在工業(yè)中廣泛使用的壓力容器、管道和結(jié)構(gòu)件大都由鋼鐵制成，并存在許多焊縫，在長(zhǎng)期作用力下，焊縫比較容易受到損傷，比較常見(jiàn)缺陷是由疲勞產(chǎn)生的表面裂紋。表面疲勞裂紋危害性比內(nèi)部的埋藏裂紋危害性更大，尖銳的裂紋會(huì)引起應(yīng)力集中，促使裂紋快速擴(kuò)展造成嚴(yán)重事故。因此，焊縫上的裂紋查找以及開(kāi)裂的測(cè)量，一直是困擾業(yè)界的難題。超聲波可以用來(lái)檢查焊縫，但探頭直接與工件表面直接耦合，而且操作復(fù)雜。通常是采用磁粉的方法來(lái)查找表面開(kāi)口裂紋，然后由電位法來(lái)測(cè)量裂紋。上述幾種方法都需要對(duì)被檢物事先進(jìn)行清潔處理，除去表面防腐層、漆層或污垢，檢測(cè)效率低，這對(duì)要求在短短的檢修期內(nèi)檢查大量焊縫的在役設(shè)備，是難于接受的。傳統(tǒng)的渦流方法也能用來(lái)檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)件，并無(wú)需清理表面較薄的污垢或漆層，然而這種方法只適用來(lái)檢查母材上的裂紋，對(duì)焊縫上的裂紋卻會(huì)因焊縫在高溫溶合時(shí)產(chǎn)生的急烈的鐵磁性變化而出現(xiàn)的雜亂無(wú)序的磁疇干擾而無(wú)法實(shí)施，當(dāng)然高低不平焊冠和母材與焊接填充材料差異，也是造成檢測(cè)困擾原因之一。。

目前已有多種無(wú)損檢測(cè)方法用于焊縫裂紋探傷：磁粉（MP）、超聲波（UT）、X射線（RT）和渦流（ET），它們各自的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)比較如下：

·磁粉法比較直接與相關(guān)，容易使用。但不適宜工件表面有涂層或表面潮濕的情況

·超聲波法可以很好地發(fā)現(xiàn)工件表面下缺陷，但同樣不許表面存在涂層，而且檢測(cè)結(jié)果與操作者水準(zhǔn)有關(guān)。

法也適宜表面裂紋檢查，然而也要求工件表面清潔和干燥，并且判傷與操作者水準(zhǔn)相關(guān)。

·X射線法很容易發(fā)現(xiàn)工件表面、近表面裂紋。與其它方法不同，要求有良好的防護(hù)措施，以避免產(chǎn)生人身傷害。

·電磁感應(yīng)法很適合探測(cè)表面裂紋，而且能穿透工件表面存在數(shù)毫米厚的涂層。它不但能在潮濕的條件下使用，甚至能在水下直接使用。常規(guī)渦流法受到多種干擾因素影響。判傷也與操作者水平有關(guān)。

本文介紹一種采用交流電磁場(chǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的焊縫裂紋探傷儀，能在帶有較厚防腐層的金屬表面上快速掃查焊縫或母材上存在的開(kāi)口疲勞裂紋，而且可以較準(zhǔn)確地測(cè)量出裂紋的值。

2.檢測(cè)原理

用一交變磁場(chǎng)磁化鋼鐵試件的局部區(qū)域，當(dāng)缺陷進(jìn)入交變磁場(chǎng)內(nèi)，會(huì)在表面產(chǎn)生泄漏磁場(chǎng)梯度異常區(qū)，采用磁敏元件檢測(cè)這些磁場(chǎng)的畸變，就能獲得缺陷信號(hào)，由于試件也是良導(dǎo)體，在交變磁場(chǎng)的感應(yīng)下，試件也將產(chǎn)生感應(yīng)電流，并同時(shí)生成附加的感生磁場(chǎng)與原有的泄漏磁場(chǎng)合成復(fù)合磁場(chǎng)。對(duì)鐵磁性材料，交流電磁場(chǎng)的畸變，會(huì)因磁導(dǎo)率的增大而獲得加強(qiáng)。

由于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)法傳感器與試件的耦合是以電磁波的方式傳遞，所以它們之間無(wú)需像超聲波法要借助耦合劑，可直接穿透非導(dǎo)體涂層、鐵銹、甚至不太厚的不銹鋼覆蓋層。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)法就是用磁敏元件來(lái)收集泄漏復(fù)合磁場(chǎng)畸變，反映裂紋存在和深淺。合理地設(shè)計(jì)勵(lì)磁器磁路和用高導(dǎo)磁率材料制作磁敏元件聚磁器，可以提高檢測(cè)靈敏度。

這是一種快速而又準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋的方法，能對(duì)焊縫裂紋作定性和半定量評(píng)估。

                                      圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)法原理

3.檢測(cè)裝置構(gòu)成

檢測(cè)裝置主要由探頭和WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀構(gòu)成。

3.1 檢測(cè)探頭

探頭是在被檢導(dǎo)體表面將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的磁敏傳感器，它還包含了交流電磁場(chǎng)勵(lì)磁器。

把一個(gè)磁場(chǎng)加到一個(gè)通有電流的導(dǎo)體上，在導(dǎo)體的兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，稱為霍爾效應(yīng)。圖2所示為霍爾效應(yīng)的原理圖，圖中一片狀半導(dǎo)體材料置于磁場(chǎng)B之下。當(dāng)有電流I流過(guò)，電子運(yùn)動(dòng)速度υ與I的方向相反，電子運(yùn)動(dòng)受到磁場(chǎng)的作用使運(yùn)動(dòng)軌跡橫向偏移，按圖中虛線方向前進(jìn)。結(jié)果，半導(dǎo)體片的一側(cè)電子密集出現(xiàn)負(fù)電荷，另一側(cè)電子稀疏出現(xiàn)正電荷，兩側(cè)面之間形成電場(chǎng)E_H稱為霍爾電場(chǎng)。

                       圖2 霍爾效應(yīng)的原理圖            圖3磁阻傳感器的工作原理

在導(dǎo)體上施加磁場(chǎng)時(shí)，還會(huì)同時(shí)出現(xiàn)另一種物理現(xiàn)象：隨著磁場(chǎng)的增減，導(dǎo)體的阻值也產(chǎn)生變化。該現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)，利用這種效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。金屬和半導(dǎo)體材料都有磁阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料磁阻效應(yīng)顯著，故目前生產(chǎn)的磁敏電阻都是用半導(dǎo)體材料制成，且易于集成。

其工作原理是：無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，元件電流密度矢量一般呈直線狀，當(dāng)磁場(chǎng)垂直加在元件表面時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，電流密度矢量與電場(chǎng)方向偏離了θ角（霍爾角），電流經(jīng)過(guò)的路程就變長(zhǎng)了，于是電阻值也就增加了。電阻增加的大小與元件的形狀有關(guān)，即所謂形狀效應(yīng)，如圖3所示。

焊縫探傷探頭可以由霍爾元件、磁阻元件或線圈等構(gòu)成。為了提高探測(cè)靈敏度，選擇含有集成放大器的晶片軟封裝器件有利于檢測(cè)精度提高。

為了防止工程上運(yùn)用時(shí)粗糙的焊縫表面對(duì)探頭的磨損，在探頭表面特別覆蓋一層堅(jiān)硬的陶瓷保護(hù)層或不銹鋼護(hù)套。探頭的外形也根據(jù)多種復(fù)雜被檢結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成多種樣式，典型的樣式有以下幾種：

1. 圓弧型見(jiàn)圖4，用于一般焊縫和熱影響區(qū)檢測(cè)。

圖4 圓弧型探頭

2. 尖錐型見(jiàn)圖5，用于不易接近的角焊縫，R角區(qū)域檢測(cè)。

圖5 尖錐型探頭

3. 直角型見(jiàn)圖6，用于狹小空間或孔壁檢測(cè)。

圖6 直角型探頭

4. 內(nèi)孔探頭見(jiàn)圖7，用于螺栓孔、銷(xiāo)孔檢測(cè)。

圖7 內(nèi)孔探頭

5. 掃描探頭見(jiàn)圖8，為了提高快速大面積掃查焊縫或母材表面裂紋，設(shè)計(jì)了帶輪的掃描探頭。

圖8 掃描探頭

3.2 WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀

WELD SCOPE儀器由計(jì)算機(jī)、收發(fā)電路、數(shù)字信號(hào)處理、電源等組成，其原理框圖如圖9所示。

                                   圖 9  WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀原理框圖

儀器通過(guò)探頭激勵(lì)強(qiáng)度恒定的交變磁場(chǎng)感應(yīng)試件，若試件表面存在裂紋，磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生變異，探頭通過(guò)內(nèi)部的磁敏元件把接收到的變異電量送入儀器信號(hào)處理器，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件分析和運(yùn)算后，實(shí)時(shí)地將裂紋的位置在屏幕上顯示出來(lái)。

WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀主要特點(diǎn)：

儀器以計(jì)算機(jī)為控制核心，全部電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。全數(shù)字化測(cè)試電路保證儀器高可靠性和穩(wěn)定性。儀器摒去了普通電子儀器面板上的按鈕，以新潮的觸控屏和飛梭數(shù)碼旋鈕直觀簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，即使非工作人員也能迅速掌握儀器操作。100個(gè)儀器內(nèi)置應(yīng)用程序，能使操作者在現(xiàn)場(chǎng)隨即獲得較好設(shè)置。

涵蓋各種現(xiàn)場(chǎng)焊縫探傷所的高通、低通、帶通濾波功能。

采用帶有背光的半反半透LCD液晶屏幕，可以在陽(yáng)光直射下清晰觀察檢測(cè)圖形，在光線不足或黑暗環(huán)境，可開(kāi)啟屏幕背光照明。

儀器內(nèi)置充電電池，僅需簡(jiǎn)單地接入電網(wǎng)電源，即可智能化電子充電器，無(wú)論儀器在操作或關(guān)機(jī)情況下均能處在較好充電狀態(tài)。獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)，充滿電后，可連續(xù)工作10小時(shí)以上。

堅(jiān)固耐用的鎂鋁合金機(jī)身，具備一定的電磁防護(hù)功能和優(yōu)良的防撞擊、防磨損特性。即使包括電池，儀器總重量也僅重1.5Kg，加上緊湊的結(jié)構(gòu)更適合野外、高空作業(yè)。

配置高速靜噪熱敏打印機(jī)，通過(guò)儀器后部的RS232串行口，能依據(jù)操作者需要，迅速打印出包含檢測(cè)參數(shù)、缺陷圖形及相關(guān)的檢測(cè)報(bào)告。

儀器還可通過(guò)RS232接口與PC機(jī)通訊，將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)存到具有大容量存儲(chǔ)空間的PC電腦上，或者可由第三方軟件調(diào)用進(jìn)一步作編輯處理。這種處理方式可充分利用PC機(jī)資源，拓展探傷儀的應(yīng)用空間。

圖 10  探頭和WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀

4.測(cè)試結(jié)果與分析

4.1采用符合歐盟EN1711:2000標(biāo)準(zhǔn)加工試塊的測(cè)試：

試塊的材質(zhì)為45#鋼，表面電火花加工0.5mm / 1.0 mm /2.0 mm三種尺寸的刻痕，開(kāi)槽的較大誤差應(yīng)當(dāng)為0.1mm，刻槽寬度為小于0.15mm。

（見(jiàn)圖11）

           圖11 典型校正試塊

采用圓弧型探頭進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下幾圖：

          圖 12                       圖 13                       圖 14

探頭從試塊表面提離至∞遠(yuǎn)   試塊上三個(gè)刻槽信號(hào)阻抗平面  試塊上三個(gè)刻槽時(shí)基掃描圖

試驗(yàn)表明，WELD SCOPE焊縫裂紋探傷儀，對(duì)探頭操作中產(chǎn)生的提離效應(yīng)非常不敏感，這與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)方法有絕然不同之處，正是由此，很合適在焊縫高低不平的焊冠上操作。

其次儀器能反映出不同裂紋的高度，顯然受到趨膚效應(yīng)的影響，波形的幅度與高度不是線形關(guān)系。然而這對(duì)工程檢測(cè)應(yīng)用也十分有用，準(zhǔn)確的計(jì)量可用加工人工對(duì)比試樣來(lái)獲得。

4.2取一段T形角焊縫試樣，見(jiàn)圖15，在焊縫的熱影響區(qū)和焊縫中部，刻方向分別為平行焊縫和垂直焊縫方向的電火花人工裂紋，缺陷長(zhǎng)度為5mm，高度為1mm，寬度為0.15mm。

探頭選用適合角焊縫的尖錐型探頭。

從上述檢測(cè)結(jié)果可以看出，該探傷方法與裂紋的走向有關(guān)，為了避免探測(cè)時(shí)遺漏缺陷，推薦使用至少兩次相互垂直的掃查方向進(jìn)行作業(yè)，這與歐盟EN1711:2000標(biāo)準(zhǔn)所建議的操作方法相一致的。

4.3覆蓋非金屬涂層的影響：

在圖16、17、18試塊上分別墊入0.5mm、1.0mm、2.0mm不同厚度的塑料片，以模擬鋼表面上防腐保護(hù)層的影響。

通過(guò)重新校正后對(duì)不同裂紋的測(cè)量結(jié)果表明，儀器對(duì)非金屬涂層具備良好的穿透能力，能適應(yīng)一般鋼結(jié)構(gòu)防腐層下的裂紋探傷。

4.4金屬覆蓋層穿透試驗(yàn)

現(xiàn)代化工設(shè)備為了提高材料表面的防腐性能，經(jīng)常采用復(fù)合材料來(lái)制作，在鋼鐵底材表面襯上一層不銹鋼薄板或噴涂金屬耐腐涂層，當(dāng)?shù)撞漠a(chǎn)生裂紋時(shí)，以一般的磁粉、超聲波方法都難于檢測(cè)，而常規(guī)渦流也難于穿透表面金屬層到達(dá)層材料。為了檢驗(yàn)交流磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)金屬穿透性能，在圖11典型校正試塊上覆蓋一層0.7mm不銹鋼鋼板，用來(lái)模擬鋼材表面上金屬防腐層。圖19、20分別為有金屬防腐層和無(wú)金屬防腐層裂紋信號(hào)。

5.結(jié)論

從儀器的測(cè)試結(jié)果看，采用交流磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)焊縫粗糙表面上的疲勞裂紋較傳統(tǒng)的渦流方法優(yōu)越，具有很小的提離效應(yīng)，能直接穿透焊縫表面上防腐層直接探傷，無(wú)須清理漆層和污垢，利于提高工效和節(jié)約成本。

儀器還具備一定的裂紋測(cè)量功能，無(wú)須再借助于其它方法，工程上有應(yīng)用價(jià)值。

多種不同探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適宜各種不同應(yīng)用場(chǎng)合。進(jìn)一步拓展，能用于水下鋼結(jié)構(gòu)件檢測(cè)，或在役高溫部件裂紋查找。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是迄今比較實(shí)用、快速、低成本且無(wú)須去除防腐層的在役設(shè)備疲勞裂紋探傷方法，目前已在歐美認(rèn)可并推廣應(yīng)用，同時(shí)也有相關(guān)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1711:2000作為實(shí)施依據(jù)。