CN101661018A - 一种三维电磁探头及旋磁检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于金属材料无损检测和评估的三维电磁探头及旋磁检测方法。该电磁探头包括探头体1、探测孔2、接线端口3、前探测线圈4、后探测线圈5、上探测线圈6、下探测线圈7、左探测线圈8、右探测线圈9。其特征在于每组探测线圈均包括一对励磁线圈和一对检测线圈，合理调整各组线圈的励磁电流，可以为旋磁检测提供大小恒定的空间旋转磁场。旋磁检测得到的结果经三维数据可视化可生成与被检工件相似的类似体，材质异常表现为类似体上明显的外凸或凹陷，能够直观地反映金属材料内部的材质均匀性和组织异常，从而帮助检测人员对被检工件的质量进行快速评估。本发明不仅能够用于成分、机械性能和组织均匀性的检测和评估，而且能够通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

Description

一种三维电磁探头及旋磁检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于金属材料无损检测和评估的三维电磁探头，尤其是能够通过旋磁检测方法对金属材料材质均匀性和裂纹等进行三维旋磁扫描检测和预警的无损检测与分选探头。

背景技术

材质均匀性与金属材料的金相结构，以及偏析、缩孔、缩松和裂纹等组织缺陷密切相关，是金属材料的一项重要指标，关乎金属材料产品质量和我国金属产品在国际市场上的竞争力。2001年国家钢铁研究院金属材料材质均匀性光谱检查分析仪鉴定会时，与会代表即呼吁国家有关部门应加大投入，尽快就金属材料材质均匀性指标研究制定国家标准，并投入力量研究相关检测技术和方法。

金属材料的材质均匀性对于金属产品具有重要的意义和价值。众所周知，现有的金属材料指标主要包括成分、强度、塑性、韧性、硬度和疲劳强度等化学与机械性能指标，上述指标的优劣在一定程度上只能代表金属产品某个局部的产品质量优劣，对于其整体性能却难以进行评估。2001年7月17年发生在上海沪东造船厂的龙门塔吊倒塌事故直接导致36人遇难，其中包括2名同济大学博士后和一名副教授。此外，铁路钢轨在运营过程中随着环境高低温度变化和动载荷的作用，其组织均匀性也在发生改变，并可能尤其产生裂纹并最终导致断轨，2009年4月7日，陕西韩城开往北京西站的1164次旅客列车即因铁轨断裂造成6节车厢，所幸并未造成人员伤亡，而2000年10月17日发生在英国哈特菲德因钢轨断裂所引发的列车出轨事故则没这么幸运，该事故共造成4人死亡，近100人受伤。此类事故几乎每年都会发生，严重的还会造成车毁人亡。其他的再如作为飞机和机车关键零部件的心轴，由于材质不均匀导致心轴断裂而引发的事故屡见不鲜，这样的事故每年都会给人民群众的财产和生命安全带来重大损失。

对于一个尺寸均匀的细长金属棒材，当施加一定的外力弯折该棒时，在柔韧性不是很强的情况下，总会有一个地方最先断裂，一般而言，这个最先断裂的地方，就是该棒材质均匀性较差的地方。金属材料材质均匀性检测就是要检测出这样的薄弱环节，并评估其不均匀性导致产品失效的危险程度，从而为产品的安全性指标提供科学依据。

材质不均匀性所带来的危害早已引起领域内专家的关注和重视，但在检测手段上，直到2001年才有国家钢铁研究院基于光学方法的材料表面成分的均匀性检测仪器面世。光学检测在于这是一种破坏性检测方法，检测之前需要对被检测表面进行打磨，而且所检测的只是表面的成份均匀性，难以对机械性能和裂纹等机械检测和评估。在电磁检测方面，目前已有材料进行分选和裂纹检测的仪器和探头，但在技术手段上，该类仪器在检测过程中，励磁场的方向是恒定不变的，即使变化也仅仅是X、Y、Z三个方向的切换，而且探头的三个方向上的检测是相互独立的，没有构成一个有机的整体。由于与磁场方向垂直的裂纹断面所引发的涡流损耗较大，而与磁场方向一致的裂纹断面所引发的涡流损耗较小，因此现有探头能够有效检测X、Y、Z三个方向上的裂纹断面，而对其他方向上裂纹的则效果较差。

本发明是基于旋磁方法的电磁无损检测和评估方法，对工件表面没有特别要求，仪器X、Y、Z三个方向上的三组探头是一个有机的整体，检测过程中能够形成穿透被检零部件内部的空间旋转磁场，从而对零件各个方向的材质均匀特性进行旋转扫描，实现被检零部件的三维电磁成像。本发明所提供的探头和旋磁检测方法不仅能够用于成分、机械性能和组织均匀性的检测和评估，而且能够通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

发明内容

技术问题：本发明的目的针对现有基于光学方法的金属材料材质均匀性检测仪器为破坏性、金属材料电磁无损分选和检测仪器为单一方向上的检测、不具有旋磁特性等问题，提供一种三维电磁检测探头和基于该三维探头的旋磁检测方法，该三维电磁探头和旋磁检测方法综合了现有光学方法二维扫描的优点和电磁检测方法无损伤、对零部件表面要求不高的优点，能够有效应用于金属材料的材质均匀性检测和评估，并通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用空间三维正交排列的三组线圈进行励磁，从而形成三个方向的正交磁场，改变各组线圈的电流，可以改变相应方向上的励磁强度，从而合成不同矢量方向的励磁场，按一定规律改变三个正交方向上的励磁电流，可形成遍历各个方向的旋转磁场，从而为金属材料的扫描检测提供旋转磁场。每组线圈方向上均设置有检测线圈作为感应传感器，以拾取该方向上材质特性所区别的感应电流。对于每一个旋磁扫描方向上的励磁场，均可以获得三个正交方向上的感应电流，感应电流合成后即为该磁场方向上材质特性所区别的感应电流。顺序扫描并遍历金属材料将能够获得全部检测方向上材质特性所区别的感应信号，再经三维数据可视化后将能够实现该金属材料的三维电磁成像。

本发明最为显著的技术特征在于，采用三维正交的磁场对金属材料进行检测，并通过改变其强弱分布生成旋转磁场，实现三维旋磁扫描检测，并在检测数据的基础上通过三维数据可视化，实现金属材料的三维电磁成像，以发现金属材料的材质分布的不均匀性差异，从而对可能导致安全隐患的裂纹等组织缺陷进行检测和预警。

有益效果：本发明三维旋磁探头可以很好地克服现有电磁检测传感器在实际使用中存在的检测方向单一、不具有旋磁扫描检测功能、不能进行裂纹预警等问题，提供一种三维电磁检测探头和基于该三维探头的旋磁检测方法。该三维电磁探头和旋磁检测方法综合了现有光学方法二维扫描的优点和电磁检测方法无损伤、对零部件表面要求不高的优点，能够有效应用于金属材料的材质均匀性检测和评估，并通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品和检测方法，目前国内外均无三维旋磁探头、旋磁检测方法和相关专利成果，具有非常广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明三维旋磁探头的外观示意图。其中有探头体1、探测孔2、接线端口3。

图2是本发明三维旋磁探头的结构示意图。其中有探头体1、探测孔2、接线端口3、前探测线圈4、后探测线圈5、上探测线圈6、下探测线圈7、左探测线圈8、右探测线圈9。

图3是本发明三维旋磁探头的旋磁扫描方式示意图。

图4是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对无缺陷且材质均匀的理想金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。

图5是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对无缺陷且材质相对均匀的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。

图6是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对存在点状材质异常的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。

图7是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对存在裂纹等线性材质异常的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图(材质异常显示为凸起)。

图8是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对存在裂纹等线性材质异常的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图(材质异常显示为凹陷)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1是本发明三维旋磁探头的外观示意图。其中，有探头体1、探测孔2、接线端口3。图2是本发明三维旋磁探头的结构示意图。其中，有探头体1、探测孔2、接线端口3、前探测线圈4、后探测线圈5、上探测线圈6、下探测线圈7、左探测线圈8、右探测线圈9。其中，探测孔2位于探头体1的中心位置，探测孔2可以是通孔，也可以是一端封闭的盲孔，接线端口3位于探头体1的侧边，前探测线圈4和后探测线圈5构成前后方向的一组探测线圈，上探测线圈6和下探测线圈7构成上下方向的一组探测线圈，左探测线圈8和右探测线圈9构成左右方向的一组探测线圈，这三组探测线圈的轴心线相交于一点，并呈正交状态。每组探测线圈中均包括一对励磁线圈和一对检测线圈，励磁线圈的作用在于激发沿轴心线方向的励磁场，检测线圈的作用在于获取磁场和被检工件所决定的在该方向上的感生电流。

本发明旋磁检测探头在采用旋磁检测方法执行探测任务时，须将被检工件置于探测孔2中，并分别在三组相互正交的探头中输入励磁电流，从而产生三个相互正交的磁场矢量，由于三组探测线圈的轴心线为相互正交且相交于一点，因此这三个磁场矢量也是相互正交且相交于一点，三个正交方向上的磁场矢量经合成后成为一个通过正交点的空间磁场矢量。改变三组探测线圈中的励磁电流，励磁场的强度也随之改变，合成后的空间磁场矢量的强度和方向也因此而不同，按一定规律合理调整三组线圈中的励磁电流，可以使得合成后的空间磁场矢量为绕正交点旋转且大小恒定的旋转矢量。

图3是本发明三维旋磁探头的旋磁扫描方式示意图。图中X，Y，Z分别代表励磁场所产生的三个正交磁场矢量方向，其原点O为三个正交磁场矢量的交点。图中，空间磁场矢量Φ可以分解为Φx、Φy和Φz三个磁通分量，或者说，沿X、Y、Z三个方向上的磁通分量Φx、Φy和Φz可以合成为空间磁场矢量Φ，合理调整Φx、Φy和Φz三个磁通分量，可以使得合成后的空间磁场矢量Φ的大小恒定不变，而方向为绕原点O的旋转矢量，从而为空间任意方向上的旋磁检测提供一个穿透工件且大小恒定的空间磁场。图中示出了沿经纬两个方向的旋转磁场绕行方向，如带箭头的虚线所示。

由于空间旋转磁场矢量Φ可以分解为Φx、Φy和Φz三个磁通分量，因此，在对被检工件执行旋磁检测任务时，总存在沿着X、Y、Z三个方向上的磁通分量，当这三个方向上的磁通分量穿透被检工件时，将能够在金属材料内部引发涡流损耗，材质阻抗特性不同，涡流损耗也有所差别，特别地，对于存在与磁场方向一致的裂纹的工件，涡流损耗将显著减小，基于这一特性，可以利用分置于三个方向上的检测线圈拾取这一差别，从而为材质分选和裂纹检测提供依据，进一步地，当对被检工件执行完整的旋磁扫描检测后，还可以将检测到的结果通过三维数据可视化，实现三维电磁成像。当工件材质较为均匀时，可视化结果为一个与工件几何形状相似的类似体，而当工件中存在组织异常或裂纹时，将能够看到类似体上明显外凸的峰刺或内凹的凹陷。

图4是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对无缺陷且材质均匀的理想金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。由于工件是理想的金属圆球，且材质均匀，因此，旋磁检测得到的三维电磁成像图也是一个理想的圆球。

图5是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对无缺陷且材质相对均匀的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。由于工件是实际的金属圆球，由于金属成型和加工工艺的差异，材质相对均匀，但并非绝对均匀，旋磁检测得到的三维电磁成像图是一个与圆球工件形状相似的类似体，其表面凹凸不平，但无明显的毛刺或刺峰。

图6是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对存在点状材质异常的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图。当工件中存在点状组织异常时，旋转磁场穿过该点时，检测线圈拾取的信号将反映这一异常，异常的信号表现为数据的突然增大或减小。图6中10所指刺峰即为由于组织异常导致数据突然增大的情形，如果突然减小，可视化结果则为类似体上的一个凹陷。

图7是本发明三维旋磁探头和旋磁检测方式对存在裂纹等线性材质异常的实际金属圆球工件进行扫描检测的电磁成像示意图(材质异常显示为凸起)。当组织异常不是一个点，而是一个裂纹或者异常断面时，三维数据可视化将是若干个刺峰的叠加，表现为成片的整体外凸或内陷，图7中11所指刺峰是材质异常导致检测数据突然增大，数据可视化表现为凸起的情形，图8中12所指凹陷是材质异常导致检测数据突然减小，数据可视化表现为凹陷的情形。

上述图6、图7、图8的实施例表明，基于本发明三维旋磁检测探头和旋磁检测方法，并经三维数据可视化所生成的三维电磁成像图能够非常直观地反映金属材料内部的材质均匀性和组织异常，从而帮助检测人员对被检工件的质量进行快速评估。

本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品，目前国内外均无类似产品及专利成果。本发明所提供的探头和旋磁检测方法不仅能够用于成分、机械性能和组织均匀性的检测和评估，而且能够通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

本发明可广泛应用于金属材料加工企业，特别是重大工程、国防和航空航天等重点领域关键零部件的检测与质量评估，具有非常广阔的市场前景，社会效益和经济效益显著。

Claims (6)

1、一种三维电磁探头即旋磁检测方法，其特征在于电磁探头包括探头体1、探测孔2、接线端口3、前探测线圈4、后探测线圈5、上探测线圈6、下探测线圈7、左探测线圈8、右探测线圈9。其中，探测孔2位于探头体1的中心位置，探测孔2可以是通孔，也可以是一端封闭的盲孔，接线端口3位于探头体1的侧边，前探测线圈4和后探测线圈5构成前后方向的一组探测线圈，上探测线圈6和下探测线圈7构成上下方向的一组探测线圈，左探测线圈8和右探测线圈9构成左右方向的一组探测线圈，这三组探测线圈的轴心线相交于一点，并呈正交状态。

2、根据权利要求1所述的三维电磁探头及旋磁检测方法，其特征在于每组探测线圈中均包括一对励磁线圈和一对检测线圈，励磁线圈的作用在于激发沿轴心线方向的励磁场，检测线圈的作用在于获取磁场和被检工件所决定的在该方向上的感生电流。

3、根据权利要求1所述的三维电磁探头及旋磁检测方法，其特征在于沿X、Y、Z三个方向上的磁通分量Φx、Φy和Φz可以合成为空间磁场矢量Φ，合理调整Φx、Φy和Φz三个磁通分量，可以使得合成后的空间磁场矢量Φ的大小恒定不变，而方向为绕原点O的旋转矢量，从而为空间任意方向上的旋磁检测提供一个穿透工件且大小恒定的空间磁场。

4、根据权利要求1所述的三维电磁探头及旋磁检测方法，其特征在于对被检工件执行完整的旋磁扫描检测后，可以将检测到的结果通过三维数据可视化，实现三维电磁成像。

5、根据权利要求1所述的三维电磁探头及旋磁检测方法，其特征在于当工件材质较为均匀时，电磁成像结果为一个与工件几何形状相似的类似体，而当工件中存在组织异常或裂纹时，电磁成像结果为带有明显外凸的峰刺或内凹的凹陷的类似体。

6、根据权利要求1所述的三维电磁探头及旋磁检测方法，其特征在于三维电磁探头和旋磁检测方法不仅能够用于成分、机械性能和组织均匀性的检测和评估，而且能够通过材质分布的不均匀性差异对裂纹等组织异常进行检测和预警。

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