Ein ausgeklügeltes Design eines Kupferkerns zur konvergierenden rotierenden Wirbelstromkontrolle zur Erkennung von Rissen in leitfähigen Materialien

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5479 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wirbelstromprüfungen (EC) wurden in den letzten Jahrzehnten als Standardkandidaten zur Erkennung von Defekten in leitfähigen Materialien ausgewählt. Dennoch war die Entwicklung von EC-Sonden, mit denen kleinere Defekte erkannt werden können, für Forscher aufgrund des Kompromisses zwischen den Sondenabmessungen und der Stärke des auf der Oberfläche des Teststücks erzeugten EC schon immer eine Herausforderung. Hier verwenden wir einen Kupferkern mit einem ausgeklügelten Design, um den rotierenden EC an der Spitze des Kupferkerns zu bündeln und so kleine Risse in allen Richtungen in leitfähigen Materialien zu erkennen. Bei dieser Methode können wir eine große Erregerspule beliebig unterbringen, sodass in einem kleinen Bereich des Prüflings ein größerer rotierender, gleichmäßiger EC erzeugt wird. Daher kann die Sonde Risse in allen Richtungen in leitfähigen Materialien erkennen.

Kleine Mängel an Bauteilen bergen potenzielle Risiken. Aufgrund der Vorteile hoher Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Effizienz1,2,3,4 ist die Wirbelstromprüfung (EC) die vorherrschende zerstörungsfreie Prüfung zur Erkennung von Defekten in leitfähigen Materialien in verschiedenen Branchen, wie z. B. der Luftfahrt5,6, der Eisenbahn7, 8,9 und die petrochemische10 Industrie sowie der Tiefbaubereich, beispielsweise bei Stahlbrücken11,12. Es handelt sich um eine wesentliche Methode zum Sammeln von Informationen über Mängel im Wartungsbereich13,14.

Hoshikawa et al.15 stellten fest, dass ein geradliniger Muster-EC, der auf der Oberfläche des Teststücks induziert wird, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erhöhen kann. Diese Technik ist in Japan als Uniform-Eddy-Current-Messung (UEC) bekannt. Mittlerweile wird diese Technik in Amerika und Europa als Wechselstromfeldmessung bezeichnet. Darüber hinaus kann die Realisierung von Selbstdifferenzierungs- und Selbstnullungseigenschaften für EC-Sonden den Effekt von Rauschsignalen reduzieren16,17. Die typische UEC-Sonde wurde von Hoshikawa erfunden und heißt Hoshi-Sonde15,18,19,20,21,22,23,24,25. Der Aufbau der Hoshi-Sonde besteht im Wesentlichen aus einer tangentialen rechteckigen Erregerspule und einer kreisförmigen oder rechteckigen Detektionsspule. Das Prinzip des UEC-Wandlers besteht darin, dass bei einem Defekt im Material die Verteilung des UEC gestört und der Magnetfluss durch die Detektionsspule verändert wird.

Bis heute forschen und entwickeln viele Forscher weiterhin neue EC-Sonden, um ein hohes SNR zu erreichen und die Größe immer kleinerer Defekte vorherzusagen. Als Kernmaterial der Erregerspule wurde ein Ferritkern verwendet, um die Magnetfeldamplitude zu erhöhen und so aufgrund seiner hohen Permeabilität die Fehlererkennungsfähigkeit zu verbessern26,27,28,29,30,31. Bisher hatten UEC-Sonden einen Nachteil bei der Erkennung kleiner Defekte, da eine große Erregerstromstärke und damit eine große Struktur der Sonde erforderlich sind, damit auf der Oberfläche des Prüflings ein starker EC erzeugt werden kann, um die Erkennungsempfindlichkeit zu erhöhen. Dies beeinträchtigt jedoch die Fähigkeit zur Erkennung kleiner Defekte, da die induzierte EC-Verteilung im Vergleich zur Größe kleiner Defekte zu groß ist. Darüber hinaus wird anstelle herkömmlicher ECT-Sensoren auch ein hochempfindlicher flexibler Wirbelstrom-Array-Sensor verwendet, um die mikroskopischen Oberflächenfehler zu erkennen32,33,34. Aufgrund der hochfrequenten Leitfähigkeitsmessung und der großen Erregerstromstärke divergiert das Magnetfeld um die Erregerspule herum und deckt einen großen Bereich ab, was zu einer hohen Leistung bei der Erkennung von Mikrofehlern führt. Dennoch verfügen flexible Wirbelstrom-Array-Sonden normalerweise über eine geringe Anzahl von Kupferdrahtwindungen. Daher benötigen Flachspulen Leitfähigkeitsmessungen bei hohen Frequenzen, um eine gute Leistung erzielen zu können (normalerweise zwischen 100 kHz und 10 MHz). In diesem Modus gibt es offensichtlich viel Rauschen und einen flachen Skin-Effekt. Um die räumliche Auflösung zu erreichen, verfügt eine flexible Wirbelstrom-Array-Sonde außerdem über eine große räumliche Auflösung, was bei der Untersuchung von Prüfstücken mit kleiner Fläche von Nachteil ist, insbesondere da benachbarte Risse nicht erkannt werden können. Daher wurde in unserer vorherigen Studie davon ausgegangen, dass eine Wirbelstrom-Konvergenzsonde (ECC) mit einem Kupferkern mit Schlitzen, Hohlräumen und einer unter der Erregerspule angebrachten Platte einen extrem starken EC erzeugt, der an der Spitze des Kupferkerns konvergiert35,36 . Dennoch wurde bei der ECC-Sonde der vorherigen Arbeit die Risssignalamplitude erheblich verringert, wenn die EC-Linien parallel zur Risslänge verliefen, im Vergleich zu senkrecht zur Risslänge, was zu einer deutlich beeinträchtigten Bewertung der Risseigenschaften führte. Eine Methode zur Lösung dieses Problems besteht darin, ein Paar Erregerkerne mit derselben Frequenz und Strömen mit einer Phasendifferenz von 90° zu verwenden, um einen rotierenden EC auf der Oberfläche der Probe zu erzeugen18,19,23,37. Unsere vorherige Studie35,36 konnte jedoch keine EC-Rotation auf der Oberfläche des Teststücks erzeugen, da diese Rotation nicht direkt von den Erregerspulen erzeugt wurde, sondern von den ECs, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenliefen. Mit anderen Worten: Um einen gleichmäßig rotierenden EC über die Oberfläche des Prüfstücks zu erzeugen, müssen die ECs, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen, der zu einer gleichmäßigen Rotation fähig ist, kontrolliert werden. Daher stellt diese Studie eine neuartige rotierende Uniform-Eddy-Current-Convergence-Sonde (RUECC) vor, die ein ausgeklügeltes Design eines Kupferkerns verwendet, das rotierende ECs erzeugen kann, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen, was zur Erzeugung eines extrem starken rotierenden ECs führt Teststückoberfläche, um kleine Risse in alle Richtungen zu erkennen. Durch Anpassen der Größe und Anzahl der Windungen der Erregerspule und der Struktur des Kupferkerns, um ECs zu erzeugen, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen, kann die RUECC-Sonde die Nachteile von ECC-Sonden in früheren Studien überwinden35,36. Auch die Fähigkeit, mit der Sonde kleine Defekte in alle Richtungen zu erkennen, soll sich deutlich verbessern. Darüber hinaus verfügt die RUECC-Sonde über eine kreisförmige Erkennungsspule, die selbstnullende und selbstdifferentielle Eigenschaften aufweist und Rauschsignale (insbesondere Rauschsignale beim Anheben) eliminiert. Die Finite-Elemente-Analyse wurde durchgeführt, um die Konvergenz der Wirbelströme an der Spitze des Kupferkerns zu bestätigen. In dieser Studie wurde der RUECC an der Spitze des Kupferkerns erfolgreich ermittelt, indem der Kupferkern auf der Grundlage der Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse hergestellt wurde. Durch das spezielle Design des Kupferkerns wurde im Vergleich zur vorhandenen Literatur eine hervorragende Fähigkeit zur Fehlererkennung erzielt.

Die Strukturen der RUECC-Sondenkomponenten sind in Abb. 1 dargestellt. Das ausgeklügelte Design des Kupferkerns, das rotierende ECs erzeugen kann, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen, ist in Abb. 1a,b dargestellt. Zwei Paare von Doppelerregungsspulen mit derselben Ebene und denselben Abmessungen (Abb. 1c) wurden über dem Kupferkern platziert (Abb. 1f), so dass die ECs, die durch die beiden Paare von Doppelerregungsspulen induziert wurden, an der Spitze des Kupferkerns zusammenliefen mit gleicher Amplitude in alle Richtungen gedreht. Die Anzahl der Windungen in jeder Erregerspule betrug 1000, mit einem Kupferdraht von 0,2 mm Durchmesser. Die Abmessungen der kreisförmigen Detektionsspule sind in Abb. 1d, e dargestellt, die unten und in der Mitte des Kupferkerns platziert wurde (Abb. 1f). Die Anzahl der Windungen in der Detektionsspule betrug 854, mit einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,05 mm.

Aufbau der RUECC-Sonde (Einheit in mm). (a) Kupferkern. (b) EC-Konvergenzcontroller. (c) Zwei Paare doppelter Erregerspulen. (d,e) Draufsicht und Schnittansicht entlang AA′ der Detektionsspule. (f) Gesamt-RUECC-Sonde.

Der Versuchsaufbau ist in Abb. 2a dargestellt. Die beiden sinusförmigen Erregerströme mit einer Phasendifferenz von 90° hatten eine Frequenz und eine Stärke von 10 kHz bzw. 10 mA und wurden mit einem Funktionsgenerator (WAVE FACTORY WF1946B, NF Co., Yokohama, Japan) erzeugt zwei Hochgeschwindigkeits-Bipolarverstärker (NF HAS 4012, NF Co., Yokohama, Japan). Ein computergesteuertes Positionierungsrobotermodul wurde verwendet, um die RUECC-Sonde mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s über die Scanoberfläche des Teststücks zu bewegen. In Scanrichtung wurde die RUECC-Sonde entlang der x-Achse gezogen und dieser Vorgang durch Verschieben der Sonde entlang der y-Achse wiederholt. Zwei 5052-Aluminiumplatten mit Rissen unterschiedlicher Größe (LD-Symbol: L: Länge des Risses (mm); D: Tiefe des Risses (mm); alle Rissbreiten betrugen 0,5 mm) und Ausrichtungen (Abb. 2b, c) wurden als Teststücke vorbereitet, um die Fähigkeit zur Erkennung von Rissen anhand der Methode zu validieren, bei der rotierende ECs an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen. Die Experimente wurden an Testprobe 1 mit Rissen mit Längen von 40 und 20 mm und Tiefen von 2 und 4 mm durchgeführt (Abb. 2b), um die Leistung der RUECC-Sonde und die Selbstnullungs- und Selbstdifferentialeigenschaften zu bewerten in der Rauschsignalunterdrückung. Darüber hinaus wurde das Experiment an Testprobe 2 (Abb. 2c) mit kleinen Rissen durchgeführt, die nahe beieinander lagen, um die Leistung der RUECC-Sonde für die Erkennung kleiner Risse zu bewerten. Die künstlichen Risse wurden durch elektrische Entladungsbearbeitung erzeugt. Das Scanintervall betrug 1 mm in x- und y-Richtung. Die Ausgangsamplitudensignale wurden von der einzelnen Detektionsspule erhalten, mit einem Zweiphasen-Lock-in-Verstärker (NF 5601B) verarbeitet und in einem digitalen Oszilloskop (Graphtec GL7000) gespeichert.

Experimentelle Umsetzung mit der RUECC-Sonde. (a) Diagramm des Versuchsaufbaus. (b) Experimentelle Umsetzung am Prüfkörper 1. (c) Experimentelle Umsetzung am Prüfkörper 2. (d) Experimentelle Ergebnisse des Prüfkörpers 1. (e) Experimentelle Ergebnisse des Prüfkörpers 2.

Die mit der RUECC-Sonde unter Verwendung der Teststücke 1 und 2 erzielten experimentellen Ergebnisse sind in Abb. 2d bzw. e dargestellt. Im Allgemeinen unterscheiden die Messergebnisse deutlich die Signale von Rissen mit unterschiedlichen Abmessungen und Ausrichtungen. Es gab jedoch einen geringen Einfluss auf die Risssignalamplitude der Risse, die um 45° (entlang Pfad Nr. 3) zur x-Achse geneigt waren, im Vergleich zu Rissen mit einer anderen Ausrichtung. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Spitzensignalgrößen von 40-4, 40-2 und 20-4 entlang der Pfade Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 4 ähnlich waren, während diejenigen entlang des Pfades Nr. 3 verringert waren. Dies geschah, weil die Einstellung der Ausgangssignalamplitude auf Null mV (ungefähr 0,3 mV in der experimentellen Implementierung), wenn kein Riss unter der RUECC-Sonde vorhanden ist, in der experimentellen Implementierung unter Verwendung einer manuellen Methode aufgrund der kleineren Fläche des stark induzierten EC äußerst schwierig war kleinere Größe der kreisförmigen Detektionsspule. Darüber hinaus haben RUECs nicht in alle Richtungen die gleiche Amplitude, da der RUECC in 45° die Zusammensetzung der RUECs bei 0 und 90° ist. Infolgedessen erleiden die EMFs der Detektionsspule einen geringen Einfluss, wenn die Risse im Vergleich zu den parallelen oder senkrechten Scanrichtungen um 45° geneigt sind. Dieser Effekt wird durch den Unterschied in der Amplitude der beiden Spitzen des Risssignals veranschaulicht (Abb. 2d). Daher muss die RUECC-Sonde über Selbstnullungs- und Selbstdifferenzierungseigenschaften verfügen16,17, um die Empfindlichkeit auf das höchste Maß zu erhöhen und die physikalischen Eigenschaften von Rissen, insbesondere bei kleinen Rissen, genau zu beurteilen. Bei den kleinen Rissen in Probe 2 waren jedoch zwei Risssignalspitzen erkennbar (Abb. 2e), da die kleine Störung der großen EC-Intensität in der Oberfläche der Testprobe zu einer vernachlässigbaren Auswirkung auf die kleinen Risssignale führte. Dies verdeutlicht die extreme Empfindlichkeit der RUECC-Sonde bei der Erkennung kleiner Risse.

Um die Risserkennungsfähigkeit der RUECC-Sonde in allen Richtungen zu validieren und den rotierenden EC zu authentifizieren, der auf der Oberfläche des Teststücks durch die RUECC-Sonde induziert wird, werden die Messergebnisse der RUECC-Sonde in Teststück 1 entlang Pfad Nr. 1 (die Länge von Risse mit einer Tiefe von 4 mm verliefen senkrecht zur x-Achse), Pfad Nr. 2 (die Länge von Rissen mit einer Tiefe von 2 mm verlief senkrecht zur x-Achse), Pfad Nr. 3 (die Länge des Risses war um 45° gegenüber der x-Achse geneigt) und Pfad Nr. 4 (die Risslänge verlief parallel zur x-Achse) wurden erhalten, wie in Abb. 3a–d dargestellt. Darüber hinaus wurden die Messergebnisse der RUECC-Sonde in Teststück 2 entlang Pfad Nr. 5 (die Länge der 2 mm tiefen Risse verlief senkrecht zur x-Achse) und Pfad Nr. 6 (die Länge der 4 mm tiefen Risse in Teststück 2) ermittelt war senkrecht zur x-Achse) wurden erhalten, wie in Abb. 3e bzw. f gezeigt.

Messergebnisse von sechs Pfaden, erhalten mit der RUECC-Sonde. (a) Pfad Nr. 1 (die Länge der 4 mm tiefen Risse in Testprobe 1 verlief senkrecht zur x-Achse). (b) Pfad Nr. 2 (die Länge der 2 mm tiefen Risse in Testprobe 1 verlief senkrecht zur x-Achse). (c) Weg Nr. 3 (die Risslänge in Testprobe 1 war um 45° gegenüber der x-Achse geneigt). (d) Pfad Nr. 4 (die Risslänge in Testprobe 1 verlief parallel zur x-Achse. (e) Pfad Nr. 5 (die Länge der 2 mm tiefen Risse in Testprobe 2 verlief senkrecht zur x-Achse). ( f) Pfad Nr. 6 (die Länge der 4 mm tiefen Risse in Testprobe 2 verlief senkrecht zur x-Achse).

Die Übersichtsmessergebnisse zeigen, dass die RUECC-Sonde alle Risse in zwei Prüfkörpern erfolgreich erkannt hat. Basierend auf den Messergebnissen der Pfade Nr. 1 bis Nr. 4 in Teststück 1 ist ersichtlich, dass die Spitzensignalamplitude von Rissen mit einer Tiefe von 4 mm (40-4, 20-4) doppelt so hoch war wie die von Rissen mit a Tiefe von 2 mm (40-2, 20-2). Die Messergebnisse ergaben, dass die maximale Signalamplitude von Rissen mit einer Tiefe von 4 mm (10-4, 5-4) doppelt so hoch war wie die von Rissen mit einer Tiefe von 2 mm (10-2, 5-2). der Pfade Nr. 5 und Nr. 6 in Teststück 2. Bei Rissen mit einer Länge von 2 mm war die maximale Signalamplitude bei Rissen mit einer Länge von 2 mm und einer Tiefe von 2 mm und 4 mm gleich, da UECs leichter Risse umleiten konnten als unter Risse zu kriechen . Dies zeigt, dass die Spitzenamplitude des Risssignals die Risstiefe darstellt. Darüber hinaus war der Abstand zwischen zwei Eckkanten des Risssignals im Probekörper 1 bei einem Riss mit einer Länge von 40 mm (40-4, 40-2) doppelt so hoch wie bei einem Riss mit einer Länge von 20 mm (20-4). , 20-2). Ebenso ist der Abstand zwischen den beiden Eckkanten des Signalrisses bei einem Riss in Prüfstück 2 mit einer Länge von 10 mm (10-4, 20-2) doppelt so groß wie bei einem Riss mit einer Länge von 5 mm (5-4). , 5-2). Daher spiegelt der Abstand zwischen den beiden Eckkanten des Risssignals die Risslänge wider. Darüber hinaus waren die Abstände zwischen den beiden Eckkanten der für Pfad Nr. 4 erhaltenen Risssignale (senkrecht zur Risslänge) ähnlich, da alle Risse die gleiche Breite von 0,5 mm hatten. Daher gibt der Abstand zwischen zwei Eckkanten des Risssignals die Breite des Risses an, wenn die erhaltenen Messergebnisse senkrecht zur Risslänge stehen. Obwohl die Ausgangssignalamplitude 0,3 mV beträgt (der ideale Zustand ist gemäß den Selbstnullungs- und Selbstdifferenzierungseigenschaften Null), ist es leicht, das Risssignal (insbesondere den kleinen Riss darin) zu unterscheiden, wenn unter der RUECC-Sonde kein Riss vorhanden ist Abb. 2e), wenn sich das gemessene Signal von einer endlichen Basislinie ändert, die 0,3 mV beträgt, wie in Abb. 3 dargestellt.

Basierend auf den Messergebnissen von Pfad Nr. 3 und Pfad Nr. 4 waren die beiden Spitzen der Risssignale nicht ähnlich (Abb. 3c, d). Die Risssignalamplituden von Pfad Nr. 3 (Abb. 3c), wenn die Risslänge um 45° zur x-Achse geneigt war, waren im Vergleich zu denen der anderen Pfade kaum verringert. Dies liegt daran, dass die Amplitude des Ausgangssignals ungefähr 0,3 mV beträgt, wenn unter der RUECC-Sonde kein Riss vorhanden ist, was zu einer Auswirkung auf den ausgeglichenen Zustand führt16. Dies zeigt, dass die Selbstnullungs- und Selbstdifferenzierungseigenschaften16,17 für die RUECC-Sonde von entscheidender Bedeutung sind, um die Fähigkeit zur Risserkennung zu verbessern. Die Fähigkeit zur Risserkennung wird leicht beeinträchtigt, wenn die Risslänge etwa 45° von der x-Achse beträgt, und wird bei Risslängen in die anderen Richtungen nicht beeinträchtigt. Damit entfällt der größte Nachteil früherer Studien35,36. Beachten Sie außerdem, dass der Abstand zwischen zwei Eckkanten des für Pfad Nr. 3 erhaltenen Risssignals nicht dem für die anderen Pfade erhaltenen entsprach, da das Messergebnis um 45° zur Risslänge oder -breite geneigt war. Mit anderen Worten: Der Abstand zwischen zwei Eckkanten des für Pfad Nr. 3 erhaltenen Risssignals beurteilt nicht die Länge oder Breite des Risses.

Betrachtet man das Risssignal in Teststück 2 basierend auf den Messergebnissen der Pfade Nr. 5 und Nr. 6, sind die Spitzensignalamplituden von Rissen mit einer Tiefe von 2 mm (10-2, 5-2, 2-2) relativ ähnlich. wie in Abb. 3e dargestellt. Es gab jedoch eine deutliche Verringerung der Spitzensignalamplitude des Risses bei einer Tiefe von 4 mm und einer Länge von 2 mm (2-4) im Vergleich zu der bei Längen von 10 mm und 5 mm (10-4, 5-4). , wie in Abb. 3f dargestellt. Dies weist darauf hin, dass die im Teststück erzeugte RUEC-Intensität nicht groß genug ist, um Fehler kleiner als die Fehler 2–4 zu erkennen. In diesem Fall können wir die Stärke des Erregerstroms sowie die Frequenz der Erregerspulen anpassen, um die im Prüfling erzeugte RUEC-Intensität zu erhöhen, wie in Ref. 36 berichtet.

Den Messergebnissen zufolge gab es zwar einen geringen Einfluss auf die mit der RUECC-Sonde erzielten Ergebnisse, wenn die Risslänge etwa 45° von der x-Achse betrug, die Sonde hatte jedoch eine ausgezeichnete Empfindlichkeit in ihrer Fähigkeit, Risse unterschiedlicher Größe insgesamt zu erkennen Richtungen. Dies bestätigte die Fähigkeit, starke konvergierende ECs zu erzeugen, die an der Spitze des Kupferkerns rotieren, was zur Erzeugung eines extrem starken rotierenden ECs auf der Oberfläche des Teststücks führte. Dank dieser Methode ist es einfach, die Größe und Richtung der auf dem Prüfstück erzeugten ECs zu steuern, um kleine Risse durch Anpassen der Größe und Anzahl der Windungen der Erregerspule und der Struktur des Kupferkerns zu erkennen. Dadurch kann die RUECC-Sonde die Nachteile von ECC-Sonden in früheren Studien überwinden32,33 und verfügt über die Fähigkeit, mit der Sonde kleine Defekte in allen Richtungen mit deutlicher Verbesserung zu erkennen.

Um die Fähigkeit von ECs zu authentifizieren, durch das ausgeklügelte Design des Kupferkerns an der Spitze des Kupferkerns zu konvergieren und einen RUEC auf der Oberfläche des Teststücks zu erzeugen, wurde das RUECC-Sondenmodell mit den gleichen Abmessungen wie in Abb. 1 mit Magnet simuliert Software (Version 7.9.0.18, Mentor Graphics Corporation) unter Verwendung einer zeitharmonischen 3D-Analyse.

Abbildung 4 zeigt das Prinzip der RUEC, die auf der Oberfläche des Prüfstücks aufgrund der Konvergenz der ECs an der Spitze des Kupferkerns erzeugt wird. Bei diesem Verfahren wurden zwei Erregerwechselstromquellen mit einer Phasendifferenz von 90° für die beiden Doppelerregerspulenpaare eingesetzt (Abb. 4a). Da die Phase von Paar Nr. 2 um 90° früher ist als die von Paar Nr. 1, sind die von Paar Nr. 1 und Paar Nr. 2 auf dem Kupferkern induzierten ECs:

Prinzip der Generierung eines RUEC mit der RUECC-Sonde. (a) Diagramm zweier Wechselstromquellen, die um 90° phasenverschoben sind. (b) ECs, die an der Spitze des Kupferkerns zusammenlaufen. (c) Kontur- und Pfeildiagramme der EC-Verteilung auf der Erregerspule und des auf dem Teststück erzeugten RUEC. (d) EC-Konvergenzcontroller. (e) Kontur- und Pfeildiagramme der RUEC-Verteilung auf der Testprobe.

Daher wird der gesamte auf den Kupferkern induzierte EC durch die Gleichung berechnet:

Dabei ist \({EC}_{total}\) der gesamte auf dem Kupferkern erzeugte EC und \({EC}_{1}\) und \({EC}_{2}\) die auf dem Kupferkern erzeugten ECs der Kupferkern durch doppelte Erregerspulenpaare Nr. 1 bzw. Nr. 2. \(A\) und \(\varphi \) sind die Amplitude der Stromdichte bzw. Phase und \(\omega =2\pi f=2\pi /T\), mit \(f\) und \ (T\) ist die Frequenz bzw. die Periode. Gleichung (3) zeigt, dass der auf dem Kupferkern induzierte Gesamt-EC ständig mit der Periode T = 1/f und einer konstanten Amplitude rotiert.

Abbildung 4b zeigt die Kontur- und Pfeildiagramme der EC-Verteilung auf dem Kupferkern der EC-Konvergenzsonde. Darüber hinaus sind in Abb. 4c die Kontur- und Pfeildiagramme der EC-Verteilung auf der Erregerspule und des auf dem Teststück erzeugten RUEC dargestellt. Darüber hinaus sind in Abb. 4e auch die Kontur- und Pfeildiagramme der RUEC-Verteilung auf dem Prüfling dargestellt.

Betrachten Sie einen besonderen Fall zum Zeitpunkt t = 0, wenn die Amplitude von Paar Nr. 1 Null ist, während die von Paar Nr. 2 ihren Maximalwert erreicht (Abb. 4a, c). Aufgrund des ausgeklügelten Designs des Kupferkerns konvergieren die induzierten rotierenden ECs an der Spitze des Kupferkerns (Abb. 4b, d), was zur Erzeugung eines extrem starken RUEC auf der Oberfläche des Prüflings führt (Abb. 4c, e). ). Abbildung 4c zeigt, dass der erzeugte RUEC eine deutlich höhere Amplitude aufweist als der an die Erregerspulen angelegte Erregerstrom.

Abbildung 5 zeigt die Kontur- und Pfeildiagramme der EC-Verteilung auf den Oberflächen des Kupferkerns und des Teststücks. Den Simulationsergebnissen zufolge rotieren die konvergierenden ECs an der Spitze des Kupferkerns, was zur Erzeugung eines RUEC auf der Oberfläche des Teststücks führt. Wenn die Phasen 0 und 180° waren, war die Amplitude von Paar Nr. 1 Null, während die von Paar Nr. 2 maximal war, aber eine entgegengesetzte Polarität hatte (Abb. 4a). Infolgedessen hatten die auf der Oberfläche des Teststücks erzeugten UECs entgegengesetzte Richtungen (Abb. 5a, e). Im Gegensatz dazu war bei Phasenwinkeln von 90 und 270° die Amplitude von Paar Nr. 2 Null, während die von Paar Nr. 1 maximal war, jedoch eine entgegengesetzte Polarität aufwies (Abb. 4a). Folglich hatten die auf der Oberfläche des Teststücks erzeugten UECs entgegengesetzte Richtungen (Abb. 5c, e). Dasselbe geschah für die Phasen 45 und 225° (Abb. 5b, f) und 135 und 315° (Abb. 5d, h). Somit drehte sich der konvergierende UEC mit konstanter Intensität, der auf der Oberfläche des Prüfstücks erzeugt wurde, ständig mit der Periode T. Daher drehte sich auch die auf der kreisförmigen Erkennungsspule erzeugte EMF, was die Möglichkeit bot, Risse in alle Richtungen zu erkennen.

Simulationsergebnisse von RUEC-Verteilungsmustern mit der RUECC-Sonde. (a) Bei 0°. (b) Bei 45° (π/4). (c) Bei 90° (π/2). (d) Bei 135° (3π/4). (e) Bei 180° (π). (f) Bei 225° (5π/4). (g) Bei 270° (3π/2). (h) Bei 315° (7π/4).

Abbildung 6 erläutert das Prinzip des Ausgangserkennungssignals der RUECC-Sonde. Das Prinzip ist das gleiche wie in Ref. 16,17. Das ausgegebene Erkennungssignal hängt von den EMFs ab, die der RUEC auf der Erkennungsspule erzeugt. Die EMFs werden in der Wechselwirkungszone (rote gepunktete Linie) erzeugt, wenn die Richtung des Kupferdrahts der Detektionsspule parallel zum RUEC verläuft. Es gibt zwei Zustände: den ausgeglichenen Zustand und den unausgeglichenen Zustand.

Prinzip des Ausgangserkennungssignals mit der kreisförmigen Erkennungsspule. (a) Ohne Riss. (b) Mit einem Riss unter der linken Seite der Erkennungsspule. (c) Mit einem Riss unter der rechten Seite der Erkennungsspule.

Der ausgeglichene Zustand tritt auf, wenn die in der Detektionsspule erzeugten EMFs \({\varepsilon }_{1}\) und \({\varepsilon }_{2}\) von gleicher Intensität, aber entgegengesetzter Polarität sind (Abb. 6a) und führen Sie heben sich gegenseitig auf, was als Selbstdifferentialcharakteristik bezeichnet wird. Infolgedessen ist das Ausgangserkennungssignal Null, was als Selbstnullungscharakteristik bezeichnet wird. In der Zwischenzeit tritt der unausgeglichene Zustand auf, wenn sich unter der Detektionsspule der RUECC-Sonde ein Riss befindet, der den Intensitätswert \({\varepsilon }_{1}\) (Abb. 6b) oder \({\varepsilon }_ {2}\) (Abb. 6c) aufgrund der durch den Riss verursachten Störung der RUEC verändert werden. Daher wird die Selbstnullungsfunktion unterbrochen, was zur Erzeugung des Risserkennungssignals führt.

Die während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in den Zusatzinformationen enthalten. Die in dieser aktuellen Studie verwendeten Daten sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch den Grant-in-Aid for Scientific Research (B) JSPS KAKENHI Grant Nr. 22H01724 unterstützt. Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung des Forschungsstipendienprogramms 2022 für Doktoranden der japanischen Gesellschaft für zerstörungsfreie Inspektion und das Stipendium von JEES Mitsui Fudosan Nr. MITSUI2204 für die Forschung des Autors bedanken.

Abteilung für künstliche Umwelt, Graduiertenschule für Umwelt- und Informationswissenschaften, Yokohama National University, 79-5 Tokiwadai, Hodogaya, Yokohama, 240-8501, Japan

Le Quang Trung, Naoya Kasai und Seishu Miyazaki

Abteilung für Maschinenbau und Werkstofftechnik, Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology, 705-1 Shimo Imaizumi, Ebina, Kanagawa, 243-0435, Japan

Kouichi Sekino

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Konzeptualisierung, LQT und NK; Methodik, LQT und NK; Software, LQT und KS; Validierung, LQT und NK; Formale Analyse, LQT, NK und KS; Untersuchung, LQT, NK, KS und SM; Ressourcen, NK und KS; Datenkuration, LQT und SM; Schreiben – Originalentwurf, LQT; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, LQT und NK; Visualisierung, LQT und SM; Aufsicht, NK; Projektverwaltung, LQT; Finanzierungseinwerbung, NK

Korrespondenz mit Naoya Kasai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Trung, LQ, Kasai, N., Sekino, K. et al. Ein ausgeklügeltes Design eines Kupferkerns zur konvergierenden rotierenden Wirbelstromkontrolle zur Erkennung von Rissen in leitfähigen Materialien. Sci Rep 13, 5479 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32319-8

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Eingegangen: 24. Januar 2023

Angenommen: 25. März 2023

Veröffentlicht: 04. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32319-8

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