CN116415362A - 一种面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向钛合金金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，属于电涡流无损检测技术领域。该方法使用ANSYS Maxwell电磁仿真软件对三维模型进行有限元分析，改变检测线圈激励频率、提离量、试块表面缺陷的深度、宽度、长度，得到电磁场强度的变化及涡流密度的变化，形成钛合金金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法。本发明采用电涡流检测不需要耦合剂，能够做到非接触测量、灵敏度高，适用于金属增材制造过程中容易出现的微裂纹、未熔合、气孔缺陷的无损检测。本发明采用涡流检测结合有限元分析，能够研究零件缺陷特征及检测参数对电磁场特性的影响机制，为其他增材制件无损检测的研究奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及电涡流无损检测技术领域，具体涉及一种面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法。
背景技术
金属增材制造是一种基于构件的三维数字模型，通过使用激光束或电子束作为热源将金属母材熔化后逐层堆积成实体构件的先进制造技术。这种点-线-面一体的加工方式使其在制造复杂形状构件方面具有独特的优势，减少了模具设计与开发，缩短了产品的研发周期，提高了材料的利用率，因此增材制造技术在航空航天、汽车医疗、军工等领域得到广泛的应用。
然而，在增材制品的制备和使用过程中，某些缺陷的产生和扩展是无法避免的，加之电子或激光增材制造过程是一个多场物理耦合的过程，成形过程中存在各种不稳定因素，温度变化剧烈，材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，在应力的作用下，成形零件易出现翘曲变形、开裂、尺寸异常等宏观缺陷，同时在零件内部还易出现裂纹、气孔、未熔合、夹渣等不可预知的冶金缺陷。由此一来，无损检测作为一种非破坏性的检测方法，在增材制造产品质量控制，调整增材制造工艺以及提高增材制造件综合性能方面扮演着重要的角色，成为了推动增材制造技术在制造业领域广泛应用的重要助力。
目前的无损检测方法主要有超声检测、射线检测、渗透检测、电涡流检测。超声检测需要需要耦合剂，而耦合剂会污染试样，且较难辨识缺陷性质和种类；射线检测价格较贵、复杂、便携性差对人体有害、检测成本高；渗透检测难于检测内部缺陷，且被测试件厚度通常不超过10mm，所以这些方法不适合应用于激光熔化沉积试件检测。电涡流无损检测不需要耦合剂，可以非接触测量，工艺简单且成本低，对微小的裂纹、气孔灵敏度高、检测表面和近表面缺陷速度快，灵敏度高、检验结果是即时性的、可检查形状尺寸复杂的导体，所以本发明选用电涡流无损检测方法。因为现阶段金属增材制造制件中的无损检测标准还未形成科学系统的体系，所以建立与进一步完善无损检测方法标准是未来该领域的重点发展方向。
由于电涡流无损检测趋肤效应、提离效应对磁场及电涡流分布的影响，难以判断试块内部磁场的变化规律，为此，提出一种基于ANSYS Maxwell软件金属增材制造零件缺陷电涡流无损检测的仿真分析方法。
发明内容
针对金属增材制件无损检测领域的需求，本发明的目的在于提供一种面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，用以提供金属增材制件的无损检测方案。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，该方法包括以下步骤S1-S3：
S1：前处理；包括以下步骤(1)-(5)：
(1)几何建模：
缺陷涡流检测的整个空间内的电磁场分布为非轴对称场，因此在建模前应选择3D建模，并将解算器模式设置为Eddy current，坐标采用笛卡尔坐标系，长度单位mm；为提高仿真效率，由于模型中的增材成形件及其缺陷的几何结构较为简单，可直接使用软件自带功能进行绘制长方体试块；涡流检测所用线圈的结构较为复杂，在有限元分析中将其简化为空芯圆柱体并忽略导线内和匝间的电磁场分布差异；模型中试块尺寸为30×30×18mm，线圈内径0.5mm、外径2.5mm，缺陷尺寸为0.5×5×1mm；
(2)材料定义：
在材料库中添加Ti-6Al-4V材料参数，其电导率5.68×105s/m；线圈为铜制线圈，相对磁导率为1；由于金属的磁阻比空气大得多，缺陷材料设置为空气；
(3)激励源加载：
ANSYS Maxwell 3D激励源加载支持电流源和电流密度源；由于步骤(1)模型中线圈简化为空芯圆柱体，因此需要将单匝线圈中的电流大小换算成整个线圈的矩形截面内的电流并在截面上加载电流源。由于通入一个交变电流的时候，在金属内部由于集肤效应会导致电流集中在表面，表面存在缺陷，表面的磁场分布在裂纹处会有一个明显的变化；
(4)边界设置：
有限元仿真中边界条件的合理设置是保证求解结果准确的主要因素；由于激光熔化沉积电涡流检测中线圈尺寸较小，因此可将场域内部介质变截面上的边界条件设置为自然边界条件，并确保计算域能覆盖住线圈磁场在真空域中的传播范围，本文中该范围为线圈外径的50倍；
(5)网格剖分：
受趋肤效应影响，激光熔化沉积电涡流检测艺中涡流场沿增材成形件深度方向分布有限，因此在增材成形件网格划分时需要在检测表面加密网格划分以确保计算精度，而较深的区域可采用较疏的划分以减少计算耗时；网格剖分可选择直接基于单元边长的自适应剖分，软件会根据设置的最大边长值在计算时自动加密网格，趋肤效应的深度计算求得；最后在解算器中设置最大收敛步数、收敛误差、自动加密网格数占上次划分百分比、最小计算步数以及激励源的频率等参数，完成网格剖分设置；
S2：参数设置：
在仿真前设置收敛步数、仿真步长、容错百分比等参数，激励源和边界条件设置完毕后设置求解选项，然后分别以500kHZ、450kHZ、400kHZ、300kHZ不同激励频率进行仿真，在对其进行求解计算，得到模型的磁感应强度矢量图与磁感应强度分布图；在试块表面做3个宽1mm，长18mm，深0.5mm，1mm，1.5mm的槽模拟不同深度的表面微裂纹缺陷；在试块表面3个深1mm、长18mm，宽0.3mm，0.4mm，0.5mm的槽模拟不同宽度的表面微裂纹缺陷；
S3：后处理：
仿真计算结束后，可以得到电涡流密度分布、磁场强度分布、磁力线、磁感应强度的计算结果，结果得出不同的激励频率、提离量、缺陷的长度与宽度和深度对磁感应强度的影响情况。
优选地，所述S1中主要分析区域是试块表面缺陷及试块近表面区域。线圈网格数量1000，空气域网格数量2500，试块表面网格数量1000，总空气域3000。
优选地，所述S1中激励线圈共200匝，初始相位角为0°，加电流有效值400*1.414A，类型选择绞线圈，激励源频率设为5000HZ。只考虑试块的涡流效应，不考虑线圈内的。
优选地，所述S1中发射线圈的下方有一个磁芯片，用来检测当前位置的磁场，探头在管道表面移动的时候，会检测到磁场分布的变化。通过这个变化，判断出缺陷位置和缺陷的大小；建模时只做了简易的模型，实际上它还有许多绝缘的元件，外电路的元件，绝缘元件等，这里都用这个原理性结构代替。
优选地，所述S2中提离量为1mm，检测探头正下方位置距离试块表面0.1mm的位置的磁场变化；线圈中通入的电流为5000HZ，周期是0.3毫秒，探头移动速度，跟频率相比，不造成耦合效果，每一个位置的磁场是不受线圈运动速度影响的，进而建成线圈位置的参数化扫描。
本发明的优点和有益效果如下：
本发明利用ANSYS Maxwell建立了建立了金属增材试块-探头的电磁场数值仿真模型，并分别对不同激励频率、提离量、缺陷宽度、缺陷深度条件下试块感应磁场进行了仿真分析。线圈移动由-1mm至1mm处时，检测线圈的电压幅值最大，在图上体现出双波峰，缺陷中心与检测线圈的中心重合时，在双波峰之间形成波谷，不同激励频率下，试块内部的磁场的变化规律：随着激励频率由500kHZ、450kHZ、400kHZ至300kHZ，电磁场强度逐渐减小，涡流密度越来越小，磁场穿透越来越容易。随着提离量从1mm至4mm，电磁场强度逐渐减小，主要原因是随着提离量的增加，缺陷处的涡流密度值不断减小，导致缺陷对涡流场的干扰也不断减小。缺陷深度深由0.5mm，1mm至1.5mm时，电磁场强度逐渐增大，涡流密度值不断增加，缺陷的深度与检测线圈感应电动势的波峰幅值呈现单调递增的情况。宽由0.3mm，0.4mm至0.5mm时，电磁场强度逐渐增大，涡流密度值不断增加，检测线圈的磁场强度波峰峰值增加缓慢，说明深度相同时，微小的宽度变化对信号影响很小。
附图说明
图1为本发明的仿真流程示意图。
图2为本发明的检测探头-金属增材试块3D模型图。
图3为本发明的涡流及XZ界面上的磁通B矢量分布图。
图4为本发明的不同激励频率对磁场强度的影响图。
图5为本发明的不同提离量对磁场强度的影响图。
图6为本发明的不同缺陷深度对磁场强度的影响图。
图7为本发明的缺陷宽度对磁场强度的影响图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
本实施例提供一种面向钛合金增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，流程如图1，具体包括以下步骤S1-S3：
S1：前处理，包括以下步骤(1)-(5)：
(1)几何建模：
缺陷涡流检测的整个空间内的电磁场分布为非轴对称场，因此在建模前应选择3D建模，并将解算器模式设置为Eddy current，坐标采用笛卡尔坐标系，长度单位mm。为提高仿真效率，由于模型中的增材成形件及其缺陷的几何结构较为简单，可直接使用软件自带功能进行绘制长方体试块；涡流检测所用线圈的结构较为复杂，在有限元分析中将其简化为空芯圆柱体并忽略导线内和匝间的电磁场分布差异。模型中试块尺寸为30×30×18mm，线圈内径0.5mm、外径2.5mm，缺陷尺寸为0.5*5*1mm(图2)。
(2)材料定义：
在材料库中添加Ti-6Al-4V材料参数，其电导率5.68×105s/m；线圈为铜制线圈，相对磁导率为1；由于金属的磁阻比空气大得多，缺陷材料设置为空气。
(3)激励源加载：
ANSYS Maxwell 3D激励源加载支持电流源和电流密度源。由于步骤(1)模型中线圈简化为空芯圆柱体，因此需要将单匝线圈中的电流大小换算成整个线圈的矩形截面内的电流并在截面上加载电流源。由于通入一个交变电流的时候，在金属内部由于集肤效应会导致电流集中在表面，表面存在缺陷，表面的磁场分布在裂纹处会有一个明显的变化。
(4)边界设置：
有限元仿真中边界条件的合理设置是保证求解结果准确的主要因素。由于激光熔化沉积电涡流检测中线圈尺寸较小，因此可将场域内部介质变截面上的边界条件设置为自然边界条件，并确保计算域能覆盖住线圈磁场在真空域中的传播范围，本例中该范围为线圈外径的50倍。
(5)网格剖分：
受趋肤效应影响，激光熔化沉积电涡流检测艺中涡流场沿增材成形件深度方向分布有限，因此在增材成形件网格划分时需要在检测表面加密网格划分以确保计算精度，而较深的区域可采用较疏的划分以减少计算耗时。网格剖分可选择直接基于单元边长的自适应剖分，软件会根据设置的最大边长值在计算时自动加密网格，趋肤效应的深度计算求得。最后在解算器中设置最大收敛步数、收敛误差、自动加密网格数占上次划分百分比、最小计算步数以及激励源的频率等参数，完成网格剖分设置；
S2：参数设置：在仿真前设置收敛步数、仿真步长、容错百分比等参数，激励源和边界条件设置完毕后设置求解选项，然后分别以500kHZ、450kHZ、400kHZ、300kHZ不同激励频率进行仿真，在对其进行求解计算，得到模型的磁感应强度矢量图与磁感应强度分布图；在试块表面做3个宽1mm，长18mm，深0.5mm，1mm，1.5mm的槽模拟不同深度的表面微裂纹缺陷；在试块表面3个深1mm、长18mm，宽0.3mm，0.4mm，0.5mm的槽模拟不同宽度的表面微裂纹缺陷；
S3：后处理：仿真计算结束后，可以得到电涡流密度分布、磁场强度分布、磁力线、磁感应强度的计算结果，结果得出不同的激励频率、提离量、缺陷的长度与宽度和深度对磁感应强度的影响情况(图3-7)。
所述S1中主要分析区域是试块表面缺陷及试块近表面区域。线圈网格数量1000，空气域网格数量2500，试块表面网格数量1000，总空气域3000。
所述S1中选中线圈，激励线圈共200匝，初始相位角为0°，加电流有效值400*1.414A，类型选择绞线圈，激励源频率设为5000HZ(图4)。只考虑试块的涡流效应，不考虑线圈内的。
所述S1中发射线圈的下方有一个磁芯片，用来检测当前位置的磁场，探头在管道表面移动的时候，会检测到磁场分布的变化。通过这个变化，判断出缺陷位置和缺陷的大小。建模时只做了简易的模型，实际上它还有许多绝缘的元件，外电路的元件，绝缘元件等，这里都用这个原理性结构代替。
所述S2中提离量为1mm，检测探头正下方位置距离试块表面0.1mm的位置的磁场变化。线圈中通入的电流为5000HZ，周期是0.3毫秒，探头移动速度，跟频率相比，不造成耦合效果，每一个位置的磁场是不受线圈运动速度影响的，进而建成线圈位置的参数化扫描。
Claims (5)
1.一种面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤S1-S3：
S1：前处理；包括以下步骤(1)-(5)：
(1)几何建模：
缺陷涡流检测的整个空间内的电磁场分布为非轴对称场，因此在建模前应选择3D建模，并将解算器模式设置为Eddy current，坐标采用笛卡尔坐标系，长度单位mm；为提高仿真效率，由于模型中的增材成形件及其缺陷的几何结构较为简单，可直接使用软件自带功能进行绘制长方体试块；涡流检测所用线圈的结构较为复杂，在有限元分析中将其简化为空芯圆柱体并忽略导线内和匝间的电磁场分布差异；模型中试块尺寸为30×30×18mm，线圈内径0.5mm、外径2.5mm，缺陷尺寸为0.5×5×1mm；
(2)材料定义：
在材料库中添加Ti-6Al-4V材料参数，其电导率5.68×105s/m；线圈为铜制线圈，相对磁导率为1；由于金属的磁阻比空气大得多，缺陷材料设置为空气；
(3)激励源加载：
ANSYS Maxwell 3D激励源加载支持电流源和电流密度源；由于步骤(1)模型中线圈简化为空芯圆柱体，因此需要将单匝线圈中的电流大小换算成整个线圈的矩形截面内的电流并在截面上加载电流源。由于通入一个交变电流的时候，在金属内部由于集肤效应会导致电流集中在表面，表面存在缺陷，表面的磁场分布在裂纹处会有一个明显的变化；
(4)边界设置：
有限元仿真中边界条件的合理设置是保证求解结果准确的主要因素；由于激光熔化沉积电涡流检测中线圈尺寸较小，因此可将场域内部介质变截面上的边界条件设置为自然边界条件，并确保计算域能覆盖住线圈磁场在真空域中的传播范围，本文中该范围为线圈外径的50倍；
(5)网格剖分：
受趋肤效应影响，激光熔化沉积电涡流检测艺中涡流场沿增材成形件深度方向分布有限，因此在增材成形件网格划分时需要在检测表面加密网格划分以确保计算精度，而较深的区域可采用较疏的划分以减少计算耗时；网格剖分可选择直接基于单元边长的自适应剖分，软件会根据设置的最大边长值在计算时自动加密网格，趋肤效应的深度计算求得；最后在解算器中设置最大收敛步数、收敛误差、自动加密网格数占上次划分百分比、最小计算步数以及激励源的频率等参数，完成网格剖分设置；
S2：参数设置：
在仿真前设置收敛步数、仿真步长、容错百分比等参数，激励源和边界条件设置完毕后设置求解选项，然后分别以500kHZ、450kHZ、400kHZ、300kHZ不同激励频率进行仿真，在对其进行求解计算，得到模型的磁感应强度矢量图与磁感应强度分布图；在试块表面做3个宽1mm，长18mm，深0.5mm，1mm，1.5mm的槽模拟不同深度的表面微裂纹缺陷；在试块表面3个深1mm、长18mm，宽0.3mm，0.4mm，0.5mm的槽模拟不同宽度的表面微裂纹缺陷；
S3：后处理：
仿真计算结束后，可以得到电涡流密度分布、磁场强度分布、磁力线、磁感应强度的计算结果，结果得出不同的激励频率、提离量、缺陷的长度与宽度和深度对磁感应强度的影响情况。
2.根据权利要求1所述的面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，其特征在于：所述S1中，主要分析区域是试块表面缺陷及试块近表面区域；线圈网格数量1000，空气域网格数量2500，试块表面网格数量1000，总空气域3000。
3.根据权利要求1所述的面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，其特征在于：所述S1中，激励线圈共200匝，初始相位角为0°，加电流有效值400*1.414A，类型选择绞线圈，激励源频率设为5000HZ。只考虑试块的涡流效应，不考虑线圈内的。
4.根据权利要求2所述的面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，其特征在于：所述S1中，发射线圈的下方有一个磁芯片，用来检测当前位置的磁场，探头在管道表面移动的时候，会检测到磁场分布的变化。通过这个变化，判断出缺陷位置和缺陷的大小；建模时只做了简易的模型，实际上它还有许多绝缘的元件，外电路的元件，绝缘元件等，这里都用这个原理性结构代替。
5.根据权利要求2所述的面向金属增材制造零件缺陷检测的电涡流检测仿真分析方法，其特征在于：所述S2中，提离量为1mm,检测探头正下方位置距离试块表面0.1mm的位置的磁场变化；线圈中通入的电流为5000HZ，周期是0.3毫秒，探头移动速度，跟频率相比，不造成耦合效果，每一个位置的磁场是不受线圈运动速度影响的，进而建成线圈位置的参数化扫描。
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