螺纹结构对脉冲涡流热成像检测效果的影响

张倩钰，侯德鑫，叶树亮

(中国计量大学工业与商贸计量技术研究所，浙江 杭州 310018)

螺纹结构对脉冲涡流热成像检测效果的影响

张倩钰，侯德鑫，叶树亮

(中国计量大学工业与商贸计量技术研究所，浙江 杭州 310018)

脉冲涡流热成像是一种相比渗透和磁粉方法更环保的金属表面裂纹无损检测技术，其检测效果与测试对象表面形状密切相关。现有研究仅关注平面和规则圆柱，缺少对更复杂形状零部件检测规律的分析。以螺杆为对象，采用COMSOL软件建立电磁激励螺杆模型，分析轴向和周向磁化方法下试样表面温升和焦耳热分布的规律，并与螺杆试样温升分布规律进行对比验证。结果显示:在轴向磁化时，漏磁等效应导致螺纹牙底裂纹检测灵敏度低；而在周向磁化时，螺纹牙底处周长减小使该处涡流截面积减小，该处裂纹检测灵敏度反而提高。热扩散和边缘热聚集效应会导致螺纹边缘处温度显著偏高并干扰裂纹显示，需与无裂纹参考图像相减对裂纹进行识别。该研究结果可作为复杂形状零部件脉冲涡流热成像检测系统设计过程的理论参考。

脉冲涡流热成像; 螺杆裂纹; 螺纹; 漏磁效应; 磁化方法； 无损检测

0 引言

脉冲涡流热成像(pulsed eddy current thermography，PECT)是一种新兴的主动红外热成像金属表面裂纹无损检测技术，具有环保、检测速度快、结果直观、易实现自动化的优势[1-3]，已成为该领域的研究热点。

现有文献集中在研究平面和规则圆柱件的裂纹检测。Sakaagami等[4]首次提出PECT法检测裂纹的机理，对不锈钢平板上的无限深、有限长裂纹进行仿真和试验分析，表明涡流在裂纹尖端聚集导致裂纹尖端温度高。宋林等[5]研究了圆柱面上的裂纹检测，表明PECT技术可检测出圆柱面上的裂纹。冷春虎等[6]对圆柱面上的长裂纹进行仿真，表明裂纹引起的温度变化与裂纹深度具有对应关系，为曲面零件裂纹的定量检测提供了参考。Oswald- Tranta B等[7]检测了钢丝表面的长裂纹，表明PECT可用来检测小半径圆柱表面上较浅的长裂纹。Maillard S等[8]对具有螺纹结构的柱状零件的PECT检测进行了试验研究，表明PECT可检测出螺杆上的轴向长裂纹，但热图像中螺杆牙底处裂纹成像效果不佳，文献未分析相关原因。

PECT技术在应用时需根据测试对象设计励磁装置，一般包括对磁化方向、励磁线圈结构及参数等的设计。本文分析了螺杆在不同磁化方式下的检测效果，分析其原因并给出建议，为螺杆类零件的脉冲涡流热成像系统设计提供指导。

1 脉冲涡流热成像检测原理

脉冲涡流热成像检测系统如图1所示。高频感应电源向励磁线圈提供高频大电流，产生的交变电磁场在待测金属零件表面感应产生涡流，通过焦耳效应对零件加热引起温度升高。裂纹引起的电导率和磁导率不连续会改变涡流场的分布，从而改变零件表面的温度分布模式，故可通过对热像仪记录的表面辐射数据进行分析来识别裂纹[9]。

图1 脉冲涡流热成像检测系统示意图

脉冲涡流热成像检测效果取决于零件表面的涡流场分布，其由麦克斯韦方程组和电磁场本构方程组决定[10]:

(1)

(2)

式中:H为磁场强度；J为电流密度；D为电位移矢量;E为电场强度;B为磁感应强度;ε为介质的介电常数;μ为介质磁导率;σ为介质电导率。

涡流引起的热效应由焦耳定律决定:

(3)

而传热过程则由固体热传导方程决定[11]:

(4)

需要说明的是：绝大多数实际问题难以用以上方程求出解析解，因此需要用有限元数值仿真方法对实际问题进行求解。裂纹的检测效果受到励磁方向、裂纹长度、裂纹深度等参数影响，励磁方向与裂纹方向夹角越小，裂纹的检测效果越显著[12]，会在裂纹尖端位置形成异常高温亮点，因此通常使励磁方向平行于裂纹方向；当裂纹方向未知时，可将励磁方向旋转90°测试两次，或者采用旋转磁场进行激励[13]。

2 研究方法

2.1 测试对象

为简化仿真建模设计以减少计算量，文中螺杆上的螺纹是彼此平行的两个凹槽，而非螺旋形。

螺纹牙型选择应用较广泛的圆弧形。为便于和仿真结果对比，试验所用样品的结构和尺寸都与仿真模型完全一致，材质为45钢。螺杆试样材料参数见表1。试验中，对样品表面喷涂黑色哑光漆以提高发射率。

表1 螺杆试样材料参数

2.2 激励方法

文献中多采用商业高频电源为励磁线圈提供激励，线圈一般由水冷铜管绕制或焊接而成，通过空气耦合方式向金属试样传递能量[14]。本文为改善电磁能量耦合效率和避免遮挡，采用了铁氧体磁芯进行耦合。螺杆试样在轴向和周向结构不相同，因此针对两种磁化方式，分别设计了如图2所示的励磁线圈。

轴向磁化时，磁芯的磁极间距为Da，大小为50 mm，如图2(a)所示。磁极宽度方向上磁芯对试样表面的覆盖范围角度为a，大小为108°，如图2(b)所示。周向磁化时，磁极间距为Dc，大小为30 mm，如图2(c)所示；磁芯宽度为L，大小为30 mm，如图2(d)所示。

图2 励磁线圈设计图

仿真激励电流有效值为20×20安匝，激励频率为100 kHz。试验中激励电流有效值为25×20安匝，实测频率为128 kHz。仿真模型材料参数如表2所示。

表2 仿真模型材料参数

部分材料参数对仿真结果无影响，因此未给出相应值。为提高加热均匀性，提离距离取5 mm。

3 仿真试验

3.1 试验结果

轴向和周向磁化加热200 ms后，沿试样轴向和周向的归一化温升和焦耳热分布曲线如图3所示。由于试样温升分布受到热扩散影响，因此不同时刻温升分布不同。为消除观测时间对检测结果的影响，提取试样上的焦耳热分布可以更好地观察激励效果。

由图3(a)和图3(b)可知，轴向磁化时，螺杆牙底处温升偏低，螺纹边缘温升高于周围区域；周向磁化时，螺杆牙底处温升较高，螺纹边缘温升显著高于周围区域。试验结果和仿真规律一致，验证了仿真结果的正确性。由图3(c)可知:轴向磁化时，螺杆牙底处的焦耳热密度很小，是最大值的45%;周向磁化时，螺杆牙底处的焦耳热密度最大，是周围区域的1.37倍。此外，对比图3(c)和图3(a)以及图3(c)和图3(b)可知:在两种磁化方法下加热后，经过200 ms的热扩散，螺纹边缘处的温升高于周围区域。

图3 温升和焦耳热分布曲线

螺杆裂纹的检测机理与平面裂纹的检测机理相同，都是通过裂纹尖端发热的特征进行识别。两种磁化方法下的螺杆裂纹检测结果如图4所示，试验中的热图是有裂纹和无裂纹时的热图相减所得。

图4 螺杆裂纹的检测结果

由仿真结果可见，两种磁化方法下，裂纹都有尖端发热现象，但轴向磁化时由于螺杆牙底焦耳热密度低导致裂纹检测灵敏度低。由试验结果可知，周向磁化时裂纹尖端发热明显，但轴向磁化时无法观察到尖端效应。

3.2 试验结果分析

从仿真和试验结果可知:螺纹结构的电磁激励有很强的不均匀性，特别是牙顶和牙底位置差异较大。激励不均匀引起的温度梯度容易掩盖裂纹引起的温度异常，故有必要分析其原因并改进激励均匀性。

3.2.1 轴向磁化

轴向磁化时螺杆牙底处焦耳热密度低。麦克斯韦方程表明电场强度的旋度由磁通密度变化速率决定，而螺杆上的磁通密度在经过螺纹牙底时大幅下降。由于磁力线具有连续性，部分磁力线会泄漏到空气中或沿柱体圆周方向扩展。

焦耳热密度归一化分布曲线如图5所示。

图5 焦耳热密度归一化分布曲线

为更好地检测出螺杆牙底处的裂纹，需提高牙底处的磁通密度，本文通过减小磁极间距来实现。在相同激励条件下，对磁极间距为50 mm和30 mm的两个模型的焦耳热分布数据进行对比。当磁极间距为30 mm时，检测区域上的焦耳热高于磁极间距为50 mm时检测区域上的焦耳热，牙底处的焦耳热密度也随着磁极间距的减小而增大。

由图5可知，当磁极间距为50 mm时，牙底中心的焦耳热密度约为最大值的46%；而当磁极间距为30 mm时，牙底中心的焦耳热密度约为最大值的67%。所以，减小磁极间距还提高了焦耳热密度在试样轴向上的均匀性，使得更多的焦耳热可以分布到牙底处。但需要指出的是，减小磁极间距后，检测区域面积会相应减小。

综上所述，减小磁极间距可提高牙底处的焦耳热密度，从而提高该处裂纹的检测灵敏度。

3.2.2 周向磁化

周向磁化时牙底处的焦耳热密度明显高于其他区域，其原因是由感应产生的涡流沿轴向流动。由于趋肤效应，涡流主要集中于试样表层，其截面积取决于试样周长和趋肤深度。试样直径在牙底处缩小会导致传导涡流的截面积相应缩小，由于涡流具有连续性，因此涡流密度增加。而焦耳热密度与涡流密度的平方成正比，所以焦耳热密度也增加。为验证上文观点，建立螺纹深度分别为1 mm、2 mm、3 mm的三个模型，牙底涡流密度的轴向分布曲线如图6所示。

图6 涡流密度分布曲线

牙底处与牙顶处(这里取离牙底最近的牙顶)的周长(P)比，以及牙顶处与牙底处的涡流密度(D)比如表3所示。

表3 周长比和涡流密度比

由表3可知:①试样上不同区域的周长之比约等于涡流密度的反比;②牙底处与牙顶处的涡流密度之比随着牙底半径的增加而增加。这很好地支持了前面的解释。

根据上述理论，周向磁化时，由于螺杆牙底处周长变小，牙底处焦耳热密度变大，因此该处的裂纹很容易被检出。

3.2.3 螺纹边缘高温干扰

在两种磁化方法下，螺纹边缘温升高于周围区域。其原因是:螺杆的牙底类似于无限长有限深的裂纹，螺纹边缘处没有涡流的屏蔽，能量可以向下传递到更深的牙底区域，导致螺杆边缘温升高于其周围区域[15]。

边缘温升高会干扰牙底处裂纹的显示，检测时可通过将测试结果与无裂纹参照图相减来消除干扰。需要指出的是，该方法对测试过程中的定位精度有要求，否则会因边缘未对齐而形成伪显示。

4 结束语

为探索柱状零件螺纹结构对脉冲涡流热成像检测效果的影响，本文用两种磁化方法对螺杆试样进行激励，分析了螺纹结构对焦耳热密度和温升分布规律的影响，并给出理论解释。在轴向磁化时，漏磁等效应会导致牙底处焦耳热密度偏低，使该处裂纹很难被检出。通过减小磁极间距可改善此问题,从而提高该处裂纹的检测灵敏度。在周向磁化时，牙底处传导涡流截面积减小导致该处涡流密度变大，使该处裂纹容易被检出。螺纹边缘温升偏高干扰牙底处裂纹的显示，可通过与无裂纹参照图相减消除干扰。

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Influence of Screw Structure on the Detection Effects of Pulsed Eddy Current Thermography

ZHANG Qianyu，HOU Dexin，YE Shuliang

(Institute of Industry and Trade Measurement Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Compared to penetration and magnetic powder methods,the pulse eddy current thermography is a more environmentally friendly non - destructive testing technology for surface crack of metal,and its detection result is closely related to the surface shape of tested objects.At present,the research on such topic is only focusing on the plane and regular cylindrical parts,while lack of analysis of the parts with more complex shapes.With screw rod as the detected object,by using COMSOL,the model of screw rod excited by electromagnetic field is established; and the law of sample surface temperature rise and Joule heat distribution under axial and circumferential magnetization methods are analyzed,and compared with the experimental results for verification.The results show that,under axial magnetization,the detection sensitivity of the crack at the root of the thread is lower because of the magnetic leakage,while under circumferential magnetization,the sensitivity is higher because the circumference decreases and the cross sectional area of eddy current decreases.In addition,the thermal diffusion and aggregation can lead to a higher temperature at the edge of the thread rod and disturb the display of crack; it needs to subtract the reference thermograph of the sample without crack to identify the crack.These researches can act as a theory reference in the process of design for pulsed eddy current thermography system for detecting parts with complex shape.

Pulsed eddy current thermography; Crack of thread rod; Screw; Magnetic leakage effect; Magnetization method; Non-destructive testing

国家重大仪器专项基金资助项目(2013YQ470767)

张倩钰(1991—)，女，在读硕士研究生，主要从事脉冲涡流热成像无损检测技术的研究。E-mail:253735519@qq.com。 叶树亮(通信作者)，男，博士,教授，硕士生导师，主要从事化工产品安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量等方向的研究。E-mail: IITMI_paper@126.com。

TH-39;TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706014

修改稿收到日期:2017-01-17