)。褚英杰等[7]建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)17-4PH不銹鋼熱老化的磁參數(shù)進(jìn)行無(wú)損評(píng)估,為沉淀馬氏體不銹鋼熱老化的無(wú)損評(píng)估提供了可靠精確的方法。
文章針對(duì)17-4PH不銹鋼輪軸軸身大面積磁痕顯示進(jìn)行了深入探討,分析其形成原因和該類顯示組織對(duì)輪軸性能的影響,并提出采用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)輪軸表面細(xì)微缺陷進(jìn)行檢測(cè)。首先,分析磁粉檢測(cè)過(guò)程中形成磁痕的金屬區(qū)域的成分以及其對(duì)于渦流檢測(cè)的影響；然后,設(shè)計(jì)輪軸專用渦流檢測(cè)探頭,通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)參數(shù)；再制定渦流檢測(cè)工藝并開展檢測(cè)試驗(yàn),最終形成了高效、可靠、環(huán)保的渦流檢測(cè)工藝[8]。
1. 檢測(cè)原理
1.1 渦流檢測(cè)原理
渦流檢測(cè)原理示意如圖1所示。渦流檢測(cè)過(guò)程中,線圈內(nèi)電流it產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)H0,當(dāng)線圈靠近輪軸表面并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),激勵(lì)磁場(chǎng)H0在輪軸中感應(yīng)出旋渦狀電流Ix。根據(jù)Maxwell方程可推導(dǎo)出輪軸不同深度處的電流Ix,其可表示為
式中：σ為材料電導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率；x為探測(cè)深度；f為激勵(lì)頻率。
檢測(cè)過(guò)程中,Ix在輪軸中產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)H0方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)Hx。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,無(wú)缺陷時(shí)線圈內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量和ΔH（ΔH=H0-Hx）為固定值,線圈兩端輸出電壓變化量ΔV=0；當(dāng)存在不連續(xù)時(shí),ΔH為變量值,線圈兩端輸出電壓ΔV≠0。因此,通過(guò)分析線圈輸出端的電信號(hào)關(guān)系特性即可分析輪軸中是否存在材料不連續(xù)[9]。
1.2 阻抗分析法
渦流探頭的檢測(cè)線圈兩端可看作不含電源的端口電路,電路的激勵(lì)電流it的向量表達(dá)式可表示為
式中：ω為角頻率；?i為初始相位角。
電路端口的輸出電壓ut及其向量表達(dá)式可表示為
式中：?u為初始相位角。
二者的比值阻抗Z及其代數(shù)表達(dá)式為
式中：R為電阻；X為電抗。
據(jù)上述分析可知阻抗Z受檢測(cè)工藝參數(shù)、待檢材料連續(xù)性的綜合因素影響,其變化規(guī)律可采用渦流檢測(cè)阻抗圖（見圖2）進(jìn)行表示。由圖2可知,當(dāng)提離高度L不變而特征參數(shù)Pc發(fā)生變化時(shí),其阻抗沿實(shí)線方向變動(dòng)；當(dāng)特征參數(shù)Pc不變而提離高度L變化時(shí),其阻抗沿虛線方向變動(dòng)。故降低提離高度可擴(kuò)大阻抗的變化范圍,有利于提高檢測(cè)信號(hào)信噪比并提升小缺陷檢出率；保持特征參數(shù)Pc數(shù)值在實(shí)線的拐點(diǎn)處可使得有效磁導(dǎo)率μe達(dá)到最大（
圖 2特征參數(shù)Pc的阻抗圖與線圈結(jié)構(gòu)示
2. 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析
2.1 磁痕顯示分析
現(xiàn)場(chǎng)采用熒光磁粉檢測(cè)技術(shù)對(duì)17-4PH不銹鋼輪軸進(jìn)行檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)類似于裂紋顯示的大面積磁痕,如圖3所示。采用滲透檢測(cè)技術(shù)對(duì)出現(xiàn)磁痕的位置進(jìn)行復(fù)驗(yàn),結(jié)果如圖4所示,可知該位置不存在表面開口類缺陷。為了進(jìn)一步探尋磁痕的形成原因,采用電鏡掃描技術(shù)進(jìn)行組織分析,100倍放大倍數(shù)下的組織圖像如圖5所示,表明該區(qū)域內(nèi)存在大量帶狀組織,繼續(xù)放大圖像如圖6所示,分析得出帶狀組織成分為鐵素體。由于鐵素體為軟磁性材料,鐵素體材料的磁導(dǎo)率大于馬氏體的,則磁化過(guò)程中B鐵素體>B馬氏體（B為磁感應(yīng)強(qiáng)度）,因此帶狀鐵素體區(qū)域更容易吸附磁粉,從而造成了磁痕顯示。
圖 3軸身磁痕顯示
圖 4軸身磁痕位置處的滲透檢測(cè)顯示
圖 5圖3組織的放大100倍電鏡掃描圖片
圖 6圖3組織的放大500倍電鏡掃描圖片
2.2 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知,帶狀鐵素體常以區(qū)域的形式出現(xiàn)并且邊界變化緩慢,造成了該區(qū)域內(nèi)材料磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ的變化,進(jìn)而導(dǎo)致了阻抗變化的不同。如果采用單線圈探頭進(jìn)行檢測(cè),則該區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量信號(hào)噪聲,而雙線圈差分式探頭有利于抑制材料緩慢變化帶來(lái)的阻抗擾動(dòng)。因此,文章采用雙線圈差分渦流探頭進(jìn)行檢測(cè)。單通道渦流探頭檢測(cè)區(qū)域小,考慮到實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的效率問(wèn)題,故采用四通道渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)輪軸開展檢測(cè)試驗(yàn)。其四個(gè)通道采用脈沖信號(hào)控制發(fā)射/接收順序,差分線圈構(gòu)成兩個(gè)電橋橋臂,電橋平衡時(shí)輸出電壓為零,當(dāng)阻抗發(fā)生變化時(shí),電橋失去平衡,輸出電壓不為零,因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化判斷構(gòu)件是否存在不連續(xù)[11]。
2.3 線圈參數(shù)優(yōu)化
為進(jìn)一步分析線圈的電磁特性,采用ANSYS軟件建立模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析不同參數(shù)的線圈空間磁場(chǎng)強(qiáng)度分布和數(shù)值變化,設(shè)定線圈內(nèi)徑r分別為0.5,1.0,1.5 mm,線圈匝數(shù)、線徑、壁厚、高度相等,檢測(cè)材料為17-4PH鋼,提離高度L為0.2 mm,其余各項(xiàng)參數(shù)如表1所示,正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f為100 kHz。
Table 1.仿真時(shí)的材料屬性設(shè)置
仿真得到不同內(nèi)徑線圈的磁場(chǎng)分布如圖7所示,可知隨著內(nèi)徑增加,線圈空心部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。提取線圈下端部徑向距離線圈中心5 mm區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并繪制磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線,如圖8所示,可知線圈端部磁場(chǎng)最強(qiáng)區(qū)域?yàn)榫€圈內(nèi)壁,線圈內(nèi)徑r與徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度H徑的衰減速度呈反比。提取線圈軸線下方鋼板不同深度處的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值并繪制成曲線,如圖8所示,可知線圈內(nèi)徑r與鋼板不同深度處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H軸呈正比。
圖 7不同內(nèi)徑線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布
圖 8不同內(nèi)徑線圈的徑向及軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線
綜上可知,如果對(duì)埋深缺陷檢測(cè)要求不高則選擇內(nèi)徑較小的線圈,該類線圈具有很高的表面檢測(cè)靈敏度,可針對(duì)細(xì)微缺陷進(jìn)行檢測(cè)；如果需要兼顧近表面區(qū)域的埋深缺陷,則需要增加線圈內(nèi)徑,提升工件內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度。輪軸作為關(guān)鍵部件,其表面不允許存在夾雜、裂紋、折疊等影響使用的缺陷,因此內(nèi)徑為0.5 mm的線圈最合適,但實(shí)際檢測(cè)中內(nèi)徑為0.5 mm的線圈覆蓋面太小,會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效率低下,綜合考慮下,文章選擇內(nèi)徑為1.0 mm的線圈制作渦流探頭。
2.4 檢測(cè)工藝參數(shù)優(yōu)化
由特征參數(shù)公式Pc=ωfμσr2可知,激勵(lì)頻率f的變化會(huì)直接影響線圈阻抗的擾動(dòng),且理論分析表明,當(dāng)μe達(dá)到最大值時(shí)渦流檢測(cè)靈敏度最高,即在阻抗圖拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為最佳頻率。進(jìn)一步采用仿真分析技術(shù)優(yōu)化激勵(lì)頻率,采用上述論證得出的探頭結(jié)構(gòu)及線圈參數(shù)構(gòu)建渦流檢測(cè)探頭模型,激勵(lì)頻率分別設(shè)置為50,100,200,300 kHz。針對(duì)深度為0.1~0.5 mm的一組刻槽進(jìn)行掃查,提取仿真檢測(cè)數(shù)值繪制成曲線,結(jié)果如圖9所示,可知頻率增加有利于提高缺陷檢測(cè)靈敏度,但頻率超過(guò)200 kHz時(shí)檢測(cè)信號(hào)幅值變化不明顯,且高頻率會(huì)導(dǎo)致噪聲信號(hào)的增加,因此應(yīng)在確保檢測(cè)靈敏度的情況下盡量降低激勵(lì)頻率。
圖 9不同深度缺陷的頻率-檢測(cè)信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)關(guān)系
2.5 探頭開發(fā)制作
根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)制作四通道渦流檢測(cè)探頭,開展輪軸檢測(cè)試驗(yàn)。探頭模型及實(shí)物如圖10所示。線圈采用柔性電路板承載空心線圈,背部填充柔性材料。該結(jié)構(gòu)能使得線圈與輪軸曲面產(chǎn)生良好耦合,排除剛性接觸產(chǎn)生的提離效應(yīng)。邊框側(cè)面設(shè)計(jì)成與輪軸弧度相同的凹槽,降低檢測(cè)過(guò)程中因抖動(dòng)產(chǎn)生的阻抗干擾。經(jīng)測(cè)算,該探頭一次性掃查可覆蓋的寬度為10 mm,效率明顯高于單點(diǎn)式檢測(cè)探頭效率。
圖 10四通道探頭模型及實(shí)物
3. 檢測(cè)試驗(yàn)
為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的渦流探頭和檢測(cè)工藝的檢測(cè)效果,在輪軸表面帶狀鐵素體區(qū)域和非帶狀鐵素體區(qū)域分別加工人工刻槽缺陷,缺陷長(zhǎng)度為5.00 mm,寬度為0.08 mm,深度分別為0.1,0.3,0.5 mm。采用四通道設(shè)備搭載渦流探頭開展輪軸檢測(cè)試驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果如圖11,12所示。
圖 11輪軸非帶狀鐵素體區(qū)域檢測(cè)結(jié)果
圖 12輪軸帶狀鐵素體區(qū)域檢測(cè)結(jié)果
由圖11,12可知,在非帶狀鐵素體區(qū)域可對(duì)尺寸（長(zhǎng)×寬×深,下同）為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽進(jìn)行有效檢出,缺陷信號(hào)幅值為滿屏刻度32%,噪聲信號(hào)幅值為滿屏刻度3.2%,信噪比為10。在帶狀鐵素體區(qū)域,電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的不均勻造成了噪聲信號(hào)幅值的上升,該區(qū)域尺寸為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽信號(hào)幅值為滿屏刻度32%,噪聲信號(hào)幅值為滿屏刻度6%,信噪比為5.3。
分析兩區(qū)域的渦流檢測(cè)結(jié)果可知,多通道渦流檢測(cè)技術(shù)可針對(duì)17-4PH不銹鋼輪軸各區(qū)域進(jìn)行有效檢測(cè),帶狀鐵素體區(qū)域缺陷信號(hào)特征明顯,信噪比大于5,有效避免了磁粉檢測(cè)過(guò)程中的噪聲干擾。
4. 結(jié)論
（1）17-4PH不銹鋼輪軸表面存在帶狀分布的鐵素體組織,由于磁導(dǎo)率的變化,磁粉檢測(cè)過(guò)程中帶狀鐵素體會(huì)吸附磁粉形成磁痕,造成磁粉檢測(cè)信噪比的下降。
（2）雙線圈差分渦流檢測(cè)探頭可以有效減小大面積區(qū)域內(nèi)材料變化帶來(lái)的阻抗干擾,并且針對(duì)材料連續(xù)性劇烈變化的微小區(qū)域具有較高的檢測(cè)靈敏度。
（3）相同激勵(lì)條件下,渦流探頭的線圈內(nèi)徑與導(dǎo)電材料表面缺陷的檢測(cè)靈敏度呈反比,相同深度處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與渦流探頭的線圈內(nèi)徑呈正比。
（4）一定范圍內(nèi)增加激勵(lì)頻率可提高檢測(cè)靈敏度,但同時(shí)會(huì)造成噪聲信號(hào)的增加和渦流滲入深度的下降,因此檢測(cè)過(guò)程中需要根據(jù)檢測(cè)要求進(jìn)行設(shè)置。
（5）四通道渦流檢測(cè)探頭可針對(duì)17-4PH不銹鋼輪軸帶狀鐵素體區(qū)域尺寸為5.00 mm×0.08 mm×0.10 mm的人工刻槽進(jìn)行有效檢測(cè),檢測(cè)信號(hào)信噪比大于5。因此,渦流檢測(cè)技術(shù)有效避免了帶狀鐵素體的干擾,實(shí)現(xiàn)了17-4PH不銹鋼輪軸表面及近表面缺陷的快速檢測(cè)。
文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)