超聲導(dǎo)波在線材檢測(cè)中的技術(shù)研究

1、超聲導(dǎo)波在線材檢測(cè)中的技術(shù)研究童凱 張建衛(wèi) 劉濤 張偉代（ 鋼鐵研究總院測(cè)試所 北京 100081 ）摘要：本文介紹了應(yīng)用電磁超聲（EMA）技術(shù)在線材中激發(fā)導(dǎo)波的原理和方法，以及適于高速線材在線檢測(cè)的試驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè) 導(dǎo)波 電磁超聲換能器Research of Ultrasonic Guided Waves for Testing of WiresTONG Kai ZHANG Janwei LIU Tao ZHANG Weidai( Division of Analysis and Testing, CISRI, Beijing, 10081 )Abstract: This

2、 paper introduces the principle and method of exciting ultrasonic guided waves in wires with EMAT technique, and the on-line testing equipment for high-speed wires and its experimental results.Keywords: ultrasonic testing, guided wave, EMAT ( electromagnetic acoustic transducer )線材是工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件制造的主要用材，

3、其品種規(guī)格多、應(yīng)用廣泛，約占我國(guó)鋼產(chǎn)量的10%。由于現(xiàn)代制造業(yè)和建筑業(yè)對(duì)線材的質(zhì)量要求愈來愈高，尤其是鐵路橋梁、大跨度斜拉橋、核工業(yè)建筑、大型建筑結(jié)構(gòu)所用的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼絞線以及大量用于汽車工業(yè)、機(jī)械行業(yè)的各類專用鋼絲的原材料等。目前對(duì)于優(yōu)質(zhì)線材我國(guó)仍需大量進(jìn)口，其原因主要在于質(zhì)量可靠性方面的差距，而有效的無損檢測(cè)恰是解決此問題的重要手段之一。因此，對(duì)于重要應(yīng)用目的的高速線材進(jìn)行無損檢測(cè)（NDT）是非常必要的。另外，以在線檢測(cè)的方式，即在高溫狀態(tài)下的軋制過程中，及時(shí)獲取線材的質(zhì)量信息，可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷、并及時(shí)合理調(diào)整和改善軋鋼工藝，對(duì)確保線材產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約能源具有重要的價(jià)

4、值。目前線材熱態(tài)在線NDT己是國(guó)際上非常關(guān)注并致力于研究的重要的前沿技術(shù)課題，也是我國(guó)急需發(fā)展的檢測(cè)技術(shù)之一。由于超聲導(dǎo)波相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)，具有傳播距離遠(yuǎn)和速度快的特點(diǎn)，因此，在線材的無損檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景。1. 導(dǎo)波概述導(dǎo)波是由于聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。導(dǎo)波主要分為圓柱體中的導(dǎo)波以及板中的SH波、SV波、蘭姆波和漏蘭姆波1等。根據(jù)Silk和Bainton的理論2，圓柱體中的導(dǎo)波分為：軸對(duì)稱縱向模式L（0，m），（其中m=1,2,3,）；軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)模式T（0，m），（其中m=1,2,3, ）；非軸對(duì)稱彎曲模式F（n，

5、m），（n，m=1,2,3,）。各模式中整數(shù)m是計(jì)數(shù)變量，反映該模式在工件徑向上的振動(dòng)形態(tài)；整數(shù)n反映該模式繞工件螺旋式傳播形態(tài)。其中，L（0，m）和T（0，m）模式是F（n，m）模式在n=0時(shí)的特例。導(dǎo)波的檢測(cè)靈敏度與被檢測(cè)物體的尺寸有關(guān)（直徑、板厚等），這一點(diǎn)有別于體波（縱波、橫波）的檢測(cè)靈敏度僅與檢測(cè)波的波長(zhǎng)有關(guān)。導(dǎo)波在聲波傳播途徑上能夠有效檢出的缺陷的最小橫截面積T=S/1000（S為被檢工件的橫截面積）。2. 導(dǎo)波的激發(fā)2.1 壓電超聲與電磁超聲（EMA）的比較圖1 兩種檢測(cè)方式的比較通常通過調(diào)整壓電探頭的頻率和入射角，可在工件（如板材、棒材、管材）中激發(fā)出導(dǎo)波，但其激發(fā)的波模相對(duì)較

6、雜，探頭的調(diào)整也很困難，再加上其聲波的傳播需要借助藕合介質(zhì)，因此，壓電超聲并不適于高速、高溫的在線檢測(cè)。在目前諸多的NDT方法中，電磁超聲（EMA）法以其非接觸式的獨(dú)特工作方式更適用于各類線材的NDT的高速、高溫的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件。電磁超聲換能器（EMAT）包括一個(gè)磁鐵和一個(gè)高頻線圈，依靠在被檢工件表面的電、磁相互作用，可在工件內(nèi)激發(fā)出超聲波。由于被檢工件是其換能器的一部分，因此，其聲波的傳播無需借助耦合介質(zhì)。圖1是兩種檢測(cè)方式的比較。2.2 電磁超聲（EMA）的激發(fā)機(jī)理利用洛侖茲（Lorentz）力和磁致伸縮（Magnetostriction）力，EMAT與被檢工件表面的相互作用激發(fā)出超聲波。

7、圖2揭示了洛侖茲力的工作機(jī)理。洛侖茲力是指帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場(chǎng)中所受的電動(dòng)力。當(dāng)高頻電流加到靠近金屬表面的線圈上時(shí)，在金屬表面的趨膚層內(nèi)將會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)頻率的渦流來，此渦流方向與線圈中電流方向相反。若同時(shí)在金屬表面上加一個(gè)磁場(chǎng)，那么渦流在磁場(chǎng)作用下就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與渦流頻率相同的力，即洛侖茲力。它在工件內(nèi)傳播就形成了聲波。圖2 洛侖茲力 圖3 磁致伸縮力圖3揭示了磁致伸縮的工作機(jī)理。磁致伸縮是指磁疇在交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生壁移和旋轉(zhuǎn)。眾所周知，鐵磁性材料是由許多自發(fā)磁化的磁疇組成，在無外磁化作用時(shí)，這些磁疇排列無序，各磁疇磁性相互抵消，因而宏觀上表現(xiàn)為磁中性。但當(dāng)外磁場(chǎng)作用后，磁疇產(chǎn)生壁移和旋轉(zhuǎn)，最后順外磁

8、場(chǎng)方向整齊排列起來。在這些磁疇運(yùn)動(dòng)中，會(huì)伴隨著宏觀形變，所以表現(xiàn)出磁致伸縮效應(yīng)。此效應(yīng)在工件內(nèi)傳播就形成了聲波。由于上述兩種效應(yīng)都具有可逆性，因而可利用檢測(cè)線圈將信號(hào)檢測(cè)出來，加以分析判定，從而檢測(cè)出缺陷的大小、位置等。2.3 EMAT在線材中激發(fā)超聲導(dǎo)波 在常溫狀態(tài)下，碳鋼線材都具有較強(qiáng)的鐵磁特性，因此，在此種情況下用電磁超聲（EMA）的激發(fā)超聲導(dǎo)波我們以磁致伸縮效應(yīng)為主。圖4提出了一種以磁致伸縮效應(yīng)在線材中激發(fā)超聲導(dǎo)波的模式。在被檢線材上施加一軸向的穩(wěn)恒磁場(chǎng)B。，沿線材圓周方向繞制的高頻線圈在線材表面產(chǎn)生沿軸向的交變擾動(dòng)磁場(chǎng)BL，由于線圈是沿線材軸向上呈周期性分布的，由此磁致伸縮效應(yīng)FM在

9、被檢線材上產(chǎn)生的導(dǎo)波將沿線材軸向傳播，此導(dǎo)波模式為軸對(duì)稱縱向模式L(0,m)。 圖4 鐵磁性材料 圖5非鐵磁性材料 由于碳鋼線材在高溫（居里溫度以上）狀態(tài)下或非鐵磁性線材都不具有鐵磁特性，因此，在此種情況下我們將以洛侖茲力為主在被檢線材上激發(fā)超聲導(dǎo)波。圖5給出了一種以洛侖茲力在線材中激發(fā)超聲導(dǎo)波的模式。在被檢線材上施加一徑向的穩(wěn)恒磁場(chǎng)B。，高頻線圈在線材表面感應(yīng)的渦流的軸向部分J與B。的相互作用產(chǎn)生洛侖茲力FL，由于線圈也是沿線材軸向上呈周期性分布的，由此洛侖茲力FL在被檢線材上產(chǎn)生的導(dǎo)波將沿線材軸向傳播，此導(dǎo)波模式為軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)模式T（0，m）。3. 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)3.1電磁超聲探傷儀統(tǒng)計(jì)分析

10、認(rèn)為高速線材中主要存在的缺陷類型有：裂紋、折疊、夾渣、氣孔等，我們進(jìn)行了有針對(duì)性的EMA發(fā)射和接收系統(tǒng)、磁化單元以及EMAT傳感器的設(shè)計(jì)。在優(yōu)化磁化場(chǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以較高的集成化程度形成能激發(fā)棒波模式的EMA發(fā)射和接收系統(tǒng)，其工作原理如圖6所示。根據(jù)這一工作原理研制的渦流探傷儀如圖7所示。圖6EMA線材探傷儀框圖1.電磁鐵 2.鋼棒 3.探頭及跟蹤裝置圖7 EMA線材探傷儀a.發(fā)射 b.同步 c.脈沖串 d.顯示 e.前放 f.主放 g.視放 h.相關(guān) i.報(bào)警3.2常溫狀態(tài)下碳鋼線材的試驗(yàn)裝置在常溫狀態(tài)下碳鋼線材的檢測(cè)試驗(yàn)裝置見圖8所示。它采用軸向磁化方式，以磁致伸縮力產(chǎn)生沿線材軸向傳播的導(dǎo)

11、波。其工作原理在本文2.3中已做闡述。圖9是非鐵磁性線材的檢測(cè)試驗(yàn)裝置。此裝置采用徑向磁化方式，以洛侖茲力產(chǎn)生沿線材軸向傳播的導(dǎo)波。其工作原理在本文2.3中已做闡述。圖8 鐵磁性線材檢測(cè)裝置圖9非鐵磁性線材檢測(cè)裝置4. 實(shí)驗(yàn)及初步結(jié)果圖10DSP的信號(hào)處理效果通過初步進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于直徑在1mm20mm的線材進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在常溫狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，其可有效檢出的缺陷橫截面積為被檢線材橫截面積的0.4%，檢測(cè)速度可達(dá)120mm/s。在實(shí)驗(yàn)中，采用的主要工作條件是：中心頻率0.21MHz；聲波模式：L（0，1-4），T（0，1-4）。實(shí)驗(yàn)中信號(hào)處理部分發(fā)揮了重要的作用，通

12、過DSP的數(shù)字濾波處理能把雜亂的數(shù)字信號(hào)中的噪聲消除，使顯示的波形更干凈。示意如圖10所示。另外，合理的設(shè)置發(fā)射電路中脈沖個(gè)數(shù)、發(fā)射頻率、重復(fù)頻率及磁化電流調(diào)節(jié)等參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)效果有著重要的影響。5. 結(jié)語工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件和環(huán)境可能對(duì)EMAT在線檢測(cè)產(chǎn)生影響的主要因素有：材質(zhì)、溫度及熱處理狀態(tài)所引起的材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性的變化；高速軋制傳輸中機(jī)械抖動(dòng)以及線材直度導(dǎo)致的傳感器與線材間的間距變化；線材表面氧化皮等殘存物的影響；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)供電系統(tǒng)及空間的電磁干擾；傳感器在持續(xù)高溫下的熱防護(hù)問題等，這些都是今后實(shí)施工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要因素。 超聲導(dǎo)波檢測(cè)比傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)頻率更低，傳播距離更遠(yuǎn)，是國(guó)際上近年來迅速發(fā)展的一門新技術(shù)。其與電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，將使其有非常廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用與高速、高溫、在線、在役的