機械設備中的許多關鍵部件都由金屬材料制成，部分設備由于經常運行在高溫、高壓、高速或高負載等惡劣條件下，在其表面或內部會產生腐蝕、裂紋、坑洞等缺陷，影響設備的正常使用、給人員的生命財產造成嚴重威脅。因此，對設備進行無損檢測，判定其質量狀態(tài)，對于保證設備安全運行和提高生產效率有著重要的現(xiàn)實意義。脈沖渦流熱成像無損檢測技術與常規(guī)無損檢測技術相比，具有非接觸測量、靈敏度高、反應速度快、信號處理速度快、檢測面積大、直觀和準確的特點，非常適合現(xiàn)場以及在線檢測。
目前，國內對于脈沖渦流熱成像無損檢測技術的研究尚處于起步階段，多側重于定性分析，研究了檢測機理以及材料缺陷附近的溫度分布規(guī)律。奧地利學者Beate等比較了鐵磁性和非鐵磁性材料感應加熱時裂紋附近溫度分布的差異。感應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。但是在實際檢測中，材料電磁特性、熱特性等參數千差萬別，導致不同材料感應加熱現(xiàn)象相差很大，需要進一步研究不同材料參數在感應加熱時裂紋附近的渦流場和溫度場分布規(guī)律及其產生的原因，便于對實際檢測中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進行合理解釋。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加熱時渦流場和溫度場分布規(guī)律，并結合實驗進行驗證，為下一步裂紋的定量檢測提供指導。
一、脈沖渦流熱成像檢測技術原理
線圈中通入交變電流時，根據電磁感應定律，在導線附近的導電試件中會有感應電流（渦流）產生，由于導體本身存在電阻，將在導體中產生焦耳熱。試件中的缺陷（如裂紋、腐蝕等）將會對感應電流的分布造成影響，進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，經過計算機對溫度圖像處理，即可實現(xiàn)缺陷的識別、分類、定量檢測等。
趨膚效應是影響感應加熱時導體內部渦流分布的一個重要現(xiàn)象，即產生的渦流集中在導體表面，渦流密度在深度方向上由表面至中心按指數規(guī)律衰減。當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率有關，其計算式為：
其中：δ—趨膚深度；
f—激勵電流頻率；
μ—磁導率；
σ—電導率。
由于鐵磁性材料相對磁導率較大，而非鐵磁性材料相對磁導率為1，在相同激勵條件下，二者的趨膚深度相差很大，導致感應加熱現(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行仿真分析，然后進行實驗驗證，研究鐵磁性材料和非鐵磁性材料的感應加熱規(guī)律。
二、感應加熱仿真研究
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。仿真所用材料參數見表1。經計算可得45#鋼和不銹鋼的趨膚深度分別為0.03mm、0.83mm。
圖1 仿真模型
