电火花加工缺口涡流信号与疲劳裂纹的相关性研究

摘要：

在涡流检测的校准中，人工缺陷因其产生简单、易于控制几何参数而被广泛使用。然而，这些缺陷在几何方面与实际缺陷有很大的不同，即使对制造过程有精确的控制。为了确保可靠的校准结果，必须建立来自人工(加工)和实际缺陷的信号之间的关系。本文对电火花加工缺口(EDM缺口)的涡流信号与疲劳裂纹之间的关系进行了详细的研究。为了进行测试，使用了绝对铅笔探针。结果表明，虽然电火花加工缺口信号与疲劳裂纹信号存在明显的差异，但如果进行适当的修正，利用人工缺陷可靠地表征疲劳裂纹是可能的。

1. 介绍

无损涡流检测技术广泛应用于金属材料的裂纹和缺陷检测与表征。这一过程需要一个预先的校准程序，在类似于实际测试的条件下，获得用于比较和解释被测零件所见信号响应的数据库，并确保测试系统的灵敏度足以检测所需的裂纹大小。为了提高结果的准确性，校准标准中的缺陷必须具有与现场情况下发现的缺陷相似的物理、电、磁和形态特性，从而在理论上产生相似且一致的响应。然而，由于尺寸控制的困难，用精确尺寸的疲劳裂纹制作标准可能是一项艰巨的任务。与此同时，高昂的成本、特定基础设施的要求和合格的人员大大增加了所涉及的成本。根据这些障碍，在校准过程和数据库创建中，使用人工缺陷来表示真实缺陷是一种普遍的做法。

另一种选择是插入激光缺口，该缺口与真实裂纹在计量上具有良好的相关性。尽管如此，热输入对缺口周围材料的影响以及从缺口中去除所有材料的难度等问题可能会产生不准确的结果。因此，应该进一步研究利用激光缺口模拟实际裂纹。一种流行的替代方法是电火花加工(EDM)方法。其优点是成本低、获取快、缺陷尺寸控制容易。然而，很难插入较深的EDM缺口与非常小的宽度，类似于普通疲劳裂纹。只要响应信号依赖于被检测材料中涡流的分布，这就是一个有意义的问题。因此，改变电流路径的因素（例如裂缝尺寸，倾斜和偏斜，方向，分支，粗糙度和表面质量）的变化也会改变获得的响应。因此，由于其中一些因素具有不同的条件，因此认为EDM缺口不一定总是真实疲劳裂纹的合理表示。在无损检测领域，人们对电火花加工切口信号响应作为涡流检测参考的准确性进行了大量的讨论，并针对这一问题开展了相关的研究工作。文献报道的大多是缺陷宽度对增加涡流信号振幅的显著影响，无论是对于疲劳裂纹还是对于EDM缺口，都揭示了振幅与缺失材料体积的重要关系。但是，必须对两种缺陷类型的这些行为进行比较，才能合法使用包含EDM缺口的标准校准块，以进行寻求疲劳裂纹的检查。

Rummel等人报告了电火花加工槽作为裂纹尺寸校准工具的可靠性不足。验证了信号幅值与电火花加工槽宽呈线性增长关系，但与疲劳裂纹分析不同。Larson等人也发现了EDM响应与宽度相关的等效线性变化。通过对不同宽度电火花加工缺口的实验结果进行趋势外推，确定了原始疲劳裂纹试样的信号与预测的零宽度缺口信号具有良好的相关性。一些研究将直接诱导的疲劳裂纹(宽度约为10-20mu;m)与具有相同深度和长度的电火花加工缺口进行比较，发现两者的信号幅值相差较大，从而阻碍了裂纹的检测，并低估了其尺寸。测试频率越高，这种差异越大。同时，Ibrahim等人注意到这种情况下的信号相位差确实很小。

另一方面，Kurokawa发现，在插入疲劳裂纹的Inconel 600平板中，由于裂纹宽度的变化，阻抗的变化并不显著，除了低于一定的阈值外，从这个阈值开始，信号会突然减弱。中川等人也得出了相应的结论。对于平行于电流传播的缺陷，Ross和Lord注意到疲劳裂纹和EDM缺口信号之间的相似性。复杂且呈锯齿状的裂纹形状可能会造成显著的电流中断，而电火花加工缺口的直线路径虽然宽得多，但中断的电流几乎相同。

某些裂纹特性也有可能使得到的信号发生显著变化。裂纹闭合效应可能由于裂纹几何形状和氧化物及杂质的存在而在裂纹内产生电接触。它会在裂纹周围产生涡流短路，并可能对响应产生较大的影响。一些作者还强调，裂纹的界面受到压应力的影响，当产生电接触的概率更高时，信号振幅会降低。Lahdenpera还指出，裂纹表面的附加分支可能会增加涡流迹象，这可能是热疲劳裂纹尺寸估计不足的一个原因。其他作者警告说，由于变形和再凝固区域的影响，对于较窄的缺陷，以及关于检测表面粗糙度的响应有畸变的可能性。最后，Esquivel和Kim注意到，对于较宽的裂纹，信号变化更接近于发射变化，而对于非常窄的裂纹，信号修正类似于电导率变化，因为接触点会导致裂纹电导率的稀疏变化。

总结了几位研究人员的结果，证实了缺乏共识，这使讨论变得更加开放，以便更清楚地了解在具有相同几何特征的不同类型缺陷的情况下，信号可能相似的方面。本文详细研究了疲劳裂纹和电火花加工缺口信号之间的差异。在保持所有其它参数不变的情况下，对不连续性开口的影响进行了专门分析，并讨论了使用基于EDM缺口的校准结果来表示和检测疲劳裂纹的修正。缺陷是通过厚度裂缝和厚度缺口和样品有足够的厚度不影响行为的感应电流。这样，信号只与孔径有关，而不受缺陷的背景几何形状的影响。测量的细节将在论文的以下部分进行说明。

1. 方法

通过使用Inconel 625的紧致拉伸(CT)试样进行疲劳试验，在没有达到试样断裂的情况下，对裂纹进行扩展，制作出真实的疲劳裂纹，如图1a所示。Inconel 625是一种顺磁性材料(相对磁导率mu;r= 1)，其导电性为0.775 MS/m。试件在疲劳试验机中承受25kN的载荷变化，以4Hz的频率振荡。在获得初步的裂纹后，在试样较大的表面安装了一个机械系统来改变裂纹的开口，以便后续的涡流测试测量。该系统主要由两个固定在CT试样相同通孔内的销钉组成，适用于疲劳机握把。在其中一个销子上加工了一个带有内螺纹的孔，而在另一个销子上安装了一个止动装置。插入并调节一个螺钉，直到将其连接到挡块为止，从而可以控制施加在螺钉上的累积扭矩。根据施加的扭矩，得到相应的疲劳裂纹宽度，其中扭矩越大，裂纹张开的拉力越大，如图1b所示。信号采集在经过裂纹的路径上连续进行，如图1c所示。图2为疲劳裂纹CT试件图像，右侧为裂纹张开控制系统试件图像。为了便于比较，我们还制作了含有电火花加工(EDM)切口的同一材料的试样，切口宽度为不同的10种，如图3所示。图4显示了包含10个EDM缺口的真实试样，其宽度在0.17和0.40毫米之间。在光学显微镜的支撑下测量宽度值。应该注意的是，很难实现EDM缺口宽度小于0.17毫米，特别是在很大的深度。涡流检测方法与CT标本相同。从两种方法得到的结果中，得到了阻抗变化值与不连续宽度之间的关系。针对电火花加工缺口在疲劳裂纹区域内表征涡流行为的有效性进行了验证，利用两种类型的缺陷检测得到的信号进行了对比研究。

图1 ：疲劳裂纹变化的机械系统示意图。

图2 ：用系统控制疲劳裂纹宽度的CT试件

图3 -不同宽度的电火花加工切口试样的示意图

图4 ： Inconel 625样品，包含10个EDM切口，宽度值从0.16到0.40毫米

对施加的每个转矩值，用光学显微镜验证相应的裂纹宽度和形貌细节。对每个转矩(开度)条件进行了10次裂纹宽度测量，并考虑了其与涡流信号之间的相互关系。实验结果表明，疲劳裂纹的宽度与电火花加工的缺口宽度相当，可以分析裂纹形态对涡流信号的影响。为确保数据集可用于统计分析，对每个缺口和每个裂纹开口进行了五次检查。所有的测量都是在一条垂直于缺陷一半长度的直线上进行的。检查扫描速度为1 mm / s，探头驱动等于4 V，数据采集速率为2 KHz，可提供大量数据。 表1列出了探针的绝对详细信息和检查信息。

表1：关于探头和检查程序的信息

图5 ：涡流穿透深度与Inconel 625测试频率的关系。

图5举例说明了Inconel 625感应电流的计算标准贯入深度与测试频率之间的关系。使用频率为260 kHz，涡流穿透深度约为1.1 mm。自标本用于当前测试的厚度是5毫米,近5倍穿透深度,并考虑到减少电流密度是一个指数函数对深度,得出样本的厚度不影响收集到的信号。没有缺陷的平均样本参考信号振幅为11,563 V，其标准差为0,233 V。

1. 结果与讨论

裂纹和电火花加工缺口的平均宽度值及其标准偏差(SD)见表2和表3。如图6所示，当样品从疲劳试验中移出时，裂纹明显变窄，大约10–20 micro;m宽度。根据难以插入小于0.17 mm的EDM缺口的特性，在EDM缺陷的宽度值和实际裂纹之间建立了相当大的差异。 因此，开发了图2的机械系统，并成功地在中间裂纹和最小的EDM缺口之间产生了中间宽度的裂纹。

图6 ：通过光学显微镜获得的疲劳裂纹的详细视图

图7 ：a)疲劳裂纹随机械系统螺杆累计扭矩增加的变化。b)采用电火花机实现不同的宽度

图8 :信号振幅作为不连续面宽度的函数

图7a和b分别显示了不同开口的裂纹和EDM切口的图像。每幅图像下面的数字是测量的宽度平均值的近似值。图8表示信号平均振幅与不连续宽度的函数关系。所有缺陷的幅度测量均将平均样本参考信号幅度作为起始参考点（平衡点），因此显示的值是缺陷的幅度值与非缺陷区域的平均幅度值之差。红点表示在疲劳试样上进行的测量，而蓝点表示电火花加工切口。误差条与平均值的标准差范围为plusmn;1，表示数据的可变性。不规则的裂纹路径，明显不同于电火花加工的平面裂纹，使得宽度测量更加不精确，这可以从宽度标准差相对于平均值的高值得到证明。

表2 ：疲劳裂纹ECT测量的宽度和信号幅值

表3 ：电火花加工切口ECT测量的宽度值和信号振幅

表4 -原始疲劳裂纹(0.02 mm)与电火花加工缺口信号幅值的比较

从采集的数据中可以看出，缺陷宽度对检测结果的影响较大，其中随着孔径的增大，信号幅值增大。原始疲劳裂纹(0.02 mm宽度)信号与所有电火花加工缺口信号对比，幅值差值如表4所示。同时，缺陷信号在3.56 V和5.38V之间的幅值保证了参考信号的31%到47%之间的幅值变化，突出了使用合适的频率选择和应用小半径的探头可以实现的良好灵敏度。电火花加工缺口与原始疲劳裂纹之间的信号差异从2.22 dB(22,52%)到3.57 dB(33,73%)不等，所有缺口如图9所示。因此，对电火花加工切口的信号进行校正是十分必要的，以使其能够代表实际的现场情况，其目标是检测微小的疲劳裂纹。修正的百分率必须通过与几个不连续口的检验结果作图的校准曲线来计算。考虑到数据的统计方面和测量的不确定性，可以假定一般的趋势是，缺口越宽，要应用的校正因子越大。

图9 -电火花加工切口和原始疲劳裂纹测量值之间的信号差异(dB)

此外，还可以确定一些有趣的方面，例如宽度值的兼容性。相同宽度的电火花加工缺口和疲劳裂纹的信号在较大宽度范围内提供了密切相关的信号幅值，说明可以忽略裂纹形态的影响。在此范围内，通过相应的电火花加工缺口宽度，可以大致预测实际裂纹的宽度。然而，在三种较小的疲劳裂纹宽度的测量中，振幅的变化相当突然，并有明显的下降速率。从第四个测度开始，假设斜率不同的线性趋势。因此，在相同的试验条件下，为了估算现场检测的缺陷宽度，所采用的校准线性规则将取决于信号的幅值。

造成这一速率变化的最可能的原因是，当宽度小于给定的阈值时，裂纹表面之间存在电接触，从而改变了裂纹周围电流分布的配置，并允许电流在裂纹表面之间流动。这些接触点出现在疲劳裂纹中，如图6所示。它证实了之前一些研究的结论，这些研究也重视了这种现象对获得信号的影响。

总的来说，所得结果与Nakagawa等人的和Larson等人的有很大的不同。与作者所制造的小切口相关的信号显示疲劳裂纹的微小差异，约为振幅的12%，而大切口的差异为35%。然而，由于它们都是平的切口，切口底部的深度和形状影响了检查的标志。信号振幅变化行为与黑川对同一材料的研究结果一致。

1. 结论

提出了一种基于疲劳裂纹及其由外加应力引起的宽度增大的标定曲线的替代系统。这使得仅插入一个缺陷就能描绘出缺陷宽度测量的校准曲线成为可能。

结果表明，原始疲劳裂纹的涡流信号幅度小于电火花加工裂纹。一旦在检查疲劳裂纹之前仔细考虑了这种衰减的校正，电火花加工切口也可以在校准过程中成功使用。此外，研究还表明，在一定宽度阈值范围内，缺陷的形态对信号没有影响，因为两种缺陷的宽度阈值的振幅增长速率大致相同。对于明显狭窄的裂纹，相对于宽度值的信号衰减率更强，这表明存在另一种相伴效应，即裂纹表面之间存在电接触。它改变了电流中断的结构，并导致信号中更强烈的变化，即使对于Inconel这样的低导电材料也是如此。作为一个推论，一个必不可少的步骤是确定作用于被检测材料上的张力，因为这可能会导致裂纹张开的相关变化，从而导致采集到的信号的变化。小探头的使用也提供了良好的灵敏度，因为缺陷存在引起的振幅变化比参考信号高。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢CNPq和CAPES的资金支持，感谢巴西石油公司为本研究的发展提供技术和资金支持。

参考文献

[1] Armour AM. Eddy current and electrical methods of crack detection. J Sci Instrum 1948;25(6):209–10.

[2] Watkins AD, Kunerth DC, McJunkin TR. Eddy current examination of spent nuclear fuel canister closure welds. In: Proceedings of International High Level Radioactive

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