铝合金材料涡流检测综述

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铝合金材料在交通领域被广泛应用，定期对铝合金部件进行无损检测是安全性的必然要求。

本文介绍了涡流检测技术的发展现状，简述了几种常见的涡流检测方法的原理及相应的涡流检测系统的工作模式，并结合相关的研究成果，介绍了几种涡流检测技术在对铝合金材料进行无损检测的应用情况。

铝合金材料因拥有着良好的疲劳性能、表面处理能力、抗裂纹扩展能力、吸收冲击能力，耐腐蚀性优秀，焊接性能好等特点，被广泛应用在对材料性能要求较高的动车组和飞机等交通工具上。

铝合金部件的失效形式主要体现在疲劳破坏上，疲劳损伤是几乎无法避免、时刻存在的现象，疲劳损伤的积累最终会导致部件出现疲劳破坏。

大量的试验与研究表明，在疲劳寿命的诸多影响因素中，以应力幅值的影响最大。

因此，对铝合金部件进行定期的残余应力检测是必要的，定期的残余应力检测可以及时发现即将达到损伤极限的构件，维修人员可以根据检测结果做出相应措施，以减少经济损失并降低出现事故的几率。

自20世纪30年代人们对残余应力展开研究时起至今，目前已有大量的用于检测残余应力的方法。

盲孔法、切条法、剥层法等需要对被测工件进行切割、分离的物理方法会对被测件造成一定的损伤甚至破坏，不适合用于铝合金部件的应力检测，对铝合金部件进行应力检测应该以非破坏性的物理法为主。

涡流检测基于电磁感应原理，通过使被检工件（由导电材料构成）内出现感生涡流，通过观察其变化情况来实现了解被检工件的内部物理特征变化以及是否存在工艺性缺陷的目的。

涡流检测因具有灵敏性高、响应迅速、操作方便、成本低等优点，在以航空航天铝合金部件的应力检测为代表的工业领域内得以广泛应用。

1 涡流检测原理
检测线圈中的交变电流I 会在电磁感应的作用下，在其周围的空间中产生一个交变磁场H ，即初级磁场。

在进行检测时，该初级磁场会在被检工件内产生涡流I ′，此涡流也会产生一个交变磁场H ′，即次级磁场。

次级磁场会对初级磁场穿过线圈的磁通变化起到阻碍的作用，进而引起检测线圈内感应电压、阻抗的变化。

如果涡流分布因被检工件的内部缺陷影响而产生变化,则次级磁场H ′也会随之变化,从而导致检测线圈内感应电压和阻抗的变化。

涡流检测的原理如图1
所示。

图1 涡流检测原理示意图
以单频信号作为激励信号的传统的涡流检测技术很难排除干扰信号对检测结果的影响，并存在易受提离效应影响、探测深度浅，检测速度慢的缺点。

随着人们对涡流检测技术研究的不断深入，现在常见的涡流检测技术大致可分为以下几种：
（1）多频涡流检测技术
多频涡流检测是指同时施加不同的频率来激励涡流传感器，并观察其频域信号以进行探伤的方法。

该技术的基本原理为：以多个不同频率的正弦波来同时激励检测线圈，不同频率激励下的检测线圈的输出响应会受到被测件表面状态变化的影响，通过数据处理，可以通过数字方法抑制检测时干扰因素的影响，可以同时对多个参数进行测量。

由于多频涡流检测同时施加了不同频率来激励涡流传感器，得到的线圈阻抗变化信号为多个不同频率信号的叠加。

对涡流信号的多个不同频率的分量进行分离是得到缺陷信号的前提条件。

探头线圈提供的激励电压用u i 表示，则：
(1)
对应的探头线圈的响应电压为：
(2)
分别计算得到激励、响应信号中各频率分量的初相角及幅值，确定该频率分量下激励信号和响应信号的相位差。

以采样起始点作为初始时间，计算电压信号的第i 个频率分量的幅值和相角。

由三角函数的正交性有：
(3) (4)
铝合金材料涡流检测综述
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 高玉龙 孙晓红
西南交通大学 李东楠 杨 岗
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解得：
(5)
(6)
同理，也可以求得公式(2)所表示的响应信号的第i个频率分量的幅值和相角。

通过以上方法可以计算得到探头在某一位置处测得的第i个频率分量的输出信号的幅值以及激励和响应信号之间的相位差。

（2）脉冲涡流检测技术
该技术是涡流检测中的一种新型技术，相比于传统的涡流检测技术，它采用一个阶跃脉冲来激励涡流检测传感器，在线圈内部的脉冲信号的作用下，线圈周围空间会感生出脉冲磁场，该脉冲磁场会在被检测的工件上产生脉冲涡流，进而产生一个感生磁场，检测线圈在感生磁场的作用下感应出随时间变化的电压信号。

脉冲涡流检测技术在对存在较深层缺陷和多层复杂结构的导体进行探测的领域得到广泛应用。

文献（吴少文.飞机多层金属铆接结构脉冲涡流检测信号分析与提离效应抑制）中推导出了可以用于研究导体内涡流和渗透现象的公式，如下：
(7)
(8)
其中——磁感应强度；
——电场强度；
——磁导率；
——电导率。

公式(7)为磁场强度的扩散方程，公式(8)为电场强度的扩散方程。

公式(7)和(8)可以用于对涡流和渗透现象的研究。

（3）远场涡流检测技术
远场涡流检测技术是一种低频涡流检测技术，具有穿透管壁的能力。

无论管材是否是铁磁性，只要材料具备导电性，就可以使用该技术进行检测。

远场涡流检测探头上同时存在检测线圈和激励线圈。

在检测时，激励线圈内输入低频交流电流，在激励线圈作用下的穿过管壁又返回管壁内的感应磁场会被检测线圈识别、接收，从而实现对金属管内外壁缺陷、管壁厚度变化的检测。

电磁信号在传透传播介质时会产生衰减，其计算公式为：
(9)
(10)
其中，——原始电场强度；
——原始磁场强度；
——距离r处的电场强度；
——距离r处的磁场强度；
——趋肤深度。

假设远场涡流两次穿透的管壁厚度相等，对于均匀管则有：
(11)
其中，θ——检测信号相比于激励信号的相位滞后；
d——被测管壁厚度；
f——激励信号的频率；
u——被测套管的磁导率；
σ——被测套管的相对电导率。

公式(9)(10)以幅值变化的角度反应管壁厚度的情况，而公式(11)从相位变化的角度反应管壁厚度的情况，相位变化的公式表达的线性关系比幅值变化的公式表达的指数关系简单，在实际运用中选择检测电磁信号的相位变化情况来进行无损检测会比较简单。

（4）涡流阵列检测技术
涡流阵列检测的探头由多个彼此相互独立工作的线圈组成，它的检测线圈与激励线圈的特殊排列方式会让两个电磁场的方向互相垂直，以发现被测对象内部的不同方向的缺陷。

由于采用了阵列式传感器和电子切换代替了传统的机械式探头，检测系统的检测速度、精度、可靠性大大提高。

该技术适合用于对大面积金属表面以及具有复杂的表面形状的零件进行检测。

图2为表示阻抗变化原理的等效电路图，涡流探头的电阻、电感、电流R1、L1、I1用表示，被检件的电阻、电感、感生涡流用R2、L2、I2
表示。

图2 等效电路图
图3 磁光成像检测原理图
变换，互感作用下的涡流探头的阻抗变化为：
(12)
推导可得：
(13)
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其中，
(14)
探头的综合阻抗为：
(15)X 2和R 2由材料的成分、组织结构和缺陷决定，探头的综合阻抗的变化能够反映出出材料的成分、组织结构和缺陷。

（5）磁光/涡流成像检测技术
磁光/涡流成像检测技术依据的是法拉第电磁感应和磁光效应，将涡流磁场信号转换为光信号，判断被检工件的缺陷并实时成像。

该技术主要用于对航空航天设备的检测。

图3为磁光成像检测的原理图。

光源发射出的光线发生偏振后，将其偏振平面的扭转角度定为用θ表示的法拉第旋光度。

则有：
(16)
式中，θf ——法拉第旋光率； K ——通过旋光介质的入射光波矢量； h ——旋光介质的厚度；
M ——旋光介质的磁化强度矢量。

由公式(16)可知，θ的值由多个参数决定，若保持其它参数不变，则法拉第旋光度的大小只受旋光介质的磁化强度矢量影响。

在被测件中以直线流动的且均匀分布的层状涡流会在空间中产生垂直于被测件的感生磁场。

试件的存在缺陷的区域中电涡流的流动与正常处不同，会导致该处的垂直磁场产生变化，利用磁光传感器可以
将该变化转换成光强度的变化，实现对被测件缺陷处的实时成像。

图4 多频涡流检测仪器的工作模式
图5 多频涡流检测仪
2 涡流检测系统
2.1 多频涡流检测
多频涡流检测仪器的工作模式分为同步模式与异步模式，如图4所示。

同步模式通过算法将不同频率的正弦信号进行叠加得到多频信号，并将此多频信号作为激励信号用于涡流检测。

带通滤波器将检测探头传来的输出信号进行分离，再由信号检测电路对分离得到的信号进行参数提取。

在异步模式中，多路复用模块使得不同频率的单频正弦信号依次作用于检测探头，检测探头输出的响应信号通过多路复用模块传输给检测电路，并进行放大、滤波后得到需要的检测信号。

图5为一种多频涡流检测仪。

2.2 脉冲涡流检测
脉冲涡流检测系统的结构框图如图6所示。

激励信号源提供脉冲激励信号，激励信号作用于探头后，会在探头的激励线圈上产生一个激励磁场，当探头接近被测试件时，这个激励磁场就会使试件产生感生涡流和感生磁场，这个感生磁场通过探头上的磁传感器接收后，经由信号调理电路进行滤波与放大。

数据采集卡用来采集经过处理的检测信号，并将此信号提供给计算机进行数据的分析与处理。

图7为一种脉冲涡流检测仪。

图6 脉冲涡流检测系统结构框图
图7 脉冲涡流检测仪
2.3 远场涡流检测
远场涡流检测仪主要使用Altera 公司的SOPC 技术构成，其系统结构框图如图8所示其中，DDS （数字信号合成器）模块和数据采集模块是SOPC 系统的一部分。

DDS 在系统处理器的控制下生成正弦波信号，该信号经过放大电路放大后，在探头的激励线圈上产生激励信号。

而探头内部的检测线圈会采集到因电磁感应现象产
生的感应信号。

感应信号经过预处理后经过模数转换后由模拟信
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号转换成数字信号并被送至数据采集模块进行数据处理，计算出感应信号与激励信号的相位差和幅值。

人机交互界面包含显示与输入两部分，可以输入DDS 的部分参数并观察系统检测到的各种参数以及系统的工作状态。

探头结构如图9所示，图10为某型号的
远场涡流检测仪。

图8 远场涡流检测仪的系统结构框图
图9 远场涡流检测仪探头结构示意图 图10 远场涡流检测仪
图11 阵列脉冲涡流检测系统
图12 涡流阵列检测仪2.4 涡流阵列检测
阵列脉冲涡流检测系统如图11所示，脉冲信号发生器发出的信号传输至检测阵列传感器后，激励线圈中会产生激励磁场。

根据法拉第电磁感应定律，激励磁场会在被检试件上产生感生涡流和感生磁场。

检测阵列传感器会接收到激励磁场与感生磁场的相互作用，
并将其转换为模拟电压信号。

数据采集卡对模拟电压信号进行接收，并将其传输给计算机。

计算机对模拟电压信号进行数据处理并将其显示在屏幕上。

图12为某型号的涡流阵列检测仪。

2.5 磁光/涡流成像检测
磁光/涡流成像系统结构图如图13所示。

磁场发生器布置在被测件下方，由电压可调的直流/交流电源供电，分别使用恒定磁场和交变磁场对被测件进行励磁。

电机控制柜控制三轴运动试验平台调整空间位置。

磁光传感器将磁信号转化成光信号并将其发送给图像采集系统，即可获取反应被测件缺陷的磁光图像。

图14为一种磁-
光学成像系统。

图13 磁光/涡流成像系统结构图
图14 磁-光学成像系统
3 涡流检测的研究及应用进展
3.1 研究进展
传统的单频涡流检测技术的缺陷逐渐暴露出来，诸如提离效应敏感、探测深度低等局限性已经无法满足对材料和产品质量检测的要求。

针对传统涡流检测技术的缺陷，人们对涡流检测技术经过不断的探索研究，提出了多频涡流检测技术、脉冲涡流检测技术、远场涡流检测技术、涡流阵列检测技术和磁光/涡流成像检测技术等新型的涡流检测技术。

这些新型的涡流检测技术各有其特点，在不同的领域中得到广泛应用。

虽然涡流检测技术领域在人们的研究与改进下得以不断扩展，
但目前的涡流检测技术总是围绕测量参数的优化技术、检测探头（传感器）的优化技术、信号获取与处理技术展开。

（1）测量参数的优化技术
涡流检测技术中传感器的测量参数会对检测结果产生影响，通过研究传感器的特征信号，可以实现对测量参数的优化。

对此方面的研究可以采用有限元法：宋凯等人（宋凯，蒋诗超，孟鹤，侯
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凯，赵本勇.铸钢-铝合金铆接构件的远场涡流检测工艺研究）建立了铆接间隙结构的远场涡流检测有限元模型，并对传感器的测量参数进行了优化，找到了激励频率的最优值。

（2）检测探头（传感器）的优化技术
检测探头是涡流检测系统中不可缺少的组成部分，它的性能优劣能够对检测结果的准确性产生极大影响。

为保证检测结果的准确性与可靠性，检测探头应该具有足够的检测深度与灵敏度。

（3）信号获取与处理技术
涡流检测的信号往往比较微弱且又容易受到其他因素的干扰，对检测信号的识别与对干扰信号的去除受到学者们的重视。

根据国内外发表的论文，目前小波分析、人工神经网络、主成分分析等技术方法均在对涡流检测的信号处理中得以应用。

3.2 应用进展
（1）多频涡流检测
文献（李来平，彭明峰，周建平，宋凯.铝合金熔焊缝表面缺陷阵列涡流检测的仿真和试验）进行了验证多频涡流检测方法在检测铝合金材料表面缺陷可行性的试验，检测示意图如图15所示。

该实验结果证明多频涡流检测方法能够以较高的灵敏度检测出被测件中所在深度不同的缺陷，阐明了多频涡流检测技术在其他规则形状的铝合金材料和零部件上的检测可行性。

究，优化了远场涡流传感器的激励参数。

厉浩（张巍.一种用于铝合金材料的多频涡流测试技术）提出了将远场涡流检测与超声波检测相结合，对动车组空心车轴进行无损检测的方案。

（4）涡流阵列检测
文献（厉浩.动车组空心车轴运用检修检测方法的探讨和建议）以试验的方式对铝合金焊缝试件进行表面点状缺陷和自然裂纹的检测，而后采用着色渗透检测法对试件进行检测验证，证实了涡流阵列检测法对铝合金焊缝表面缺陷的可行性。

文献（金翠娥，周建平，范晨洁.铝合金熔焊缝的阵列涡流检测工艺）通过工艺试验的方式，将涡流阵列检测法和渗透检测法进行对比验证实验，指出了涡流阵列检测具有较高的检测灵敏度和检测效率，数字化成像便于进行结果评判的优点。

（5）磁光/涡流成像检测技术
文献（任吉林，吴彦，邬冠华.磁光成像技术在航空构件涡流检测中的应用）根据磁光/涡流成像技术搭建了用于对典型的飞机构件缺陷进行模拟检测的有限元模型，并指出该技术能够有效地识别被检件的疲劳裂纹和腐蚀等缺陷。

高向东等人（高向东，吴嘉杰.微间隙焊缝磁光成像检测及跟踪方法；高向东，甄任贺.微间隙焊缝磁光成像检测方法；吴嘉杰.
磁光成像焊缝跟踪自适应卡尔曼滤波算法研究；黄冠雄，高向
图15 多频涡流检测方法在检测铝合金材料表面缺陷的示意图
（2）脉冲涡流检测
在分析了国内外针对脉冲涡流检测的研究现状后，文献（邹宇.金属构件非均匀分布应力的涡流无损检测方法研究）设计了用于检测裂纹缺陷和腐蚀的脉冲涡流检测系统，实现了对裂纹的定深、定量检测，对腐蚀缺陷实现了扫描成像，并在此基础上对提离效应抑制进行了研究，优化了脉冲涡流检测对多层金属结构的内部缺陷的检测效果。

（3）远场涡流检测
在轨道交通车辆的底架、侧墙等结构中广泛使用铸钢-铝合金铆接件，其铆接间隙可能会使铆钉发生松动进而影响行车安全，定期对铆接件的间隙进行检测是保证车辆运行安全的必然要求。

文献（宋凯，蒋诗超，孟鹤，侯凯，赵本勇.铸钢-铝合金铆接构件的远场涡流检测工艺研究）对铆接结构的板间间隙进行远场涡流实验研
东，萧振林，陈晓辉，李秀忠.微间隙焊缝磁光成像传感自适应识别方法）的研究，将磁光成像检测技术与焊接技术相结合，实现了焊缝的自动追踪并提高了自动追踪的精度，该成果为在铝合金材料部件焊接的过程中提高焊接质量提供了依据。

传统的涡流检测技术虽存在诸多缺陷，但经过改进后的各涡流检测技术克服了其不足之处并在无损检测中得到了广泛运用。

目前的研究已证明涡流检测技术在对铝合金材料进行无损检测方面的可行性，利用涡流检测对飞机的蒙皮、机翼壁板等多层铝合金结构的无损检测方面已有应用实例。

基金支持：国家重点研发计划资助（2017YFB1201103）；四川省科技计划资助（2019JDRC0024）。