涡流检测因简便、不需耦合和易实现自动检测等优点，被广泛应用于金属工件表面或近表面的检测中。金属工件在进行加工、与其他工件进行摩擦、或在用时被腐蚀等情况下都会形成不同程度的粗糙面。粗糙的工件表面就相当于多个微小缺陷，影响涡流检测时的精度和准确性。为此，有必要探讨在粗糙的金属表面上对微小裂纹实施涡流检测的可行性，确定不同工况下的检测能力，为涡流检测应用提供良好的指导。
 
1 试验研究
 
（1）试件
 
为量化分析表面粗糙度对涡流检测产生的影响，选择经过机械加工有规则表面纹理的工件进行试验。选择盘刀铣、立刀铣这两种加工方式的工件各3件, Ra分别为3.2，6.3，12.5μm，并选用Ra=0.2μm的平磨表面作为比对。
   
如图2所示，在每件工件相同位置上刻有三条人工刻槽，刻槽深度由深至浅，依次为50，20，5μm，宽度均为20μm，长度均为5cm。
   
在试验中，使用差分式涡流探头，且保证在扫查过程中探头和工件表面始终保持紧密接触、零提离间隙。
 
（2）试验结果
 
根据试验得到的刻槽信号图，进行刻槽信号幅度与底波信号幅度比Rs的计算，得到如表1所示的刻槽信号幅度与底波信号幅度比Rs跟粗糙度的关系表。
 
可以看出在同等粗糙度下，裂纹越深，Rs越大，信号越明显；裂纹深度相等时，随着粗糙度的加大, 检测信号中的背景信号不断增强，Rs减小。

• 当裂纹深度为5μm时，在试验的三种粗糙度下，Rs接近于0，都不易被检测出。
• 当裂纹深度为20μm时，立刀铣Ra12.5μm的Rs接近于0，而盘刀铣Ra12.5μm的Rs在2.0左右。

说明：在较为粗糙的工件表面，缺陷能否被有效检测不仅取决于工件表面粗糙度的大小，还与工件加工方式产生的纹理有关。
 
2 不同加工方式产生的干扰信号
 
在国家表面粗糙度评定标准GB 3505-1983中，对表面粗糙度的评定方法可从水平（x）和高度（y）两方向进行，其中包含三个基本参数(水平)和三个评定参数(高度)。

• 高度参数中，对Ra系数值的定义为在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值；
• 水平参数中，含有一个轮廓单峰的平均间距S，即两个相邻轮廓的波峰在中线上投影的距离Si，在长度L内，Si的平均值也就是轮廓单峰的平均间距S。

研究表明：无论是平磨、磨削还是立刀铣，轮廓偏距Ra与轮廓间距S之间都近似成线性关系，并且可以近似认为：

同一种加工方式的工件表面，工件表面粗糙系数Ra与轮廓间距S成正比关系；
不同加工方式的工件表面，在相同粗糙系数Ra值的情况下，工件表面的轮廓间距值S与斜率k有关，且成反比关系，即Ra相同时，k值越大，轮廓间距S越小。
 
由此结论，可对工件表面二维结构进行简单模拟，如图3所示。
   
在涡流检测中，激励线圈产生交变磁场，在工件表面产生电涡流。若工件表面光滑且无裂纹，工件表面的电涡流呈同心圆环型分布；若工件表面存在裂纹，则涡流会从裂纹的底部绕行而过，故工件表面的电涡流会发生截断，垂直于工件表面的法向磁场Bz会相应变化，如图4所示。
  在粗糙表面进行涡流检测时，粗糙表面的纹理可简单等效为一个深度为Ra、宽度为S的槽口。当涡流探头在工件表面扫查时，粗糙纹理引起垂直于工件表面的磁场分量Bz的变化，产生底波信号。
 
（1）平磨Ra0.2μm工件
 
经计算得到：平磨加工的表面粗糙纹理相当于一个深0.2μm、宽度为3.1913μm的裂纹槽，因纹理的深度较浅，宽度较小，故对涡流截断产生的影响很小，所以在平磨工件上的检测信号清晰。
 
（2）不同加工方式Ra值相同的工件
 
对于立刀铣Ra12.5μm的工件，表面纹理相当于一个深度为12.5μm、宽度为0.6278mm的裂纹槽，故表面纹理产生的底波信号很大，Rs较小。
 
虽然盘刀铣的纹理深度与立刀铣相同，但宽度比立刀铣窄，故底波信号相对立刀铣要小些。所以在同等粗糙条件下，立刀铣比盘刀铣的底波信号大，Rs小。
 
（3）相同加工方式Ra值不同的工件
 
以立刀铣为例，表面纹理相当于一个深度为6.3μm、宽度为0.3164mm的裂纹槽。所以随着Ra值的减小产生的底波信号也相应的减小，Rs则增大。
 
3 粗糙表面对线圈阻抗值的影响
 
涡流检测中，试件因线圈感应出的涡流大小、相位和分布与试件电磁性质、激励频率、线圈与试件之间的耦合等因素有关，且涡流的存在又影响检测线圈周围的磁场分布，线圈的阻抗也随之变化。有文献通过麦克斯韦方程组以及对应的边界条件联立计算进行求解，求得相应的线圈阻抗的表达式，并将线圈阻抗表达式转化为了级数表达式。
 
根据理论计算可知：
 
（1）入射阻抗仅为感抗，与线圈的激励频率以及线圈本身的各种参数，如磁导率、内径、外径有关，不会引起线圈阻抗的变化；
 
（2）随着提离值的变大，检测线圈阻抗增大，从图3中可知，对于Ra值不同的工件，随着Ra值的增大，线圈到工件表面的提离值也增大，从而影响着线圈阻抗的变化；
 
（3）电导率的变化必将引起线圈阻抗的变化。
 
4 粗糙表面引起电导率的变化
 
工件表面的粗糙纹理使工件的显微组织发生变化，亦或者使工件微观结构的晶体点阵扭曲变形，从而破坏了晶体离子势场的对称分布，使电子的散射率发生变化，从而引起工件的电导率发生变化。
 
当检测探头到达缺陷位置时，部分电子因受到缺陷的阻隔，使得电导率下降，在探头位于缺陷中心位置的正上方时，自由电子受到缺陷阻隔的影响最为严重，所以此时工件的电导率达到最低值。且随着缺陷深度的增加，被阻隔的电子流密度也在增大，从而电导率的最低值会减小。
 
粗糙表面工件的纹理可等效为有一定深度和宽度的缺陷，随着粗糙表面工件Ra值的不同，纹理的宽度、深度各不同，对工件电导率的分布也相应的会产生一定的影响。即Ra值越大，工件表面纹理深度越深，工件电导率达到的最低值越小，下降速度也越快，从而对检测线圈的阻抗影响也越大。电导率的减小，引起线圈的散射阻抗值增大，随着电导率减小的差量增大，使得线圈散射阻抗值增大的差量也增大，即工件表面Ra值越大，工件电导率达到的最低值越小，则线圈散射阻抗值则越大。则工件的表面越粗糙，引起电导率的变化越大，相应对涡流检测的阻抗值影响也越大。
 
5 结论
 
（1）涡流检测过程中，粗糙表面纹理相当于多个缺陷引起涡流截断，产生底波干扰信号，底波信号的大小与工件加工方式和Ra值有关。
 
（2）粗糙表面会对线圈的阻抗产生影响，使得检测过程中会产生噪声信号，且随着工件表面粗糙度Ra值的增大，信噪比减小，缺陷信号不易被辨别，不易检测出较浅裂纹。
 
（3）粗糙表面对电子的流动产生阻隔，引起电导率变化，影响着线圈散射阻抗的变化。
 
（4）涡流检测的工程应用中，要结合表面状况实施合适的检测精度标准，表面纹理几何特征和期望的检测裂纹深度间存在一定的关系，纹理深度Ra与检测裂纹深度比超过0.5后，检测信号的信噪比很低，从而难以实施有效的检测。
 
 
节选自《无损检测》2016年第38卷第3期
 
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本文作者：汤祺，华中科技大学 机械科学与工程学院 硕士研究生，主要研究方向为无损检测及仪器。
 
康宜华，华中科技大学 机械科学与工程学院 博士生导师，主要从事无损检测技术及仪器方向的研究工作。