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涡流检测以其简单、无需耦合、易于实现自动检测等优点，广泛应用于金属工件表面或近表面的检测。 金属工件在加工时会形成不同程度的粗糙表面，与其他工件发生摩擦，或者在使用过程中受到腐蚀。 粗糙的工件表面相当于许多微小的缺陷，影响涡流探伤的精度和准确度。 为此，有必要探讨对粗糙金属表面微裂纹实施涡流检测的可行性，确定不同工况下的检测能力，为涡流检测的应用提供良好的指导。

一、实验研究

(1) 试件

为定量分析表面粗糙度对涡流探伤的影响，选取机加工后表面纹理规则的工件进行检测。 圆盘刀铣和立刀铣两种加工方式各选取三个工件，Ras分别为3.2、6.3和12.5 μm，并选取Ra=0.2 μm的平面磨削面作为对比。

图1 不同粗糙度试样的加工表面

如图2所示，在每个工件的同一位置雕刻出三个人工凹槽。 凹槽的深度由深到浅依次为50、20、5μm，宽度为20μm，长度为5cm。

图2 试样缺口示意图

测试中采用差分涡流探头，保证扫描过程中探头与工件表面始终紧密接触粗糙度测量，零提离间隙。

(2) 测试结果

根据试验得到的沟槽信号图，计算沟槽信号幅值与底波信号幅值之比Rs，得到沟槽信号幅值与底波信号幅值比Rs与粗糙度的关系表如表1所示。

表1 沟槽信号幅值与底波信号幅值之比-粗糙度关系表

沟槽深度/μm

平磨

Ra0.2μm

立铣

Ra3.2μm

盘铣

Ra3.2μm

立铣

Ra6.3μm

盘铣

Ra6.3μm

立铣

Ra12.5μm

盘铣

Ra12.5μm

50

8.1

6.7

7.5

2.8

4.8

1.7

2.4

20

5.5

5.1

5.1

2.4

3.8

趋于0

2.0

5个

趋于0

趋于0

趋于0

趋于0

趋于0

趋于0

趋于0

可以看出，相同粗糙度下，裂纹越深，Rs越大，信号越明显； 当裂纹深度相等时，随着粗糙度的增大，检测信号中的背景信号不断增大，Rs减小。

说明：在粗糙的工件表面上，能否有效检测出缺陷，不仅取决于工件的表面粗糙度，还取决于工件加工方式产生的纹理。

2、不同处理方式产生的干扰信号

在国家表面粗糙度评价标准GB 3505-1983中，表面粗糙度的评价方法可以从水平（x）和高度（y）两个方向进行，包括三个基本参数（水平）和三个评价参数（高的）。

研究表明，无论是平磨、磨削还是立刀铣削，齿廓偏移Ra与齿廓间距S之间的关系近似为线性关系，可近似为：

对于相同加工方法的工件表面，工件的表面粗糙度系数Ra与轮廓间距S成正比；

对于不同加工方式的工件表面，在相同的粗糙度系数Ra值下，工件表面的轮廓间距值S与斜率k有关，呈反比关系，即Ra相同时，越大k值越大，等高线间距S越小。

由此结论，可以对工件表面的二维结构进行简单的模拟，如图3所示。

图3 粗糙表面纹理仿真图

在涡流检测中，励磁线圈产生交变磁场，在工件表面产生涡流。 如果工件表面光滑无裂纹，则工件表面的涡流呈同心环状分布； 如果工件表面有裂纹，涡流会绕过裂纹底部，因此工件表面的涡流会被切断，垂直于工件表面的法向磁场Bz会相应变化，如图4所示。

图4 裂纹周围的涡流分布

在对粗糙表面进行涡流探伤时，粗糙表面的纹理可以简单地等同于一个深度为Ra、宽度为S的缺口。当涡流探头扫描工件表面时，粗糙的纹理会导致垂直于工件表面的磁场分量Bz的变化产生底波信号。

(1)平磨Ra0.2μm工件

据计算，平磨的粗糙表面织构相当于一个深度为0.2 μm、宽度为3.1913 μm的裂纹槽。 由于纹理深度浅，宽度小，对涡流截断影响不大。 磨削工件上的检测信号清晰。

(2)不同加工方式下Ra值相同的工件

对于立刀铣削Ra12.5μm的工件，其表面织构相当于一个深12.5μm、宽0.6278mm的裂纹槽，因此表面织构产生的底波信号非常大，且Rs 很小。

圆盘刀铣削的纹理深度虽然与立刀铣削相同，但宽度比立刀铣削窄，所以底波信号比立刀铣削小。 因此，在相同的粗加工条件下，立刀铣削的底波信号比圆盘刀铣削的底波信号大，Rs较小。

(3)同一加工方法中不同Ra值的工件

以立刀铣削为例，其表面纹理相当于一条深度为6.3 μm、宽度为0.3164 mm的裂纹槽。 因此，随着Ra值减小，底波信号相应减小，Rs增大。

3、粗糙表面对线圈阻抗值的影响

在涡流检测中，试件线圈感应出的涡流的大小、相位和分布与试件的电磁特性、励磁频率、线圈与试件的耦合等有关。 ，而涡流的存在影响了检测线圈周围的磁场分布，线圈的阻抗随之发生变化。 在一些文献中，同时求解麦克斯韦方程组和相应的边界条件，得到相应的线圈阻抗表达式，并将线圈阻抗表达式转化为级数表达式。

根据理论计算可知：

(1)入射阻抗只是感抗，与线圈的励磁频率和线圈本身的各种参数，如导磁率、内径、外径等有关，不会引起线圈阻抗的变化；

(2) 随着提离值的增大，检测线圈的阻抗增大。 从图3可以看出，对于不同Ra值的工件，随着Ra值的增大，线圈对工件表面的提离值也增大，从而影响线圈阻抗的变化；

(3)电导率的变化必然引起线圈阻抗的变化。

4.表面粗糙引起电导率变化

工件表面的粗糙织构改变了工件的微观结构，或使工件微观结构的晶格扭曲变形，从而破坏了晶体离子势场的对称分布，改变了电子的散射率，引起电导率发生变化。

当检测探针到达缺陷位置时，部分电子被缺陷阻挡，使电导率下降。 当探头位于缺陷中心正上方时，自由电子受缺陷块的影响最为严重粗糙度测量，因此此时工件的电导率达到最低值。 并且随着缺陷深度的增加，被阻挡的电子电流密度也增加，因此电导率的最小值将减小。

粗糙表面工件的纹理可以等效为具有一定深度和宽度的缺陷。 随着粗糙表面工件的Ra值不同，织构的宽度和深度也不同，这会对工件的电导率分布产生一定的影响。 即Ra值越大，工件表面纹理越深，工件电导率最小值越小，下落速度越快，对检测线圈阻抗的影响越大。 电导率的降低导致线圈的散射阻抗值增加，线圈散射阻抗值增加的差值随着电导率的降低而增大，即工件表面Ra值越大，工件表面的价值。 电导率达到的最小值越低，线圈散射电阻的值就越大。 工件表面越粗糙，电导率变化越大，对涡流检测的阻抗值影响越大。

5 结论

(1)涡流探伤过程中，粗糙的表面纹理相当于多重缺陷引起涡流截断，产生底波干扰信号。 底波信号的大小与工件加工方式和Ra值有关。

(2)粗糙的表面会影响线圈的阻抗，从而在检测过程中会产生噪声信号，随着工件表面粗糙度Ra值的增大，信噪比降低，缺陷信号难以识别和检测 浅裂纹。

(3)粗糙表面阻碍电子流动，引起电导率变化，影响线圈散射阻抗的变化。

(4)涡流探伤在工程应用中，应结合表面情况执行相应的检测精度标准。 表面纹理的几何特征与预期的检测裂纹深度之间存在一定的关系。 纹理深度Ra与检测裂纹深度之比超过0.5后，检测信号的信噪比较低，难以进行有效检测。

摘自《无损检测》2016年第3期第38卷

本文作者：唐琪，华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生，主要从事无损检测与仪器方面的研究。

康义华，华中科技大学机械科学与工程学院博士生导师，主要从事无损检测技术与仪器研究。