顧建平，許世林，張延兵，張 穎，張 維

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000；2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

0 引言

在金屬承壓設(shè)備焊接制造及運(yùn)行使用過程中，焊縫中容易出現(xiàn)多種缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等等，此外還有焊瘤、咬邊等表面缺陷[1]。由于對(duì)接焊縫表面不規(guī)則，因此不宜采用縱波傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，宜采用斜入射波形。相較于傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)，電磁超聲傳感器（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）可以高效地產(chǎn)生斜入射垂直剪切波（Shear Vertical，SV），在非接觸檢測(cè)焊縫的缺陷或不連續(xù)性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在EMAT中，磁鐵的功能是產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，磁鐵在電磁超聲技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，影響著檢測(cè)效率。MacLauchlan等[2]指出EMAT的信噪比與偏置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成平方關(guān)系。翟國(guó)富等[3]研究鋁板作為應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，磁體直徑是線圈的1.5～2.0倍、厚度與直徑相等的情況下，EMAT的換能效率最好。Mirkhania等[4]則研究出在使用跑道形線圈時(shí)，磁體和線圈寬度比1.2∶1時(shí)，換能效率最佳。此外，黃鳳英和劉素貞等[5，6]還研究了磁體的厚度和磁體與線圈間距對(duì)超聲回波的影響。綜上所述，磁體的尺寸和與提離距離均對(duì)電磁超聲檢測(cè)效率有影響，不同學(xué)者對(duì)于其影響趨勢(shì)有時(shí)有不同的結(jié)論，而且當(dāng)前的主要研究?jī)?nèi)容集中在橫波、表面波及導(dǎo)波傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無法根據(jù)前人研究確定適用于激發(fā)斜入射SV波的永磁體優(yōu)化參數(shù)。因此，本文根據(jù)斜入射SV波傳感器的結(jié)構(gòu)，建立二維有限元模型，分析不同永磁體參數(shù)對(duì)激勵(lì)效率的影響，獲得參考點(diǎn)的振動(dòng)位移曲線，使用曲線振幅作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)傳感器的激發(fā)效率，從而確定出最優(yōu)的永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高電磁超聲技術(shù)的檢測(cè)效率。

1 EMAT斜入射SV波有限元建模

采用有限元軟件建立模型進(jìn)行仿真分析，為了便于計(jì)算，減小計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間，建立二維有限元模型進(jìn)行分析。完整的有限元模型包括永磁體，線圈，空氣層及試件四個(gè)部分，如圖1所示。模型中的試件為長(zhǎng)方形板，二維截面尺寸為寬w2=150 mm、高h(yuǎn)2=20 mm，密度為7850 kg/m3，泊松比0.33，楊氏模量209 GPa，相對(duì)介電常數(shù)1，電導(dǎo)率4.032×106Ω·m。永磁體采用柱形永磁體，剩余磁通密度1T，磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪毕蛳?。為了保證激發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)的強(qiáng)度，采用等距多分裂曲折線圈，相同電流方向的三根導(dǎo)線為一匝。線圈匝間距等于波長(zhǎng)除以1.53時(shí)，可以在試樣中產(chǎn)生θ=50°的斜入射SV波。激發(fā)頻率f設(shè)定為1.5MHz，斜入射SV波波速c為3240 m/s，則波長(zhǎng)為：

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算得到其不同匝間距D為1.4 mm，不同導(dǎo)線之間的間距為d，線寬為b，線厚為a，線圈距試件距離l2，永磁體寬度為w1，高度為h1，永磁體提離距離l1。

建模完成后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分為自由三角形網(wǎng)格及自由四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸△x大小范圍在（1/10～1/20）λ之間。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)△t=△x/c。此外由于趨膚效應(yīng)的存在，需要對(duì)趨膚層進(jìn)行特別細(xì)化劃分[7]。

2 永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 不同永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)下固定磁場(chǎng)分布分析

對(duì)永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化主要針對(duì)永磁體的尺寸及永磁體提離距離。在保證其余參數(shù)不變的情況下，僅改變永磁體高度、寬度及提離距離，通過模擬得到不同參數(shù)下試件上表面的磁場(chǎng)分布情況，如圖2所示。由于線圈的尺寸是不變的，而且線圈在試件中感生出的渦流主要在線圈下方，因此在下方各圖中使用虛線標(biāo)記出線圈邊緣，對(duì)此范圍內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行讀取分析。

圖2 不同永磁體高度的試板上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

由圖2可知，在不同高度永磁體作用下，線圈尺寸范圍內(nèi)的試件上表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值范圍分別為0.3850～0.4749T（h1=20 mm）、0.4406～0.5324T（h1=30 mm）、0.4672～0.5604T（h1=40 mm），y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍分別為-0.3895～-0.3850T（h1=20 mm）、-0.4344～-0.4405T（h1=30 mm）、-0.4564～-0.4672T（h1=40 mm）。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍較y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度廣，可能原因是在永磁體下方區(qū)域也在試件中分布有x方向的磁場(chǎng)。隨著永磁體高度的增加，線圈分布區(qū)域下方的試件上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度及y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度均增大，從曲線間距還可以看出，永磁體高度達(dá)到一定的大小時(shí)，對(duì)于試板內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)會(huì)逐漸減弱。

如圖3所示，在不同寬度永磁體作用下，線圈尺寸范圍內(nèi)的試件上表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值范圍分別為0.4672～0.5604T（w1=25mm）、0.4406～0.5064T（w1=30 mm）、0.4139～0.4665T（w1=35 mm），y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍分別為-0.4564～-0.4672（w1=25 mm）、-0.4386～-0.4406T（w1=30 mm）、-0.4152～-0.4139T（w1=35mm）。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在線圈覆蓋范圍內(nèi)，w1=35 mm時(shí)，y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻，幾乎相等。隨著永磁體寬度的增加，線圈覆蓋范圍內(nèi)的試件上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度及y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度均減小，從曲線間距還可以看出，在模擬參數(shù)變化范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化均勻，接近線性變化趨勢(shì)。

圖3 不同永磁體寬度下的試板上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

如圖4所示，在不同提離距離永磁體作用下，線圈尺寸范圍內(nèi)的試件上表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值范圍分 別 為0.4672～0.5604T（l1=0.3 mm）、0.4521～0.5336T（l1=0.8 mm）、0.4370～0.5088T（l1=1.3 mm），y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍分別為-0.4564～-0.4672（l1=0.3 mm）、-0.4310～-0.4521T（l1=0.8 mm）、-0.4060～-0.4370T（l1=1.3 mm）。從圖中可以看出，在線圈覆蓋范圍內(nèi)，y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布也較為均勻。隨著永磁體提離距離的增加，線圈覆蓋范圍內(nèi)的試件上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度及y方向磁感應(yīng)強(qiáng)度均減小，而且從曲線間距大小還可以看出，在模擬的幾組參數(shù)范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化均勻，隨著永磁體提離距離以接近線性變化的趨勢(shì)減小。

圖4 不同永磁體提離距離下的試板上表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

2.2 最優(yōu)參數(shù)組合確定

永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)需要考慮的因素包括柱形永磁體的寬度w1、高度h1、永磁體提離距離l1這3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，如表1所示。

表1 永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素

此時(shí)設(shè)置永磁體剩余磁通密度Br=1.2T，每一匝不同導(dǎo)線之間的間距d設(shè)定為0.3 mm，線寬b=0.2 mm，線厚a=0.055 mm，線圈距試件距離l2=0.3 mm。通過模擬得到參考點(diǎn)處的不同方向的振動(dòng)位移曲線，提取其振幅作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用不同水平下評(píng)價(jià)指標(biāo)的均值繪制出永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)位移振幅的影響趨勢(shì)圖，如圖5所示。從圖中可以看出3個(gè)方向的振動(dòng)位移振幅均隨著永磁體高度的增加而增加，增加永磁體高度可以提高傳感器激發(fā)的波形能量；其次為永磁體的寬度，減小其大小有利于傳感器激發(fā)出更強(qiáng)的波形；此外永磁體的提離距離3個(gè)方向的振動(dòng)位移值影響均很小，為了提高換能效率，采用較小的永磁體提離距離。最后選出永磁體最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合水平分別為A3B1C1，即為高度h1=40 mm，寬度w1=25 mm，提離距離l1=0.3 mm。

圖5 不同指標(biāo)、不同水平下振動(dòng)位移振幅均值變化趨勢(shì)

3 結(jié)語

通過建立斜入射SV波傳感器的二維有限元模型，分析了不同永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)下的固定磁場(chǎng)分布情況以及永磁體的參數(shù)對(duì)傳感器激發(fā)出的振動(dòng)位移的影響，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的激發(fā)效率。通過比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：永磁體的高度對(duì)位移振幅大小影響作用最強(qiáng)，緊接著是寬度和提離距離，除了高度的增加對(duì)位移振幅是正面影響，位移振幅會(huì)隨著永磁體寬度和提離距離的增加而減小，最后確定了永磁體的最優(yōu)參數(shù)組合。