焊缝电磁涡流检测技术

摘 　要:简要回顾比较了检测铁磁性焊缝的几种无损检测方法 ,重点介绍焊缝表面涡流检测 技术的原理、方法及应用场合 ,沧州欧谱以及新近开发的电流扰动涡流传感器技术。该技术最显著的优点 是能在不除漆的情况下进行可靠的焊缝检测及焊缝裂纹深度测量。 关键词:涡流检验;焊缝;传感器;裂纹 　　

中图分类号 : TG115. 28 　　　文献标识码:A 　　　

文章编号:100026656 (2004) 0220095204 EDDY CURRENT INSPECTION TECHNIQUE FOR WELDED L INES WONG Kin2ming (A. E. S. Destructive & Nondestructive Testing Co. , Ltd , Hong Kong , China) L IN Jun2ming ( Eddysun (Xiamen) Electronic Co. , Ltd , Xiamen 361001 , China) Abstract : Nondestructive testing methods for monitoring welded lines were reviewed and stress was laid on the principle, technology and application of eddy current testing , as well as the new technique with electric current perturbation method and magneto2sensor , by which reliable inspection of welded lines and measurement of crack depth could be realized without removing paint. Keywords :Eddy current inspection ; Weld ; Sensor ; Crack

目前常用于检验焊缝质量的无损探伤方法有磁 粉、渗透、超声、射线和常规涡流等检测技术。这些 技术各有其优缺点 ,如磁粉法现场应用非常简单 ,直 接检测表面缺陷 ,但如被检工件表面有涂层或潮湿 , 检测可靠性将大为降低 ,所以必须先去除涂层 ,擦干 表面;渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高 ,但对 表面有涂层及潮湿的工件就不理想 ,且对缺陷的判 定有赖检验人员的经验;超声法对工件表层下缺陷 的检测很有效 ,但检测时需耦合剂 ,效率较低 ,对缺 陷的判定也有赖技术人员的经验;射线法对工件表 层下缺陷的检测很有效 ,但射线辐射危险人体 ,检测 时必须进行安全防护 ,且有些工况不易实施;常规涡 流技术对表面开口裂纹很灵敏 ,在表面涂层、潮湿和 水底等恶劣环境下也能开展检测工作 ,但对缺陷的 判定同样有赖于技术人员的工作经验[1 ]。

综上所述 ,对于表面裂纹 ,尤其是在役大型钢结 收稿日期:2003212203 构的焊缝质量检测 ,常规涡流是最有效的方法 ,因为 钢结构的疲劳裂纹大多数从表面开裂 ,在不需要除 去表面漆层的情况下 ,重点检测钢结构关键受力部 位 ,不但可检出有危险性的裂纹缺陷 ,还可减少检验 时间和降低检测成本。值得一提的是 ,涡流法虽然 简单、有效 ,但真正成为实用技术却是近几年的事 , 这主要归功于一种新型电磁涡流传感器的问世。

1 　涡流检测基本原理 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一 种无损检测方法 ,通常由三部分组成 ,即载交变电流 的检测线圈(探头) 、检测电流的仪器和被检的金属 工件。涡流检测实质是检测线圈阻抗的变化。当检 测线圈靠近被检工件时 ,其表面出现电磁涡流 ,该涡 流同时产生一个与原磁场方向相反的磁场 ,并部分 抵消原磁场 ,导致检测线圈电阻和电感分量变化。 若金属工件存在缺陷 ,就会改变涡流场的强度及分 布 ,使线圈阻抗发生变化 ,通过检测这个变化就可发 图 1 　涡流检测原理示意图 图 2 　

裂纹垂直于涡流 流向易被探测 现有无缺陷 ,图 1 为涡流检测 原理示意图。 图 2 为涡电流在检测工 件上流动的情形 ,垂直于涡电 流流向的裂纹阻挡了它的流 动 ,使工件上反射磁场随之发 生变化 ,进而导致检测线圈阻 抗和电压改变而被探测出;如 果裂纹的走向与涡电流的方 向平行 ,缺陷很难被发现 ,因此 ,一般涡流检测时必 须从多个方向进行扫查。 常规绝对式涡流探头(通常为单线圈)用于检测 导体的表面裂纹时 ,其信号大小与裂纹深度有密切 关系 ,可用来估算裂纹深度。可利用探头离开导体 表面而产生的提离信号作涂层厚度的测试 (图 3 , 4) ,但若探头不垂直于被检工件 ,或左右摇摆不定 , 就会产生干扰信号 ,导致检测的稳定性及准确性大 大降低 ,此外 ,绝对式探头对铁磁性材料的磁导率极 图 3 　绝对式探头(单线圈) A ,B ,C———不同深度的裂纹 图 4 　提离信号及裂纹信号 A ,B ,C———与图 3 工件中裂纹对应的信号 其敏感 ,焊缝表面高低不平和热影响区变化以及锈 蚀的表面也会造成严重的干扰信号 ,无法进行可靠 检测。沧州欧谱因此 ,必须加以改进 ,尽可能减少提离效应及 探头晃动的影响[1 ,2 ]。

2 　电磁(涡流)焊缝检测技术的发展 1993 年 英 国 劳 氏 船 级 社 和 英 国 焊 接 学 会 CWSIP 联合组办专用的培训认证课程 ,极力推广应 用一种电磁检测( EMD) 方法 ,主要应用于海上钻井 平台钢结构的焊缝检测 ,因为海上钻井平台长期浸泡 在海水中 ,桩脚受潮汐涨落的反复侵蚀 ,容易产生金 属腐蚀与疲劳 ,特别在一些关键受力的焊接点上更易 出现疲劳裂纹 ,如用传统的超声、磁粉方法检测这些 位置必须除去油漆 ,而检测后重涂油漆的防锈效果必 然受到影响。若用目视检测也不可靠 ,因表面生锈及 油漆裂开 ,使　藏在油漆下的裂纹无法分辨。 劳氏船级社的验船师尽管考虑到当时的涡流检 测方法不尽理想 ,但还是用当时的涡流检测设备作 了焊缝的大范围扫查 ,检出可疑位置后再去除油漆 作磁粉和超声验证。 1993～1994 年 ,香港和新加坡的无损检测公司 曾为南海油田的几个钻井平台和香港码头岸吊钢结 构的焊缝进行过 EMD ,但由于可靠性和操作性不 佳 ,几乎百分之百用磁粉法重检。去漆和除锈相当 麻烦 ,客户很不满意。

1996 年 ,美国无损检测学会(ASN T) 西雅图年 会上 ,一位英国博士介绍了 ACFM (Alternate Cur2 rent Field Measurement)技术 ,并称应用该技术不需 校准 ,不需专业技术人员操作 ,工件表面无需任何处 理(包括工件表面的油漆、潮湿等 ,甚至能在水下作 业) ,不仅能检出裂纹还能准确测量裂纹深度 ,令人 振奋。但当时香港和新加坡的技术人员咨询了钻井 平台 T , K , Y焊接接头和角焊缝能否应用该技术 , 却未能得到肯定答复。数年后 ,英国和美国的无损 检测杂志大量报道了 ACFM 技术 ,2002 年有关厂 家来香港演示 ,香港地铁公司、码头公司等无损检测 同行看了他们对试块检测的演示 ,结果发现其操作 难度较大 ,扫描速度很慢( < 50mm/ s) ,粗糙焊缝表 面信号杂乱 ,探头尺寸较大 ,难以靠近角焊缝 ,优点 是能测量裂纹深度 ,其实说它是一个裂纹深度测试 仪较恰当。 最近 ,市场推出了一种特殊的电磁涡流探头 ,该 探头可连接具有阻抗平面显示的涡流仪 ,可有效抑 制提离效应及其它噪声[2 ]。其原理是 ,电流扰动磁 敏探头是一种能将磁场及其变化量转变成为电信号 输出的装置 ,它包括激励线圈和检测单元(线圈或磁 敏元件 ,下面以线圈为例) 两个最基本组成部分 ,两 者是分立的 ,且正交取向。激励线圈平行于 X Y 平 面设置,两个相互平行的感应线圈的法线垂直于 Z 轴(图 5) 。

当激励线圈与感应线圈大小可比 (图 5a) ,则交变感应电流所产生磁场的磁力线相对于感 应线圈的方向是各不相同的 ,即感应线圈内有大量 取向各异的磁力线穿过 ,这样必然会严重影响对缺 陷引起电流微弱扰动而导致的磁通变化的检测;如 果激励线圈相对于感应线圈的尺寸足够大(图 5b) , 那么感应电流相对于小尺寸的感应线圈可近似视为 (a) 激励线圈与感应线圈大小可比 (b) 激励线圈远大于感应线圈 图 5 　电流扰动磁敏探头原理 沿单一方向直线流动 ,感应线圈附近的磁力线方向 亦近似趋于一致。感应线圈法线方向平行于电流流 动方向。无缺陷时 ,穿过两个感应线圈的磁通量最 少;当因缺陷存在引起电流扰动而导致磁通变化时 , 即使是微弱的变化 ,感应线圈也能很灵敏地测出 ,且 感应线圈的这种取向对提离变化的敏感度也减至最 小。

作为一个特例 ,感应线圈只取单个 ,仍与激励线 圈正交 ,并接成阻抗平面涡流仪差动激励/ 接收方 式 ,也可基本保持原有探头特性。 上述探头外形如图 6 所示 ,用其检测焊缝裂纹 的阻抗平面图如图 7 所示 ,对裂纹测深的检测界面 图如图 8 所示。试验表明 ,基于该探头的智能涡流 仪性能优越、操作简便快捷、信号清晰稳定、分析判 定容易 ,对铁磁材料的焊缝能获得较满意的探伤效 果。对发现的裂纹还可利用计算机归一化处理 ,进 行深度定量分析(工程应用中 ,由于多种因素的干 扰 ,实际测量结果是一个近似值) 。 图 6 　电流扰动磁敏涡流传感器外形

3 　电磁涡流焊缝检测技术的主要应用范围

3. 1 　离岸(海上)大型钢结构 如前所述 ,涡流检验可透过 2mm 不导电涂层 操作 ,沧州欧谱所以一般的检测都可在不去油漆的情况下进 行。海上钻井平台钢结构的疲劳裂纹 ,特别是一些 关键受力焊接点上的疲劳裂纹 ,若不及早发现就会 发生断裂倒塌事故。这些裂纹位置若在水上 ,可用 绳索下垂检验人员进行测试;如在水下 ,就要潜水人 　　　(a) 常规涡流探头 (b) 电流扰动磁敏探头 图 8 　带有裂纹测深功能的 EEC 　 图 7 　

检测焊缝裂纹的阻抗平面图 智能涡流仪检测界面图员下水工作 ,这是其它无损检测方法不能比拟的。

3. 2 　船与潜艇 由于船在海中受到各个方向的扭力和张力 ,以 及在极端恶劣的气候环境下 ,焊缝受到极大的应力 和腐蚀。电磁涡流检测能测出细微的裂纹 ,对新焊 缝与旧焊缝皆有极佳的效果。潜艇在海上同样受海 水侵蚀 ,所受压力一般是海面上压力的数十倍 ,因此 丝毫差错就会造成极大危险。为对深水、寒冷环境 中的潜艇进行定期探伤 ,开发研制一种融表面处理、 电磁涡流检测和焊接修补于一体的现代遥控、遥感 探伤设备具有重要的现实意义。

3. 3 　桥与吊机 陆上大型结构同样遭受极大的应力 ,如桥梁和 吊机等 ,均受到不同大小幅度的周期载荷震动 ,在一 定的震动次数和重复载荷及气候变化腐蚀下 ,容易 造成金属疲劳 ,形成工业意外的诱因 ,因此对其的检 测不容乎视。

3. 4 　主题公园内的机动游戏机 主题公园内的机动游戏机受到各种周期性的负 载和震动 ,容易造成金属疲劳 ,在受力的焊接处更容 易发生断裂。温带及热带主题公园需一年四季开 放 ,电磁涡流检测因其快速可靠便成为最佳选择 ,不 论是否进行自动扫描 ,在役检测已成了无损检测的 新趋势 ,可减少人力及时间 ,以降低成本及提高维修 质量。

4 　电磁涡流焊缝检测展望 随着电子技术、电磁涡流技术和微机技术的融 合 ,新型电磁涡流设备具有了多功能、多用途、体积 小、重量轻、携带移动方便、操作容易等优点。铁磁 性焊缝检测选用智能便携式涡流仪 ,配备专用传感 器 ,可有效抑制提离效应 ,抑制焊缝热影响区和粗糙 焊面形成的干扰信号 ,获得清晰、稳定可靠的检测信 号。电磁涡流法能检测金属材料表面、亚表面的缺 陷 ,焊缝表面非金属涂层厚度达到甚至超过 2mm 也能检测 ,而实际上一般钢结构的油漆涂层厚度只 有 0. 3～0. 4mm。而且 ,在潮湿、大风、光线不足或 在水中也能进行检测。对比之下 ,涡流检测成本费 用不高 ,不需去油漆 ,且检测速度较快。若配以自动 化辅助设备 ,便可进一步提高检测速度和效率 ,且能 到达一些较危险的检测位置 ,降低检测人员的风险。

值得指出的是 ,虽然这种新型电磁涡流法有许 多优点 ,但对检测人员有较高的技术水平要求。数字超声波探伤仪http://www.shuzichaoshengbotanshangyi.com涡 流法对铁磁材料表面检测的灵敏度很高 ,而渗透深 度很浅 ,对不同材料的测试需要不同的标准试块 ,必 要时应选用特定频率范围和相应的探头作检测。另 外 ,铁磁性材料表面以下的裂纹是无法检出的。此 外 ,提离效应、末端效应、边缘效应及端角效应等对 检测信号仍有一定的影响 ,对不清洁、太粗糙、高低 不平及焊瘤表面较难检测 ,检测人员需耐心谨慎地 分辨。工程上 ,能够检出的最小裂纹深度视具体工 况而定 ,一般在 0. 5～2mm。 尽管涡流检测法有一定的局限性 ,但毕竟是迄 今为止最有效的不去除涂层的在役焊缝检测方法 , 目前已在欧洲广泛应用 ,并制订了相应标准 BS (EN) 1711 :2000 [3 ]。世界上几个主要船级社都已 认可了这种方法 ,如英国劳氏船级社、美国和挪威船 级社等。笔者坚信 ,随着电磁涡流检测技术研究的 不断深入 ,新型设备和传感器的推陈出新 ,设备的灵 敏性和可靠性将日臻完善 ,能更好地满足现场的使 用要求。

同时 ,多信息融合技术的应用(如结合金属 磁记忆检测技术 MMM T) ,也将进一步提高焊缝电 磁检测结果的置信度。目前 ,国内有关方法的行业标 准也在酝酿中 ,可望在不久的将来获得制订与颁布。

参考文献:

[1 ] 任吉林 ,林俊明 ,高春法. 电磁检测[ M ]. 北京:机械工 业出版社 ,2000. [2 ] 林俊明 ,张开良 ,林发炳 ,等.焊缝裂纹快速检测与深度 测量[A ].第八届全国无损检测大会暨国际无损检测 技术研讨会论文集[ M/ CD ].苏州:2003. [3 ] BS ( EN) 1711 : 2000 , Non2Destructive Examination of Welds : Eddy Current Examination of Welds by Complex Plane Analysis[ S]. (上接第 92 页) 应马上移出干燥箱 ,注意不要遗漏 ,以免干燥时间过 长导致渗透检验灵敏度降低。 参考文献: [1 ] 中国机械工程学会无损检测分会编. 渗透检验[ M ]. 北 京:机械工业出版社 ,1986. [2 ] HB/ Z 61 —1998 ,渗透检验[ S]. [3 ] 美国无损检测学会编 ,美国无损检测手册译审委员会 译.美国无损检测手册·渗透卷[ M ]. 上海:世界图书出 版公司 ,1994.