高會棟

(Borja Lopez Innerspec Technologies Inc,USA)

近年來隨著超高溫和超低溫檢測環(huán)境以及對非接觸式自動化檢測的需求,電磁超聲技術的研發(fā)越來越受到無損檢測研發(fā)和使用人員的重視。電磁超聲是諸多超聲檢測方法的一種,與傳統(tǒng)超聲波檢測一樣,電磁超聲利用超聲波來測量材料參數(shù)或探測材料中的缺陷。所不同的是,電磁超聲傳感器利用電磁場來激發(fā)超聲波,而傳統(tǒng)的超聲波傳感器使用壓電晶片的壓電效應來激發(fā)超聲波。圖1為壓電傳感器的檢測原理和電磁傳感器的激發(fā)原理的對比[1]。使用壓電超聲傳感器,聲波在壓電晶片內產生。為了使激發(fā)出的聲波傳播到待檢材料中,通常需要在待測材料表面施加耦合劑。根據(jù)檢測需求的不同,耦合劑的選擇也有區(qū)別。雖然空氣耦合以及固體耦合也已經在一些領域得到應用,但最常用的還是液體耦合劑。接觸式在役檢測通常使用膠狀耦合劑,而在線檢測則常用水柱。圖1中顯示的是用洛侖茲力原理激發(fā)超聲波的示意圖。當圓形線圈中通上超聲波頻率的交流電時,由于電磁感應效應,待測導體材料中會產生與線圈中極性相反的渦流電流。與電動機中的洛侖茲力原理類似,渦流電流在磁場中也會受到洛侖茲力的作用,從而引起待測材料的局部振動[2-3]。用于無損檢測的超聲波頻率一般從20Hz～20MHz,由于集膚效應,渦流電流分布在材料表面,所以通常情況下,電磁超聲的聲波激發(fā)源可以考慮成表面分布式激發(fā)。圖中所示超聲波在表面激發(fā)以后以橫波形式傳向材料內部。

圖1 電磁超聲傳感器和壓電超聲傳感器的聲波激發(fā)原理對比

從應用的角度來說,圖1所示的電磁超聲和傳統(tǒng)壓電超聲相比一個最大的優(yōu)點就是無需使用耦合劑。而由此可以引申出一系列的電磁超聲的應用優(yōu)勢[3-4],如可以實現(xiàn)非接觸式檢測、可以提高探頭的掃描效率、排除了由于耦合劑的不均勻所帶來的測量誤差、可以在耦合劑會揮發(fā)或者凍結的超高溫以及超低溫環(huán)境下檢測。除此以外,利用不同的磁鐵和線圈的設計組合,電磁超聲傳感器可以有效地激發(fā)出各種超聲波模式,包括傳統(tǒng)超聲較難實現(xiàn)的水平橫波和各種超聲導波模式。從而使用電磁超聲技術可以解決很多傳統(tǒng)超聲無法實現(xiàn)的檢測需求,同時也為很多傳統(tǒng)超聲能夠實現(xiàn)的檢測需求提供了一個更加簡便的解決方案。

1 導波技術檢測薄板激光焊縫

激光拼焊板在汽車制造行業(yè)的應用非常廣泛。為了能夠及時測量激光焊接的質量,Si-WB系統(tǒng)使用超聲導波對焊縫進行快速自動化掃描,從而檢測出焊縫中的各種缺陷,包括裂紋、未融合、夾雜和氣孔等點缺陷。圖2顯示的是該系統(tǒng)的EMAT探頭的機械裝置。EMAT探頭包括一個電磁鐵,一套音頻EMAT線圈及配套電纜;外圍機械裝置包括滾輪以及機械手。圖3為激光拼焊板的樣品。兩塊拼接鋼板的厚度分別為 1和2mm。在焊縫中做了9個人工缺陷,包括6個鉆孔以及3個刻槽,用鉆孔模擬點狀缺陷,并用刻槽模擬面狀缺陷,人工缺陷尺寸見表1。

圖2 激光拼焊板電磁超聲檢測探頭裝置

圖3 激光拼焊板樣品以及人工缺陷照片

表1 缺陷幾何形狀參數(shù)

針對不同缺陷對聲波的反射特性的差異,該系統(tǒng)包括點缺陷通道和面缺陷通道兩種EMAT傳感器。點通道用來檢測氣孔和夾雜等,面通道用來檢測裂紋和未融合等缺陷。

Si-WB系統(tǒng)通過超聲導波來實現(xiàn)焊縫檢測。超聲波能量分布于整個焊縫區(qū)域,所以分布于不同位置的缺陷可以同時被檢測出。設置通道1為點缺陷通道,通道2為面缺陷通道。面缺陷通道比點缺陷通道延遲一段時間發(fā)射。面缺陷通道的聲波發(fā)射方向垂直于焊縫。由于焊縫兩側的板厚不同,通常會有一定的聲波從焊縫反射,當面缺陷存在時更多的能量會被反射,從而接收到的反射信號會增強。為了能夠有效地檢測點狀缺陷,點缺陷通道的聲波發(fā)射方向與焊縫方向存在一個夾角,從而利用散射波來檢測點狀缺陷。圖4為對激光拼焊板的掃描結果。圖中紅線為點缺陷通道的掃描結果,可見6個鉆孔缺陷均產生了明顯的散射回波。除此以外,面狀缺陷的端點處也會產生一定的散射回波。面缺陷通道由于焊縫反射,基準值比點缺陷通道高。在刻槽處,反射回波的幅度明顯增強,三個刻槽的反射回波均超過設定域值。9個人工缺陷都得到了有效的檢測。

圖4 激光拼焊板樣品電磁超聲掃描結果

2 周向導波技術檢測電阻焊鋼管焊縫

電阻焊鋼管是由鋼板經過一系列的冷軋成弧形,然后在通過環(huán)形電阻焊線圈的同時施加一定壓力將兩邊對焊在一起的一種焊接工藝。在焊頭后方有刮刀將內外表面的焊瘤去除,從而形成光滑平整的焊接表面。然而在焊接過程中由于種種原因,會形成內表面或者外表面的裂紋、未融合等焊接缺陷。常規(guī)超聲波檢測時使用四個壓電換能器分別對材料的內外壁從兩個方向進行檢測。但是為了冷卻,通常檢測系統(tǒng)距離焊機會有10m左右,而經過這段距離以后,焊縫位置也會發(fā)生偏轉。因此,如果沒有一個有效的焊縫定位和跟蹤的裝置,斜入射超聲波的檢測區(qū)域就可能偏離焊縫區(qū)域,從而產生漏檢[5-6]。

使用電磁超聲激發(fā)的導波對鋼管焊縫進行檢測。由于周向導波在傳播過程中的能量會分布于整個管壁,焊縫位置漂移對于導波檢測的影響比體波檢測的影響小很多。圖5顯示了周向導波進行焊縫缺陷檢測的示意圖。由電磁超聲單向換能器激發(fā)出沿著逆時針方向傳播的導波,導波首先經過接收傳感器然后再通過焊縫區(qū)域(圖5中的12點鐘位置)。如焊縫中有缺陷存在,則會產生反射回波。為了增加系統(tǒng)對缺陷的檢測幾率,在實際系統(tǒng)中使用了兩組同樣的探頭來有效覆蓋不同的焊縫位置。最終系統(tǒng)可以實現(xiàn)對焊縫位置偏轉±30°有效檢測。

圖5 電阻焊鋼管超聲導波檢測原理示意圖

在系統(tǒng)的設計過程中,首先計算出對于各種不同管徑和壁厚的鋼管的周向導波的頻散曲線。圖6是水平橫波(SH)在φ50.8mm×6.35mm(厚)小管中的頻散曲線。可以看到,管子中傳播的SH波的頻散曲線與通常薄板中的SH波的頻散曲線有比較大的區(qū)別。最直觀的一個表現(xiàn)就是SH0模式的導波不再是無頻散的。試驗發(fā)現(xiàn),對于薄壁鋼管,采用SH0模式進行檢測可以得到很好的反射回波。圖7顯示的是對φ50.8mm×6.35mm(厚)鋼管的線掃描結果。如圖所示,深12.5%的EDM刻槽產生的反射波的波幅均超過3/1的信噪比。

3 電磁超聲SH波相控陣檢測奧氏體不銹鋼焊縫

由于奧氏體不銹鋼的強抗腐蝕性,它在核工業(yè)、石油化工以及高溫處理工業(yè)中得到了廣泛應用。因此,奧氏體焊縫在這些應用領域也非常常見。由于奧氏體焊縫具有很特殊的長條形晶粒結構,超聲波在奧氏體焊縫中會受到明顯的散射以及方向偏轉,給奧氏體不銹鋼焊縫的檢測帶來很大的困難。理論研究表明,最常用于檢測常規(guī)焊縫的斜入射垂直橫波受到的影響尤其劇烈,而最理想的檢測波形是水平橫波。然而,由于壓電換能器不易于激發(fā)和耦合水平橫波,現(xiàn)有的方法是使用縱波檢測,但是由于縱波經過表面反射后會發(fā)生波型轉換,給信號的判讀帶來一定的難度。通常用縱波對奧氏體不銹鋼焊縫檢測都需要將焊縫表面修平,而且焊縫的兩側都必須可以放置探頭。

電磁超聲易于激發(fā)水平橫波,但是由于奧氏體不銹鋼的導電性能很差,也不具有磁致伸縮效應,電磁超聲技術用來檢測奧氏體不銹鋼也存在很大的難度。以前有過很多的嘗試[7],但是由于信號的信噪比問題,至今電磁超聲對奧氏體焊縫檢測還是沒有進入實用階段。

為了提高電磁超聲激發(fā)效率,Innerspec公司研制了8通道電磁超聲相控陣探頭、信號激發(fā)源以及數(shù)據(jù)采集、分析和軟件系統(tǒng)。研制了基于惠斯通電橋電路的高功率超聲波脈沖串信號發(fā)生器。圖8是8通道儀器的照片。每一通道超聲信號的輸出電壓峰峰值可達2400V,瞬時功率達到20kW。為了在奧氏體不銹鋼中激發(fā)出SH模式的斜入射聲波,采用了永磁鐵陣列和印制電路板線圈。利用該系統(tǒng),可以成功地檢測到位于40mm厚不銹鋼焊接樣品中的兩個6.35mm深的刻槽。其中一個刻槽在焊縫區(qū)域,另一個刻槽在熱影響區(qū),檢測結果見圖9。如圖所示,SH波電磁超聲設備成功實現(xiàn)了對探頭另一側熱影響區(qū)的檢測。這對于奧氏體不銹鋼焊縫和異種金屬焊縫的檢測具有很大的意義,可以解決只有一面能放置探頭的焊縫的檢測。

圖8 電磁超聲相控陣儀器及探頭照片

4 結論

電磁超聲技術(EMAT)作為一種新型的超聲無損檢測技術,近年來已經由實驗室研究階段進入工業(yè)生產的實際應用階段。介紹了電磁超聲的基本原理、電磁超聲較傳統(tǒng)壓電超聲檢測技術的優(yōu)缺點。重點介紹了由Innerspec公司開發(fā)研制的三套針對焊縫檢測的代表性電磁超聲系統(tǒng),包括薄板激光焊縫的檢測、電阻焊鋼管檢測以及奧氏體不銹鋼焊縫的檢測。電磁超聲傳感技術與超聲導波技術的結合,適用于從＜1mm的薄板,到12mm的厚板以及管件中焊縫的檢測。對于超過12mm厚的材料,電磁超聲斜入射體波檢測可以達到很好的效果?？傊?電磁超聲技術的發(fā)展擴展了超聲波檢測的應用范圍。電磁超聲為很多需要非接觸檢測、快速高效檢測、超高低溫環(huán)境以及需要水平橫波檢測的應用領域提供了一系列有效的解決方案。

致謝：介紹的三套電磁超聲檢測系統(tǒng)由Innerspec公司全體研究及設計人員共同創(chuàng)造,作者對其他研究及設計人員表示感謝。

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