铜合金接触线夹杂物缺陷的新型涡流检测探索

李 宁，王 勃，郭晓昕，贾正峰

0 引言

截至2022 年底，我国铁路营运里程已达15.5万公里，其中高速铁路4.2 万公里。随着高速动车组运行速度及安全性能要求的不断提高，电气化铁路接触线作为向机车传输动力的中间媒介，在保证机车正常运行中起着至关重要的作用，且逐渐呈现出以铜为主合金元素的趋势[1]。

目前，CT、CTA 两类接触线的导电率已达97%IACS 以上，接触线作为与电力机车受电弓滑板接触的导线部件，其材料特性不仅要求具备高导电率，同时还应具有优异的综合机械性能[2-3]。据可查数据显示[4-5]，接触线故障在接触网相关设备故障的总体占比中占据较大比例，而这些接触线故障很大程度上与其生产环节的质量管控密切相关。因此，如何在接触线生产环节对其缺陷进行在线检测，有效降低因自身质量所引起的事故率，已经成为铜合金接触线生产领域的一个重要课题。

铜合金接触线规模化生产的拉制速度大致在0.2～0.6 m/s[6]，因铜合金接触线生产工艺特点，部分缺陷存在于成品的次表面及内部，人工目测无法检测。在铜合金接触线生产环节，多采用涡流检测技术，如双频四通道涡流探伤[7]。传统涡流检测法多采用线圈作为激励和检测元件，检测线圈的灵敏度与激励线圈的激励频率成正比，因趋肤效应的存在致使其在检测深度和灵敏度间存在矛盾，且线圈元件不易满足微型化、高精度的生产需求[8-10]，导致传统涡流检测法在铜合金接触线检测领域受到限制，在检测过程中存在着漏检、误报等现象。

为克服传统涡流检测的限制，研究人员提出采用磁场传感器代替检测线圈单元的检测方法[11-14]，这类方法获得矢量信号，信息度更为丰富。针对铜合金接触线生产过程中传统涡流检测方法存在的诸多不足，本文提出一种新涡流检测法测量导体中的缺陷，并通过实验验证其在铜合金接触线领域应用的可行性。新型涡流检测法采用隧道磁阻传感器（Tunnel Magneto Resistance，TMR）为测量元件，永磁体为激励元件共同组成测量系统，该方法使测量、激励元件实现微型化，测量结果为更加直观的脉冲信号。

1 新型涡流检测法检测原理

新型涡流检测法的原理如图1 所示，电导率为σ的导电金属试样与永磁体提供的激励磁场B间保持速度v的相对运动，在导电金属试样内部感应产生涡流J：

图1 新型涡流检测法涡流分布示意图

式中：E为外电场强度。

在外电场强度E= 0，且不计位移电流的条件下，涡流J将激发再生磁场B′，即涡流磁场，该涡流磁场可由安培定律确定。

式中：μ0为真空磁导率。

当待测金属试样存在微颗粒缺陷时，因缺陷与金属试样间电导率的差异，涡流的大小及分布状态将发生变化。相应地，涡流磁场的空间状态与待测金属试样无缺陷时也将发生变化。将磁场传感器放置于待测试样表面附近，即可通过其获得试样中缺陷形状、尺寸、数量等特征信息。

2 实验装置

2.1 实验设备及参数设置

为验证新型涡流检测法在铜合金接触线生产环节应用的可行性及检测效果，搭建了如图2 所示的实验测量装置。

图2 实验测量装置

实验过程中采用扫描圆盘侧壁的方式代替接触线实际生产中拉制成线的环节，测量元件的提离距离为0.10 mm，实验装置的主要组成部件：三维平移台、直流无刷电机、磁场传感器、永磁体、圆铜盘试样（导电率为100%IACS）、示波器等。实验装置搭建在气动自平衡系统的光学平台（型号ZTP-F-Y）上，可有效降低外界机械振动；三维平移台（HGAM306）可精确控制定位测量元件与待测试样件间的空间位置；测量元件选用单轴敏感的隧道式磁阻传感器（型号TMR9001），其采用由4 个TMR 传感器元件组成的推挽式惠斯通全桥结构，灵敏度达300 mV/V/Oe，选用AD8241 作为信号放大器；永磁体选用边长为2 mm 的立方体NdFeB（N36 系列）材质的永磁体，磁化方向垂直于待测圆盘试样侧壁；铜圆盘试样直径为50.0 mm，厚度为5.0 mm，在其侧壁分别制作等距直径ϕ=500、100、200 μm，非等距直径ϕ= 200、150、100 μm 的圆孔模拟微颗粒缺陷，铜圆盘试样由直流电机驱动保持旋转，其运行线速度选定为0.4 m/s 和0.6 m/s 两种；选用示波器（型号MDO3022，Tektronix）作为数据信号采集装置，其带宽为200 MHz，最高采样速率达每秒2.5 G。

2.2 实验结果分析

新型涡流检测法对等距缺陷圆铜盘试样在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 种速度条件下的测量结果如图3 所示。图3 中ϕ= 500、1 000、2 000 μm 3 类缺陷对应的测量信号均非常明显，其信号均具有较高的信噪比。在该测量条件下对多组数据信号进行处理，如图4 所示，可以看出，在测量较大尺寸的微颗粒缺陷时，测量信号的幅值与测量速度在一定区域内呈线性关系。由此可知，在测量500 μm 以上量级的微颗粒缺陷时，测量速度对测量信号的获取起着重要的作用。

图3 不同测量速度时等距圆盘试样测量结果

图4 测量信号幅值与速度关系

非等距缺陷圆铜盘试样在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 种速度条件下的测量结果如图5 所示。在设定条件下，新型涡流检测法可以检测出ϕ= 100 μm 的微颗粒缺陷。对于图5 中4 组测量信号，经计算，各组测量信号与待测试样预制非等距缺陷位置相吻合，仅在图5（b）测量条件下，新型涡流检测法能测量到ϕ= 100 μm 的微颗粒缺陷，其他测量条件下，可测量出150、200 μm 的微颗粒缺陷。

图5 不同测量速度下非等距圆盘试样测量结果

由图6 可知，在测量小于200 μm 量级的微颗粒缺陷时，较高的测量速度不利于微小缺陷所引起磁场变化被测量单元所探测，因此在该种测量要求下，测量系统整体的稳定性应优先于测量速度。

图6 测量信号幅值与速度关系

综上所述，可以得出利用永磁体作为激励源的新型涡流检测法在接触线生产端检测缺陷的可行性。针对测量结果中存在着与测量信号脉冲幅值较为相似的电势波动，这种情况在图5 所示4 组测量信号中尤为明显，这主要是直流电机与铜圆盘试样的同轴度以及铜圆盘试样自身圆度等因素所引起，这些因素将在后续实验中加以改进完善，以提高测量信号的信噪比。

3 结论

（1）上述实验结果表明，新型涡流检测法在铜合金接触线生产环节缺陷检测中的应用是可行的，现有实验条件下可检测到最小ϕ= 100 μm 量级的微颗粒缺陷；

（2）新型涡流检测法在检测不同尺寸的微颗粒缺陷时，测量系统整体稳定性与测量速度之间具有不同的优先级，这两种测量因素之间的侧重选择是测量信号成功获取的重要组成部分；

（3）新型涡流检测法测量装置简单可靠，脉冲信号可更加直观反映缺陷相关信息，为实现铜合金接触线生产过程的高效在线检测提供了一种可借鉴的方法。