機(jī)械設(shè)備中的許多關(guān)鍵部件都由金屬材料制成，部分設(shè)備由于經(jīng)常運(yùn)行在高溫、高壓、高速或高負(fù)載等惡劣條件下，在其表面或內(nèi)部會產(chǎn)生腐蝕、裂紋、坑洞等缺陷，影響設(shè)備的正常使用、給人員的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，對設(shè)備進(jìn)行無損檢測，判定其質(zhì)量狀態(tài)，對于保證設(shè)備安全運(yùn)行和提高生產(chǎn)效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，具有非接觸測量、靈敏度高、反應(yīng)速度快、信號處理速度快、檢測面積大、直觀和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，非常適合現(xiàn)場以及在線檢測。
目前，國內(nèi)對于脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)的研究尚處于起步階段，多側(cè)重于定性分析，研究了檢測機(jī)理以及材料缺陷附近的溫度分布規(guī)律。奧地利學(xué)者Beate等比較了鐵磁性和非鐵磁性材料感應(yīng)加熱時裂紋附近溫度分布的差異。感應(yīng)加熱過程涉及渦流場和溫度場兩個方面，受材料的物理特性影響明顯。但是在實(shí)際檢測中，材料電磁特性、熱特性等參數(shù)千差萬別，導(dǎo)致不同材料感應(yīng)加熱現(xiàn)象相差很大，需要進(jìn)一步研究不同材料參數(shù)在感應(yīng)加熱時裂紋附近的渦流場和溫度場分布規(guī)律及其產(chǎn)生的原因，便于對實(shí)際檢測中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋。因此，本文選取45#鋼、不銹鋼兩種典型材料，比較了鐵磁性材料和非鐵磁性材料感應(yīng)加熱時渦流場和溫度場分布規(guī)律，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為下一步裂紋的定量檢測提供指導(dǎo)。
一、脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)原理
線圈中通入交變電流時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在導(dǎo)線附近的導(dǎo)電試件中會有感應(yīng)電流（渦流）產(chǎn)生，由于導(dǎo)體本身存在電阻，將在導(dǎo)體中產(chǎn)生焦耳熱。試件中的缺陷（如裂紋、腐蝕等）將會對感應(yīng)電流的分布造成影響，進(jìn)而引起試件表面溫度的變化。利用紅外熱像儀將試件表面的溫度分布記錄下來，經(jīng)過計算機(jī)對溫度圖像處理，即可實(shí)現(xiàn)缺陷的識別、分類、定量檢測等。
趨膚效應(yīng)是影響感應(yīng)加熱時導(dǎo)體內(nèi)部渦流分布的一個重要現(xiàn)象，即產(chǎn)生的渦流集中在導(dǎo)體表面，渦流密度在深度方向上由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)渦流密度降低為表面渦流密度的1/e時距離表面的深度稱為趨膚深度，趨膚深度與激勵電流頻率和材料的電導(dǎo)率有關(guān)，其計算式為：
其中：δ—趨膚深度；
f—激勵電流頻率；
μ—磁導(dǎo)率；
σ—電導(dǎo)率。
由于鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率較大，而非鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率為1，在相同激勵條件下，二者的趨膚深度相差很大，導(dǎo)致感應(yīng)加熱現(xiàn)象存在明顯差異。因此，本文以45#鋼和不銹鋼兩種典型材料進(jìn)行仿真分析，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究鐵磁性材料和非鐵磁性材料的感應(yīng)加熱規(guī)律。
二、感應(yīng)加熱仿真研究
1、仿真模型建立
利用有限元仿真分析軟件COMSOL Multiphysic3.5a建立如圖1所示的二維模型，其中試件尺寸為100mm×40mm×10mm；矩形感應(yīng)線圈位于試件中央，線圈截面3mm×3 mm，長21 mm，距離試件2 mm；缺陷為淺槽型（slot）裂紋，寬3mm，深5mm，位于試件上表面中心，與試件長度方向垂直；激勵電流幅值為350A，頻率為256kHz，加熱時間為200ms，初始溫度為293K。仿真所用材料參數(shù)見表1。經(jīng)計算可得45#鋼和不銹鋼的趨膚深度分別為0.03mm、0.83mm。
圖1 仿真模型
