基于方向调制涡流热成像的防腐漆下裂纹检测

洪婷婷，侯德鑫，叶树亮

(中国计量大学工业与商贸计量技术研究所，浙江杭州 310018)

0 引言

裂纹是金属材料中最危险的缺陷之一，尖锐的裂纹尖端会引起应力集中，促使裂纹快速扩展造成严重后果，因此对于金属表面裂纹的检测非常有必要[1]。涡流热成像方法结合了涡流检测及热成像技术的双重优势，具有非接触、检测面积大、高分辨率成像等优点，因此在金属表面裂纹检测[2-4]、腐蚀检测[5]、焊缝裂纹检测[6-7]、以及复合材料的缺陷检测中[8]得到了广泛应用。

在实际应用中，由于特殊环境的需要，金属表面往往涂有油漆防腐层，以延长设备的使用寿命。表面漆层严重影响在役设备表面裂纹的检测,涡流热成像方法主要有脉冲式和锁相式两种。Z. KP. LIU等[9]采用有限元仿真的方法对脉冲涡流热成像法检测漆层下焊缝裂纹做了初步探索，仿真结果表明通过分析漆层表面的温度分布，可以区分出0.24 mm漆层厚度下的裂纹与非裂纹区域，但是两者温差并不明显。采用脉冲涡流热成像方法检测防腐漆层下金属表面裂纹，由于激励时间太短，热量较低，且热信号在穿透漆层过程中发生弥散和衰减，裂纹的尖端异常信息容易淹没在噪声和其他干扰中，难以将其提取出来。针对脉冲涡流热成像信噪比低的问题，唐波等[10]提出采用大功率脉冲涡流热成像可以改善检测效果，增强信噪比。另外，常规锁相热成像方法也可以提高成像信噪比，该方法可以有效地将有用信号从噪声信号中分离出来，常用于分层、气泡和夹杂物等内部缺陷检测[11]。但是由于漆下裂纹检测中，热传导发生在热物性参数相差较大的被测金属与防腐漆两种材料中，传热过程更加复杂。因此，为了更好地解决成像信噪比低的问题，本文提出一种方向调制涡流热成像方法，可以更有效分离有用信号与干扰信号。

1 检测原理

1.1 方向调制涡流热成像检测系统

方向调制涡流热成像检测金属表面裂纹的系统结构如图1所示。常规涡流热成像方法是涡流检测与热成像检测两种技术的结合，表面裂纹引起的导电不连续性会影响感应涡流的走向，使得裂纹尖端涡流聚集，结果表现为裂纹两端与相邻非裂纹区域相比，温度变化明显异常，即“尖端效应”[12]。利用热像仪记录试样表面的温度信息，经相关检测算法对该缺陷进行特征提取，即可检出裂纹。

图1 方向调制涡流热成像检测系统

方向调制利用的是裂纹对涡流方向的选择性：当裂纹走向与涡流方向垂直时，检测灵敏度最高；而两者之间的夹角越小，检测灵敏度就越低[2,13]。因此，本文采用两相感应加热电源产生旋转的涡流场，因为裂纹方向一定，旋转涡流场即可对裂纹进行功率变化的周期性激励，而非缺陷区域在涡流场旋转过程中功率密度没有变化。由于这一差异的存在，可以将该周期性变化的裂纹特征信号提取出来从而实现方向调制的目的。该方法与脉冲涡流热成像方法相比，为热信号穿透漆层提供了足够的时间，并且可以有效分离热信号与噪声干扰。

激励探头是方向调制的关键，该探头由1个磁环、4个磁柱和2组线圈1、2组成，其中线圈1_1、线圈1_2为一组，线圈2_1、线圈2_2为一组，两组线圈在空间位置上相互垂直。两组线圈分别通以幅值相同、频率相差很小的正弦激励电流，将探头放置于被测金属试样的正上方，二者的合成磁场将会在金属试样表面感应出低频旋转的涡流场。在足够加热时间条件下，旋转涡流场可以实现对裂纹的周期性激励。

1.2 方向调制方法数学模型

方向调制的实现是在激励探头两组线圈均通以高频激励电流的条件下，控制二者之间的频率差，使得合成感应涡流以较低的拍频旋转，该频率差即为调制频率。

以试样表面中心一点P为例分析合成涡流的变化过程，因为线圈1、线圈2在空间位置上相互垂直，为便于分析，取线圈1所在磁极方向为x轴，线圈2所在磁极方向为y轴。涡流是一个向量，但由于两组线圈相互垂直，所以线圈1在P点产生的涡流走向为y轴方向，线圈2在P点产生的涡流方向为x轴方向。即线圈1只有y分量，线圈2只有x分量。因此，两组线圈感应涡流的数学模型如式1所示。

(1)

式中：I1、I2分别为线圈1、线圈2感应涡流的幅值；ω0+Δω/2,ω0-Δω/2分别为线圈1、线圈2感应涡流的频率，其中Δω为调制频率，Hz；φ1、φ2分别为线圈1、线圈2感应涡流的初始相位。

整理式(1)可得

(2)

式中，相位差Δφ=φ2-φ1-Δωt。

由式(2)可以看出，试样表面中心一点P的合成涡流变化轨迹是一个椭圆，当两组线圈感应涡流之间的相位差不同时，轨迹会有所不同。因此，在不同相位差条件下，合成涡流的变化情况如图2所示。

图2 同频、同幅、不同相位差下的涡流场轨迹图

可以看出，相位差不同，合成涡流随时间的变化形式不同。由于Δφ以Δω的角频率随时间缓慢的变化，所以该点的合成涡流应按照图2所示的次序，呈现周期性的变化。

由上所述，选定调制频率，对被测对象加热至少10个周期后，采集被测区域的热信号。裂纹与非裂纹区域在涡流旋转过程中被激励状态存在差异，裂纹处的特征信号具有周期性而非裂纹区域没有，并且该周期由调制频率决定。因此，对被测区域内所有像素点的热信号作傅里叶变换，提取各像素点在调制频率下的幅度值，即可得到幅度图。所得图像只包含周期变化的信号信息，从而可以将缺陷特征信号从干扰中分离出来，最终通过所得图像判断裂纹的存在性。

1.3 调制频率的选择

关于调制频率的选择，由于45#钢及防腐漆两种材料之间的特性参数相差较大，因此传热过程比较复杂，锁相方法中调制频率的一般选择方法在此不适用。本文采用COMSOL有限元软件仿真分析调制频率与漆层表面温升信号的关系，仿真模型如图3所示。

图3 COMSOL仿真示意图

模拟涡流热成像检测中的尖端效应，仿真中设置点热源，该热源为周期性变化信号

H=80+80sin(2×π×f×t)

(3)

式中f为调制频率，设置调制频率的范围为0.12～

0.96 Hz。

漆层厚度设置为0.8 mm，在不同调制频率下，提取位于点热源正上方漆层表面的温度信号并做傅里叶变换，得到不同调制频率下的幅值，观察幅值与调制频率之间的关系如图4所示。

图4 调制频率与幅值强度关系

由图4可以看出，调制频率越小，幅值越大，即信号强度越大。但在实际检测中，若调制频率过小，在保证足够周期数的条件下，则需要更长的加热时间，导致被测金属试样表面温度太高，对表面漆层产生破坏。因此，结合表面信号强度与温度两方面的考虑，本文实验最终确定调制频率为0.5 Hz。

2 实验及结果

2.1 实验条件

实验对象为45#钢平板试样，如图5所示。试样上存在3条由电火花加工技术加工而成的裂纹，裂纹尺寸长×深×宽分别为5 mm×2 mm×0.5 mm(1号)、10 mm×2 mm×0.5 mm(2号)、10 mm×4 mm×0.5 mm(3号)。

图5 无漆层被测试样实物

使用环氧富锌防腐漆对试样进行处理，表面漆层厚度为0.8 mm。采用如图6所示实验装置对含漆层试样进行检测。

图6 方向调制感应热成像检测系统

图6所示装置为方向调制涡流热成像检测平台，感应加热电源的加热功率为2 700 W，激励频率为39 kHz，调制频率设置为0.5 Hz，加热时间为24 s共12个周期。另外，提高加热功率的方法也可以增强成像信噪比，因此为了与本文方法进行对比，同时采用大功率脉冲涡流热成像装置对试样进行对比实验，感应加热电源的加热功率为10 kW，激励频率为20 kHz，加热时间为300 ms。由于被测试样为铁磁性材料，在该量级激励频率下趋肤深度很小，所以两种方法之间的频率差带来的影响可忽略不计。实验中选用分辨率为320像素×256像素，帧频为60 Hz的Flir-A35热像仪采集数据。

2.2 实验结果与讨论

采用方向调制涡流热成像与大功率脉冲涡流热成像两种检测方法分别对45#钢试样上的3条裂纹进行实验，检测结果如图7所示，其中图7(a)为试样表面裂纹实物图，图7(b)为方向调制涡流热成像方法幅度图，图7(c)为大功率脉冲涡流热成像方法温升图，成像结果中亮点为裂纹的尖端效应。

(a) (b) (c)图7 不同检测方法实验结果

裂纹成像结果表明，方向调制涡流热成像方法对3种工况的检测结果均比较理想，尖端效应明显，而大功率脉冲涡流热成像无法检出1号最小裂纹，且具有加热不均匀性；对比3种工况的缺陷特征，方向调制涡流热成像方法比大功率脉冲涡流热成像方法的成像信噪比更高。

综上所述，在防腐漆下裂纹检测中，大功率脉冲激励方法的加热不均匀性较严重，裂纹容易淹没在干扰中无法检出，而方向调制涡流热成像方法可以很好的抑制各种干扰，成像信噪比较高。

3 结束语

本文提出方向调制涡流热成像检测方法，建立方向调制方法数学模型，仿真分析调制频率大小，在0.8 mm漆层厚度下，对45#钢试样表面不同尺寸裂纹进行实验并将检测结果与大功率脉冲涡流热成像方法相比，得出结论如下：对0.8 mm防腐漆层下裂纹，基于方向调制的涡流热成像结果可清晰看到裂纹尖端的亮斑，证明该方法的可行性；与大功率脉冲涡流热成像相比，基于方向调制的涡流热成像在检测较厚漆层下的裂纹时具有更高信噪比。