机械设备中的许多关键部件都由金属材料制成，部分设备由于经常运行在高温、高压、高速或高负载等恶劣条件下，在其表面或内部会产生腐蚀、裂纹、坑洞等缺陷，影响设备的正常使用、给人员的生命财产造成严重威胁。因此，对设备进行无损检测，判定其质量状态，对于保证设备安全运行和提高生产效率有着重要的现实意义。脉冲涡流热成像无损检测技术与常规无损检测技术相比，具有非接触测量、灵敏度高、反应速度快、信号处理速度快、检测面积大、直观和准确的特点，非常适合现场以及在线检测。
目前，国内对于脉冲涡流热成像无损检测技术的研究尚处于起步阶段，多侧重于定性分析，研究了检测机理以及材料缺陷附近的温度分布规律。奥地利学者Beate等比较了铁磁性和非铁磁性材料感应加热时裂纹附近温度分布的差异。感应加热过程涉及涡流场和温度场两个方面，受材料的物理特性影响明显。但是在实际检测中，材料电磁特性、热特性等参数千差万别，导致不同材料感应加热现象相差很大，需要进一步研究不同材料参数在感应加热时裂纹附近的涡流场和温度场分布规律及其产生的原因，便于对实际检测中出现的各种现象进行合理解释。因此，本文选取45#钢、不锈钢两种典型材料，比较了铁磁性材料和非铁磁性材料感应加热时涡流场和温度场分布规律，并结合实验进行验证，为下一步裂纹的定量检测提供指导。
一、脉冲涡流热成像检测技术原理
线圈中通入交变电流时，根据电磁感应定律，在导线附近的导电试件中会有感应电流（涡流）产生，由于导体本身存在电阻，将在导体中产生焦耳热。试件中的缺陷（如裂纹、腐蚀等）将会对感应电流的分布造成影响，进而引起试件表面温度的变化。利用红外热像仪将试件表面的温度分布记录下来，经过计算机对温度图像处理，即可实现缺陷的识别、分类、定量检测等。
趋肤效应是影响感应加热时导体内部涡流分布的一个重要现象，即产生的涡流集中在导体表面，涡流密度在深度方向上由表面至中心按指数规律衰减。当涡流密度降低为表面涡流密度的1/e时距离表面的深度称为趋肤深度，趋肤深度与激励电流频率和材料的电导率有关，其计算式为：
其中：δ—趋肤深度；
f—激励电流频率；
μ—磁导率；
σ—电导率。
由于铁磁性材料相对磁导率较大，而非铁磁性材料相对磁导率为1，在相同激励条件下，二者的趋肤深度相差很大，导致感应加热现象存在明显差异。因此，本文以45#钢和不锈钢两种典型材料进行仿真分析，然后进行实验验证，研究铁磁性材料和非铁磁性材料的感应加热规律。
二、感应加热仿真研究
1、仿真模型建立
利用有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysic3.5a建立如图1所示的二维模型，其中试件尺寸为100mm×40mm×10mm；矩形感应线圈位于试件中央，线圈截面3mm×3 mm，长21 mm，距离试件2 mm；缺陷为浅槽型（slot）裂纹，宽3mm，深5mm，位于试件上表面中心，与试件长度方向垂直；激励电流幅值为350A，频率为256kHz，加热时间为200ms，初始温度为293K。仿真所用材料参数见表1。经计算可得45#钢和不锈钢的趋肤深度分别为0.03mm、0.83mm。
图1 仿真模型
