金属薄壁管材涡流检测中异常信号的产生原因

王东升，徐可北，陈 星，李硕宁，何跃维

（1.中航工业北京航空材料研究院 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；2.常州常宝精特能源管材有限公司，常州 213200）

涡流检测由于速度快，且对管材中存在的点坑、裂纹、折叠、外来金属嵌入及某些非金属夹杂等多种缺陷敏感，是金属管材制造阶段的重要检测方法之一。涡流检测中一项重要的工作是检测结果的判定。截至目前，涡流检测结果的判定主要借助于对比试样人工缺陷与自然缺陷显示信号幅值的对比，即当量比较法。而实际检测中，除缺陷因素外，管材的几何形状与材质、外界环境等多种因素也会引起涡流响应信号幅值的变化，加之自然缺陷形状、性质各异，所引起的涡流响应信号并不会像人工缺陷的响应信号那样形状规则，而可能以各种形式出现。因此，在检测中有时会遇到难以判别的信号，这些异常信号既可能是缺陷信号又可能是来自于材质或形状的干扰，当这些异常信号幅值较大时，其判别结果将直接影响管材的正确验收，因此，对于上述信号产生原因的分析具有十分重要的工程意义。

目前，对于涡流检测中响应信号的解释及其影响因素的分析，国内外已经开展了相关的研究工作，不仅分析了管材几何形状变化引起异常信号的情况，而且还研究了材料及表面状态与异常信号的关系［1－5］。但是，相关文献还较少，而且涉及的材料种类和影响信号的因素有限。笔者将在上述工作基础上，结合两种薄壁金属管材的涡流检测，进一步开展涡流响应信号解释及其影响因素的分析研究，为涡流检测技术在管材上的应用提供借鉴。

1 试验材料与方法

试验材料分两种，第一种为φ20mm×1mm的6061铝合金冷拉管材，热处理状态为T4态，来自同一批次。第二种为φ6mm×0.5mm的0Cr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢冷拔管材，来自试制阶段的两个批次。采用自比差动式外穿过式线圈对上述管材实施手动涡流检测，图1、图2给出了相关结果。其中，时基图（图1（a）、（b），图2（a）、（b）中左侧图）水平方向代表线圈沿管材长度方向扫过的时间或距离，垂直方向代表不同时刻或位置处涡流响应信号幅值的大小信息，考虑到时基图中幅值显示与仪器相位设定有关，并不一定能反映涡流响应信号的最大幅值变化，为了更清楚地说明情况，针对时基图上虚线框定区域内的涡流响应信号，同时给出了幅值显示不受相位设置影响的阻抗平面显示（图1（a）、（b），图2（a）、（b）中右侧）。

铝合金管的涡流检测参照标准GB／T 5126—2001《铝及铝合金冷拉薄壁管材涡流探伤方法》制作了含φ0.9mm、φ0.6mm人工通孔的对比试样，经调试，该对比试样经检测其通长出现了密集分布的类似干扰噪声的异常信号，如图1（a）所示。上述异常信号幅值较高并与通孔信号叠加在一起，使得在时基图上几乎无法分辨出通孔的信号，在阻抗平面图上利用信号相位和形状的差异也只能准确分辨出通孔的信号。按照与对比试样检测时相同的灵敏度检测其余铝合金管材，其中有多数管材也出现了与对比试样上相类似的异常信号，如图1（b）所示。

图1 6061铝合金管涡流检测信号

图2 0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管涡流检测信号

0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管材对比试样外壁表面加工有3.15mm×0.1mm×0.1mm、3.15mm×0.1mm×0.05mm（长×宽×深）两种规格刻槽，经涡流检测信噪比好。如图2（a）所示，两个人工刻槽信号显示清楚，保持仪器设置不变检测其余管材，同批次管材信噪比好，而另一批次管材则通长出现较明显的异常信号，典型如图2（b）所示。

由于对同种牌号管材进行检测的仪器条件和时段相同，可以排除外界电磁干扰引起异常信号的可能。铝合金管由于来自同一批次，因此由材质波动引起异常信号的可能性相对小，异常信号更可能来自于缺陷或几何形状因素。不锈钢管由于包含不同批次，因此异常信号既可能由缺陷或几何形状因素引起，也可能与材质波动有关。根据以上初步分析，进一步通过目视检查、荧光渗透检查、金相分析等对异常信号产生的原因进行了探究。

2 试验结果与分析

2.1 铝合金管异常信号产生原因

该批次T4态6061铝合金管材外表面状态不好，目视检查涡流检测有明显异常信号的铝合金管材外壁，可看到一些细小擦痕，对照无明显异常信号管材，也可看到类似擦痕，甚至更多，说明擦痕不是引起该批次管材异常信号的主要因素。分别取有无明显异常信号的管材各一段沿纵向剖开查看壁厚均匀性，可见壁厚均匀性都比较好，进一步观察管材内壁表面状况，有明显异常信号的管材内壁到处是面积大且浅的凹痕，而且有多处纵向开裂痕迹，无明显异常信号的管材内壁则相对平整光滑。对上述剖切后的管材进行荧光渗透检查，图3给出检测结果，涡流检测无明显异常信号的管材的内壁以及所有管材的外壁均未发现异常显示，在有明显异常信号的管材内壁上则出现多处异常显示（见图3管内壁高亮区域），其位置多与目视开裂的部位相一致，可见内表面质量对管材涡流检测信号有较大影响，内壁纵向开裂应是引起本次检测中信号异常的主要原因。

笔者采用外穿过式线圈检测，每一时刻获得的信息是管材整个圆周上影响因素的累积效果，上述管材内壁的纵向开裂缺陷经进一步观察，尽管分布于管材圆周的不同位置，但沿管材长度方向的分布尚比较连贯，因此对于检测线圈而言可近似视为同一个长条状缺陷。对于深度较一致的沿管材纵向分布的长条状缺陷，自比差动式线圈难以产生响应信号，但自然开裂深度不可能完全一致，因此，极可能产生类似于沿管材纵向分布的密集点状缺陷的效果，当线圈沿管材扫查移动时，这些点状缺陷会不断引起涡流信号响应，形成密集分布的貌似干扰噪声的信号。

图3 6061铝合金管内壁荧光渗透检测结果

2.2 不锈钢管异常信号产生原因

涡流检测一般要求对比试样与被检制件的电磁特性应相同或相似。由于制作对比试样的不锈钢管材与出现明显异常信号的不锈钢管材不属于同一生产批次，且了解到这两个批次管材间制造工艺也有一定差别，因此需要评估由此可能对检测产生的影响。设计以下试验，首先从与对比试样同批次的Z71号管以及图2中117号管上各取一段并加工φ0.8mm、φ0.6mm人工通孔，然后，针对这两段管材分别调整仪器参数，使得两段管材上同规格通孔的信号幅值均达到较接近的某一值（笔者取通孔信号幅值达到仪器满屏幕的50%左右），此时记录下对应于两段管材的仪器增益值以及异常信号幅值，结果如表1。表1中，当两段管材上同规格通孔的信号幅值达到基本相同时，对应的仪器增益值最大只相差1.5dB，同时，两段管材上通孔以外部位涡流响应信号的幅值对比依然符合图2规律。可见，对于笔者所检测不锈钢管材，即便被检管材与对比试样不属同一批次，也不会对涡流检测的结果产生显著影响，并由此可确认图2中117号管材上所出现异常信号并非是由于对比试样选择不当而导致检测灵敏度过高引起。

表1 不同批次0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管材涡流响应信号幅值对比

两批不锈钢管材之间表面光滑程度有差异但相差不大，从无明显异常信号的一批抽取管材用硬物在其表面划出多道较明显划痕，经检测也未见有可识别的信号出现，因此可确认表面光滑程度的差异不是管材产生异常信号的原因。另外从Z71号管上截取了无明显异常信号的一段和从117号管截取了有明显异常信号的一段分别沿纵向剖开，进行荧光渗透检查均没有任何异常显示，进一步排除了管材内外表面开裂引起异常信号的可能。对两批不锈钢管材用肉眼初步观测圆度看不出明显差别，在Z71号管和117号管剖开的纵截面上用肉眼初步观测壁厚均匀性也看不出明显差别。但当用检测线圈滑过管材时，在有明显异常信号的管材部位普遍有波浪感，在无明显异常信号的管材部位则感觉不到。随后，在灯光下对管材外壁进行观察，可看到有明显异常信号的管材部位存在直径的轻微波动，而无明显异常信号的管材表面比较平整。

进一步从Z71号、117号已剖开管材中各取80mm长的一段，做纵剖面的金相观察，显微镜放大倍数取500，结果如图4（a）、（b）所示，在117号管上可看到大量变形孪晶，这些孪晶分布不均匀，有的晶粒内孪晶分布较密集，有的晶粒内没有孪晶分布。Z71号管上也有变形孪晶，但数量较少。此外，如图4（c）、（d）SEM照片所示，在117号管壁内可观察到一些宽数微米长200μm以内的，沿管材纵向的分散的条状夹杂，对照Z71号管也看到有类似夹杂，且数量更多，经能谱分析，所有看到的夹杂均为铝的氧化物，成分相同，从而由此类夹杂物引起本次检测中异常信号的可能性很小。在Z71号、117号管纵剖面的金相观察中没有看到有管壁内开裂及其它宏观缺陷情况，进一步补充做了Z71号、117号管材多个横断面的金相观察，也没有看到上述缺陷。此外，文献［2］曾指出奥氏体不锈钢形变中诱发的铁磁性马氏体会引起明显的检测噪声，但0Cr21Ni6Mn9N不锈钢属于高稳定奥氏体型不锈钢，相变产生马氏体的概率比较小，且金相观察中也未看到此类情况发生。

图4 不同批次0Cr21Ni6Mn9N不锈钢管材组织

综合以上所有因素分析，只有管材组织差异和尺寸波动与涡流检测异常信号之间存在明显的对应关系：有明显异常信号的管材上看到了密集不均匀分布的变形孪晶，且直径尺寸存在波动；无明显异常信号的管材变形孪晶少，且直径尺寸没有波动。变形孪晶是奥氏体不锈钢塑性变形过程的典型产物［6－7］，组织差异反映出117号管组织有更明显的变形迹象，而直径尺寸的波动应是管材变形不均匀的外在表现。变形不均匀对涡流检测的影响可能包括管材尺寸波动带来的提离信号响应，以及几何尺寸变化影响涡流场分布所带来的信号响应，以上两点因素应是引起检测异常信号的主要原因。

3 结论

6061铝合金冷拉薄壁管材、0Cr21Ni6Mn9N奥氏体不锈钢冷拔薄壁管材，在涡流检测中异常信号产生原因认为：前者异常信号是由于管材内壁开裂引起，后者异常信号是由于管材变形不均匀引起。

［1］BLODGETT M，NAGY P B.Anisotropic grain noise in eddy current inspection of noncubic polycrystalline metals［J］.APPLIED PHYSICS LETTERS，1998，72（9）：1045－1047.

［2］KHAN S H，ALI F，IQBAL M A.Eddy current detection of changes in stainless steel after cold reductions［EB／OL］.［2008－10－04］.http：／／www.ndt.net.

［3］BURET J－L，VUILLAUME D.Method for the reduction of noise during the Eddy－current testing of tubes and tubes produced with that procedure：France，FR 2708741（B1）［P］.1995－09－08.

［4］WENDT S E，HENTSCHER S R，RAITHEL D C.Correlation between eddy current signal noise and peened surface roughness［C］／／Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，American：A－merican Institute of physics，2007，1205－1212.

［5］李恒羽，李小宁，梁永红.锆管涡流检测中的异常噪声分析［J］.无损检测，2008，30（2）：107－109.

［6］王松涛，杨柯，单以银，等.高氮奥氏体不锈钢与316L不锈钢的冷变形行为研究［J］.金属学报，2007，43（2）：171－176.

［7］王松涛，杨柯，单以银，等.冷变形对高氮奥氏体不锈钢组织与力学行为的影响［J］.金属学报，2007，43（7）：713－718.