电涡流检测技术在地铁车辆检测中的应用

　　摘 要：电涡流检测技术作为一种常规无损检测技术，易于实现对多个方向缺陷的高速自动化检测，具有简便、无需耦合剂等优点，常用于发现导电工件表面及近表面缺陷。文章重点介绍电涡流检测的工作原理、检测仪器及检测方法，并对地铁车辆转向架表面和车钩位置表面及近表面缺陷进行电涡流检测实验，定量评估缺陷的大致深度。通过实验，进一步验证了电涡流检测技术在地铁车辆金属表面及涂层覆盖下裂纹缺陷检测的优势及重要作用。

　　关键词：地铁;车辆;电涡流检测;趋肤深度;车钩;转向架

　　《专用车与零部件》(原：现代显示)(双月刊)创刊于2015年，是由中国机械工业联合会主管、北京卓众出版有限公司主办的行业杂志。主要栏目：卷首语、聚焦点、专用车、讲技术、看世界、大数据等。

　　当检测线圈中通有交变电流时，在线圈周围会产生交变磁场;当磁场内的磁力线穿过下方待加热试件时，便会形成回路，从而在其横截面内产生感应电流，该电流又被称作“涡流”。当接通交流电的线圈靠近被检测工件表面后，其工件表面会出现电磁涡流，从而产生1个与原电磁场方向相反的感应磁场，抵消原磁场的强度，导致检测感应线圈的电阻和电感分量发生变化。因此，通过检测感应线圈的阻抗变化值便可以非破坏性地评价导体的物理和工艺性能。

　　1 电涡流检测原理

　　电涡流检测是建立在电磁感应基础上的一种无损检测方法，该检测的实质是检测感应线圈的阻抗值变化。

　　电涡流检测系统主要由以下3部分组成：①通交流电的线圈式探头;②检测电流的仪器;③被检测的金属工件。其检测原理如图1所示，在检测过程中，如果在金属表面存在缺陷或者其他不均匀性问题时，就会阻断电涡流的流动，从而影响到局部表面的温度及感应磁场的强度，使得线圈阻抗发生变化。因此，利用电磁感应原理，可基于检测线圈阻抗的变化来推断被检测工件表面及近表面是否发生损伤，只需检测出这个变化的数值就可以判别金属表面有无缺陷。

　　当工件表面产生的感应电涡流在检测工件表面流动时，垂直于涡流流向的裂纹会阻挡其流动，从而引起反射磁场强度的变化，导致检测线圈阻抗和电压改变，从而检测出缺陷。如果裂纹的走向和电涡流流动的方向相互平行，那么缺陷被检出的可能性就较低。因此，电涡流检测必须从多个方向进行检测，以便发现不同走向的表面缺陷。

　　2 电涡流检测仪器

　　电涡流检测仪器的种类很多，根据不同的检测目的可以将其分为导电仪、测厚仪和探伤仪。虽然它们各自的内部电路设计有所不同，但是在实际应用过程中往往需要承担相同的任务：①产生高频的激励信号;②检测试件表面的电涡流变化情况;③呈现检测结果及缺陷信息。

　　根据不同检测对象的结构形状及材料属性，需要变更使用不同类型的线圈探头。如图2所示，常见的检测线圈探头类型分为以下3类。

　　(1)穿过式线圈(图2a)：主要用于检测管道，其为棒材等需要从线圈内部通过的导电试件。

　　(2)内通过式线圈(图2b)：此类线圈直接穿过被检测试件的内部，适合检出管件、小孔径钻孔、螺纹孔或厚壁管内部的表层缺陷。

　　(3)放置式线圈(图2c)：分为点式或探头式线圈。探伤检测时需要放置于被检测工件表面，此类线圈的体积较小，线圈内部一般带有磁芯并且灵敏度较高，适合检测各种板材及管材的表面，同时可针对复杂形状试件的指定位置处进行检测。

　　3 电涡流检测方法

　　在实际检测过程中，被测工件的金属特性决定其表面感应电涡流的密度及渗透深度，即电涡流所能到达工件表面以下的实际距离。通常，该距离直接影响电涡流检测能力(即检测精度)。由于检测缺陷的深度受到被测对象的趋肤效应影响，因此，电涡流法通常便于检测近表面缺陷。

　　3.1 趋肤深度

　　感应电涡流的密度随着被试工件表面距离的增大而减小，其变化取决于激励端的频率、被测工件的电导率和磁导率等参数。在平面电磁波进入到半无穷大的金属导体中时，电涡流密度及能量将随着感应涡流渗透的深度变化呈现指数型衰减趋势：

　　式(1)中，Jx 表示距离工件表面x深度处的涡流密度;J0表示起始金属表面的电涡流密度;e为底数常数;μ表示试件的磁导率;f表示感应线圈的交流电频率;σ表示被检测材料的电导率特性。

　　当导线中通直流电时，电流在导体中的分布是均匀的，然而当通交流电时，电流在导体截面上将不再成均匀分布，导体表面上各点的电流密度较大，而中心轴线上的电流密度较小，电流集中在导体的“皮肤”部分的这种现象叫做趋肤效应。在高频电路中采用空心导线代替实心导线，此导线的厚度被称为趋肤深度。通常情况下，感应电涡流能到达的距离为被检测表面3～4个趋肤深度。因此，该技术不适用于检测位于表层以下过深位置处的缺陷。

　　3.2 渗透深度

　　通常情况下，将涡流密度衰减为其表面密度总量的1/e时所对应的深度定义为渗透深度[3]，该值将决定涡流检测的灵敏度，其数学表达式為：

　　该值表示不同电导率的金属标准渗透深度与频率之间的关系。如图3所示，对于给定的材料，需要根据材料的相关物理性质选择合适的感应激励频率。

　　电涡流检测的激励频率选择范围大致可以从200 Hz到6 MHz。对于大多数的非磁性材料的检测，通常选择数千赫兹频率，而对于磁性材料则选择较低频率。实际检测过程中若检测的缺陷位于试件的表面及近表面，采用高频激励信号;若待检缺陷位于距离表面一定位置处，则采用低频激励信号。

　　3.3 提离效应抑制

　　在涡流检测过程中，探头的提离及晃动、检测表面的粗糙度等因素都会引起检测信号的变化。而电涡流的大小随着变化电磁场与导体的距离改变而变化，这被称为提离效应。这种效应对实际检测过程中的阻抗信号值影响非常大，常见的抑制提离信号的方法就是加装固定形状的模具，以便检测时保持电涡流探头距离下方被检工件表面高度稳定且不变。

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文章名称： 电涡流检测技术在地铁车辆检测中的应用

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