CN101666778B - 一种二维电磁探头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于金属材料无损检测和评估的二维电磁探头。该电磁探头包括探头体1、由探测线圈2、探测线圈3构成的两组探测线圈、接线端口4。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，可以为二维旋磁检测提供大小恒定的平面旋转磁场。旋磁检测得到的结果经处理可生成与被检工件相似的类似形，材质异常表现为类似形上明显的外凸或凹陷，使金属材料的材质分布特征一目了然，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，而且能够对裂纹等组织异常进行预警。

Description

一种二维电磁探头

技术领域

本发明涉及一种用于金属材料无损电磁检测和评估的探头，尤其是能够通过旋磁检测方法对金属材料零部件内部裂纹及角裂纹等进行二维旋磁扫描检测的电磁无损检测探头。

背景技术

金属材料的在热处理加工过程中，由于材料成分的不均匀性、温度场的不均匀性及冷却速度的差异，常常在材料内部，特别是尖角位置产生裂纹，零部件在应用过程中，也常常会由于应力和疲劳等原因产生内部裂纹和角裂纹。裂纹的存在通常会导致零部件失效，从而产生设备故障，并可能导致安全隐患，极端情况下还会造成机毁人亡，给国家和人民群众的财产和生命安全带来重大损失。

对裂纹进行检测的方法很多，对于开口明显的裂纹，肉眼就可以观察，但对于特别细小且贴合紧密的裂纹，即便采用放大镜也很难完全发现，而对于那些深藏于材料内部的裂纹，肉眼观察则更是无能为力。领域内对裂纹进行检测的技术手段较多，主要包括磁粉、渗透、射线、超声、漏磁和电磁检测等，磁粉检测能够有效检测铁磁性材料表面和近表面的微小裂纹，但不能用于非铁磁性材料的检测。渗透检测能够检测开口裂纹，但不能检测非开口裂纹，是一种低效且不经济的方法。超声检测能够灵敏地检测特定方向上的面状裂纹，但难以准确定性和定量，而且对工件表面粗糙度等有要求。射线探伤能够直观地对裂纹缺陷进行定位和定量，但在微裂纹检测方面存在要求高等问题。漏磁检测是对被检工件施加磁场，通过裂纹处的漏磁效应进行裂纹检测，只能用于铁磁性材料的检测，而且只能检测表面裂纹。电磁检测是基于涡流损耗的裂纹检测方法，不仅能够检测表面裂纹，而且对内部裂纹也能够进行定性检测，但通常只能是定性检测。实际应用中，通常将几种方法综合应用以最大限度地保障关键零部件的产品质量。

本发明是基于电磁无损检测与评估方法的二维平面旋磁检测探头，对工件表面没有特别要求，而且可以实现快速旋磁检测。在电磁检测方面，现有探头主要包括U型、套筒型和笔式探头等，目前国内外尚无二维旋磁检测探头及旋磁检测方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的针对金属材料零部件内部裂纹和角裂纹检测困难、工件表面要求高、操作技能要求高、检测结果不稳定、不具有旋磁特性等问题，提供一种二维电磁检测探头和基于该二维探头的旋磁检测方法，该二维电磁探头和旋磁检测方法具有无损伤、对零部件表面要求不高等优点，能够有效应用于金属材料内部裂纹和角裂纹的检测与评估，并对裂纹等组织异常进行预警。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用二维平面正交的两组线圈进行励磁，从而形成两个方向上的正交磁场，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，按一定规律改变两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，以获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，均可以获得两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，再经数据处理将能够得到关于该金属材料材质特性的极坐标曲线。

本发明最为显著的技术特征在于，采用二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平面旋转磁场，实现二维旋磁扫描检测，并在检测结果的基础上通过数据处理得到关于该金属材料材质特性的极坐标曲线，以发现其材质均匀性差异，并对可能导致安全隐患的组织缺陷提供预警。

有益效果：本发明二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，提供一种二维电磁检测探头和基于该二维探头的旋磁检测方法。该二维电磁探头和旋磁检测方法能够实现旋磁扫描检测、无损伤、对零部件表面要求不高等优点，能够有效应用于金属材料内部裂纹和角裂纹的检测与评估，并对裂纹等组织异常进行预警。

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，目前国内外均无二维旋磁探头、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是本发明二维电磁探头的结构示意图。其中有探头体1、探测线圈2、探测线圈3、接线端口4。

图2是本发明二维电磁探头应用于角裂纹检测的原理示意图。其中有探头体1、探测线圈2、探测线圈3、接线端口4、工件5、裂纹6。

图3是本发明二维旋磁探头的旋磁扫描方式示意图。

图4是本发明二维旋磁探头和旋磁检测方式应用于角裂纹检测的结果示意图。其中有无裂纹极坐标曲线7，有裂纹极坐标曲线8。

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是本发明二维旋磁探头的外观示意图。其中有探头体1、由探测线圈2、探测线圈3构成的两组探测线圈、接线端口4。图2是本发明二维电磁探头进行角裂纹检测的原理示意图。其中有探头体1、由探测线圈2、探测线圈3构成的两组探测线圈、接线端口4、工件5、角裂纹6。两组探测线圈镶嵌于探头体1内部，其中一组探测线圈位于探头体1的上方，另一组探测线圈位于探头体1的侧边，接线端口4位于探头体1的侧下方。两组探测线圈相互垂直并相交于一点，且每组探测线圈中各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待检工件所决定的在该方向上的感生电流。

本发明二维电磁检测探头在采用旋磁检测方法执行角裂纹探测任务时，须将探头1置于待检工件5的右上方，并分别在两组探头中输入励磁电流，从而产生两个相互正交的磁场矢量，由于两组探测线圈的轴心线为相互垂直且相交于一点，因此这两个磁场矢量也是相互垂直且相交于一点，并经矢量合成后成为一个通过正交点的平面磁场矢量。改变两组探测线圈中的励磁电流，励磁场的强度也随之改变，合成后的平面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两组线圈中的励磁电流，可以使得合成后的平面磁场矢量为绕正交点旋转且大小恒定的旋转矢量。

图3是本发明二维旋磁探头的旋磁扫描方式示意图。图中X，Y分别代表励磁场所产生的两个正交磁场矢量方向，其原点O为两个正交磁场矢量的交点。图中，磁场矢量Φ可以分解为Φx和Φy两个磁通分量，或者说，沿X、Y两个方向上的磁通分量Φx、Φy可以合成为平面磁场矢量Φ，合理调整Φx、Φy两个磁通分量，可以使得合成后的磁场矢量Φ的大小恒定不变，而方向为绕原点O的旋转矢量，从而为二维平面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。

由于旋转磁场矢量Φ可以分解为Φx、Φy两个磁通分量，因此，在对被检工件执行旋磁检测任务时，总存在沿着X、Y两个方向上的磁通分量，当这两个方向上的磁通分量穿透待检工件时，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，可以利用分置于两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，还可以将检测结果处理成极坐标曲线，使得金属材料的材质分布特征一目了然。

图4是本发明二维旋磁探头和旋磁检测方式对角形工件进行扫描检测的结果示意图。图中，7为无缺陷且材质较均匀工件的极坐标曲线图，8为有裂纹工件的极坐标曲线图。如果工件材质均匀，极坐标曲线为一个与工件形状相似的类似形，如图4中7所示；如果工件中存在组织异常或裂纹，当旋转磁场穿过该处时，检测线圈拾取的信号将反映这一异常，表现为数据的突然增大或减小，这时极坐标曲线虽然还是类似形，但在缺陷对应的方向上将能够看到明显外凸的峰刺或内凹的凹陷，图4中8示出了数据突然增大类似形为外凸的情形。

上述角裂纹检测的实施例表明，基于本发明二维旋磁检测探头和旋磁检测方法，并经极坐标曲线处理的检测结果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 (5)

1.一种二维电磁探头，其特征在于电磁探头包括探头体(1)、两组探测线圈、接线端口(4)，两组探测线圈镶嵌于探头体(1)内部，其中一组探测线圈位于探头体(1)的上方，另一组探测线圈位于探头体(1)的侧边，接线端口(4)位于探头体(1)的侧下方，两组探测线圈相互垂直并相交于一点，且每组探测线圈中各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待检工件所决定的在该方向上的感生电流。

2.根据权利要求1所述的二维电磁探头，其特征在于沿X、Y两个方向上的磁通分量Фx、Фy合成为平面磁场矢量Ф，合理调整Фx、Фy两个磁通分量，使得合成后的平面磁场矢量Ф的大小恒定不变，而方向为绕原点O的旋转矢量，从而为二维平面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。

3.根据权利要求2所述的二维电磁探头，其特征在于对被检工件执行完整的旋磁扫描检测后，将检测结果处理成极坐标曲线，使金属材料的材质分布特征一目了然。

4.根据权利要求3所述的二维电磁探头，其特征在于当工件材质较为均匀时，极坐标曲线为一个与工件形状相似的类似形，而当工件中存在组织异常或裂纹时，极坐标曲线为带有明显外凸的峰刺或内凹的凹陷的类似形。

5.根据权利要求4所述的二维电磁探头，其特征在于二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，而且能够对裂纹组织异常进行检测和预警。

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