超聲導波在線材檢測中的技術研究

1、超聲導波在線材檢測中的技術研究童凱 張建衛(wèi) 劉濤 張偉代（ 鋼鐵研究總院測試所 北京 100081 ）摘要：本文介紹了應用電磁超聲（EMA）技術在線材中激發(fā)導波的原理和方法，以及適于高速線材在線檢測的試驗裝置和實驗結果。關鍵詞：超聲檢測 導波 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 )線材是工程結構、機械零件制造的主要用材，

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

4、值。目前線材熱態(tài)在線NDT己是國際上非常關注并致力于研究的重要的前沿技術課題，也是我國急需發(fā)展的檢測技術之一。由于超聲導波相對于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術，具有傳播距離遠和速度快的特點，因此，在線材的無損檢測中有良好的應用前景。1. 導波概述導波是由于聲波在介質中的不連續(xù)交界面間產生多次往復反射，并進一步產生復雜的干涉和幾何彌散而形成的。導波主要分為圓柱體中的導波以及板中的SH波、SV波、蘭姆波和漏蘭姆波1等。根據(jù)Silk和Bainton的理論2，圓柱體中的導波分為：軸對稱縱向模式L（0，m），（其中m=1,2,3,）；軸對稱扭轉模式T（0，m），（其中m=1,2,3, ）；非軸對稱彎曲模式F（n，

5、m），（n，m=1,2,3,）。各模式中整數(shù)m是計數(shù)變量，反映該模式在工件徑向上的振動形態(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時的特例。導波的檢測靈敏度與被檢測物體的尺寸有關（直徑、板厚等），這一點有別于體波（縱波、橫波）的檢測靈敏度僅與檢測波的波長有關。導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 兩種檢測方式的比較通常通過調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)出導波，但其激發(fā)的波模相對較

6、雜，探頭的調整也很困難，再加上其聲波的傳播需要借助藕合介質，因此，壓電超聲并不適于高速、高溫的在線檢測。在目前諸多的NDT方法中，電磁超聲（EMA）法以其非接觸式的獨特工作方式更適用于各類線材的NDT的高速、高溫的檢測現(xiàn)場條件。電磁超聲換能器（EMAT）包括一個磁鐵和一個高頻線圈，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。圖1是兩種檢測方式的比較。2.2 電磁超聲（EMA）的激發(fā)機理利用洛侖茲（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理。洛侖茲力是指帶電質點在磁場中所受的電動力。當高頻電流加到靠近金屬表面的線圈上時，在金屬表面的趨膚層內將會感應出相應頻率的渦流來，此渦流方向與線圈中電流方向相反。若同時在金屬表面上加一個磁場，那么渦流在磁場作用下就會產生一個與渦流頻率相同的力，即洛侖茲力。它在工件內傳播就形成了聲波。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理。磁致伸縮是指磁疇在交變磁場的作用下產生壁移和旋轉。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，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。但當外磁場作用后，磁疇產生壁移和旋轉，最后順外磁

8、場方向整齊排列起來。在這些磁疇運動中，會伴隨著宏觀形變，所以表現(xiàn)出磁致伸縮效應。此效應在工件內傳播就形成了聲波。由于上述兩種效應都具有可逆性，因而可利用檢測線圈將信號檢測出來，加以分析判定，從而檢測出缺陷的大小、位置等。2.3 EMAT在線材中激發(fā)超聲導波 在常溫狀態(tài)下，碳鋼線材都具有較強的鐵磁特性，因此，在此種情況下用電磁超聲（EMA）的激發(fā)超聲導波我們以磁致伸縮效應為主。圖4提出了一種以磁致伸縮效應在線材中激發(fā)超聲導波的模式。在被檢線材上施加一軸向的穩(wěn)恒磁場B。，沿線材圓周方向繞制的高頻線圈在線材表面產生沿軸向的交變擾動磁場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FM在

9、被檢線材上產生的導波將沿線材軸向傳播，此導波模式為軸對稱縱向模式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)超聲導波。圖5給出了一種以洛侖茲力在線材中激發(fā)超聲導波的模式。在被檢線材上施加一徑向的穩(wěn)恒磁場B。，高頻線圈在線材表面感應的渦流的軸向部分J與B。的相互作用產生洛侖茲力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在被檢線材上產生的導波將沿線材軸向傳播，此導波模式為軸對稱扭轉模式T（0，m）。3. 試驗裝置的設計3.1電磁超聲探傷儀統(tǒng)計分析

10、認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，我們進行了有針對性的EMA發(fā)射和接收系統(tǒng)、磁化單元以及EMAT傳感器的設計。在優(yōu)化磁化場設計的基礎上，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 i.報警3.2常溫狀態(tài)下碳鋼線材的試驗裝置在常溫狀態(tài)下碳鋼線材的檢測試驗裝置見圖8所示。它采用軸向磁化方式，以磁致伸縮力產生沿線材軸向傳播的導

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試驗裝置。此裝置采用徑向磁化方式，以洛侖茲力產生沿線材軸向傳播的導波。其工作原理在本文2.3中已做闡述。圖8 鐵磁性線材檢測裝置圖9非鐵磁性線材檢測裝置4. 實驗及初步結果圖10DSP的信號處理效果通過初步進行的實驗室試驗結果表明，對于直徑在1mm20mm的線材進行的實驗取得了良好的實驗結果。在常溫狀態(tài)下的實驗，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%，檢測速度可達120mm/s。在實驗中，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）。實驗中信號處理部分發(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，合理的設置發(fā)射電路中脈沖個數(shù)、發(fā)射頻率、重復頻率及磁化電流調節(jié)等參數(shù)，對試驗效果有著重要的影響。5. 結語工業(yè)現(xiàn)場條件和環(huán)境可能對EMAT在線檢測產生影響的主要因素有：材質、溫度及熱處理狀態(tài)所引起的材料的導電性、導磁性的變化；高速軋制傳輸中機械抖動以及線材直度導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)高溫下的熱防護問題等，這些都是今后實施工業(yè)設計時必須考慮的重要因素。 超聲導波檢測比傳統(tǒng)的超聲波技術頻率更低，傳播距離更遠，是國際上近年來迅速發(fā)展的一門新技術。其與電磁超聲檢測技術的結合，將使其有非常廣闊的應用前景，尤其適用與高速、高溫、在線、在役的