中距離電磁超聲導(dǎo)波檢測及應(yīng)用

趙軍輝，朱緒祥，沈宇平

（蘇州博昇科技有限公司，蘇州215127）

中距離電磁超聲導(dǎo)波的頻率范圍一般在幾百千赫茲到幾兆赫茲的范圍，涉及到的導(dǎo)波模式有表面波、蘭姆波和水平橫波。用中距離電磁超聲導(dǎo)波進(jìn)行缺陷檢測時具有非接觸、無需耦合劑、信號重復(fù)性好、檢測速度快、靈敏度高等特點，容易滿足特殊條件的檢測，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［1－4］。

美國的THOMPSON 在20世紀(jì)70年代建立了基于洛倫茲力和磁致伸縮機(jī)理的電磁超聲Lamb波理論模型，并對金屬材料進(jìn)行檢測［5－6］。國內(nèi)鋼鐵研究總院首先將電磁超聲Lamb波用于鋼板檢測［7］，王淑娟［8］、臧慧［9］、劉增華［10］、周正干［11］、涂君［12］、武新軍［13］等課題組對電磁超聲檢測做了代表性的研究。

筆者通過利用蘇州博昇科技自主開發(fā)的商業(yè)電磁超聲檢測儀器，研究人工通孔缺陷對Lamb波A0模態(tài)的影響，推導(dǎo)出A0模態(tài)信號對面積缺陷檢測的分辨率；并且介紹了電磁超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在鐵磁性和非鐵磁性管道檢測中的應(yīng)用以及在薄板焊縫檢測中的應(yīng)用。

1 檢測方法

板狀材料中Lamb波的頻散方程［1］為：

式中：p2＝（ω／cL）2－k2；q2＝（ω／cT）2－k2；k為波數(shù)；ω為角頻率；cL，cT分別為縱波和橫波的傳播速度；h為板厚的一半；式（1）右邊項的指數(shù)是“＋1”時對應(yīng)Lamb波的對稱模態(tài)（Sn），指數(shù)是“－1”時對應(yīng)Lamb波的反對稱模態(tài)（An）。

所用鋼板材料檢測的基本參數(shù)為：測量溫度為17℃，密度為7 800kg·m－3，縱波速度為5 900m·s－1，橫波速度為3 200m·s－1。

對式（1）進(jìn)行求解計算，得出鋼板的頻散曲線如圖1所示。

圖1 鋼板Lamb波頻散曲線

電磁超聲導(dǎo)波激發(fā)和接收的探頭主要由線圈和磁鐵組成，線圈的形狀和幾何參數(shù)直接影響著電磁超聲導(dǎo)波的激發(fā)。筆者研究激發(fā)超聲導(dǎo)波采用回折線圈，優(yōu)化回折線圈的參數(shù)，選取回折間距為導(dǎo)波波長的一半［3，6］，即L＝λ／2。

則波數(shù)：

相速度：

群速度：

板厚為導(dǎo)波波長的一半時激發(fā)效率較高［14］，即d＝λ／2＝L時，則：

式中：k為波數(shù)；λ為波長；cp為相速度；f為頻率；cg為群速度。

相速度與頻厚積的關(guān)系曲線如圖1中斜直線所示。根據(jù)檢測試樣的板厚可以確定特定模態(tài)導(dǎo)波的效率較佳的激發(fā)頻率范圍。按照這樣的思路，比如當(dāng)鋼板板厚為4mm 時，A0模態(tài)導(dǎo)波的最佳激勵頻率為314kHz左右，S0模態(tài)導(dǎo)波的最佳激勵頻率為563kHz左右，對應(yīng)的傳播速度分別為3.218mm·μs－1和2.304mm·μs－1。

一般Lamb導(dǎo)波檢測用的最多的模態(tài)有4個，即A0、S0、A1和S1。這四個低頻模態(tài)在上述選取的激發(fā)頻率的思路下比較容易區(qū)分，從而避免導(dǎo)波檢測常見的多模態(tài)干擾。

圖2 檢測系統(tǒng)與鋼管試樣

2 檢測方案和結(jié)果

檢測系統(tǒng)裝置如圖2所示。采用蘇州博昇科技公司開發(fā)的商業(yè)電磁超聲檢測系統(tǒng)PR－EMAT－100，儀器配套專門的商業(yè)化軟件、前置放大器和電磁超聲探頭。試樣為鋼管，如圖2（c）所示。主機(jī)提供發(fā)射探頭所需的電流和激發(fā)頻率，在試樣鋼管中產(chǎn)生沿著管周向方向傳播的超聲導(dǎo)波，接收探頭接收含有鋼管健康特征信息的導(dǎo)波信號，經(jīng)前置放大器放大后傳輸給主機(jī)，通過電腦上安裝的儀器配套軟件采集和存儲檢測數(shù)據(jù)?？煞奖悴榭碅 掃描、B掃描、A＋B掃描顯示的鋼管試樣的健康狀況，判斷有無損傷缺陷的存在。

2.1 檢測方案

電磁超聲換能器采用傳統(tǒng)的一發(fā)一收方式，換能器結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，由線圈、磁鐵和檢測試樣組成。線圈通電流后和檢測試樣（鐵磁性材料）形成磁場，并與磁鐵所在的磁場相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力和磁致伸縮力激發(fā)所需的導(dǎo)波模態(tài)。將鋼管的周向方向發(fā)射探頭和接收探頭有機(jī)械連接的一側(cè)記為路徑M，另一側(cè)為路徑N，如圖2（c）所示。

圖2（d）是所需的鋼管試樣，長1 000mm，內(nèi)徑132mm，外徑140mm，板厚4mm。沿鋼管軸向方向分別設(shè)置φ10mm、φ8mm、φ6mm、3mm×φ4mm、φ4 mm 和φ3mm的人工通孔缺陷，間距分別為146，140，93，94，94，97 mm 和301 mm。所有的人工孔都在鋼管底面。3個3mm×φ4mm 的人工通孔為周向等間距分布。

計算鋼管試樣內(nèi)徑與外徑的比值，即鋼管彎曲程度η＝94.3% ＞90%，根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的表述，鋼管試樣的周向?qū)Рǖ念l散曲線比較接近平板情況，使用平板時的頻散曲線近似等效。

通過軟件提取鋼管試樣的超聲導(dǎo)波檢測信號，對比有無人工缺陷時的導(dǎo)波信號，分析通孔直徑對導(dǎo)波信號的影響，研究A0模態(tài)導(dǎo)波檢測缺陷的能力。

2.2 檢測結(jié)果分析

通過研究通孔對A0模態(tài)導(dǎo)波信號的影響，判定整個電磁超聲檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度。然后列舉商用電磁超聲檢測儀器在鋼管檢測和薄板焊縫檢測中的應(yīng)用。

選擇發(fā)射頻率310kHz探頭激發(fā)產(chǎn)生A0模態(tài)超聲導(dǎo)波，檢測信號如圖3所示。為提高研究普遍性，對信號進(jìn)行歸一化處理。觀察發(fā)現(xiàn)，信號的信噪比很高，波包清晰干凈，頻散很小。

圖3 A0 模態(tài)超聲導(dǎo)波信號

圖3信號中均含有5 個波包，依據(jù)A0導(dǎo)波在鋼板中的理論傳播速度及接收和發(fā)射探頭的位置關(guān)系，判斷波包1為接收線圈感應(yīng)到的初始脈沖信號，波包2為接收線圈接收的直達(dá)波信號，傳播路徑為M，波包3為接收線圈接收的次直達(dá)波信號，傳播路徑為N，波包4為直達(dá)波傳播一周后接收的信號，傳播路徑為M＋N＋M，波包5為次直達(dá)波傳播一周后接收的信號，傳播路徑為N＋M＋N。讀取波包2和波包4峰值到達(dá)的時間，計算波包沿鋼管的周向傳播一周需要的時間t＝1.3×10－4s，已知鋼管外周長l＝439.6mm，計算波包的傳播速度為c＝3.382mm·μs－1。與A0導(dǎo)波的理論傳播速度3.218 mm·μs－1接近，故判斷為A0模態(tài)導(dǎo)波。

對比圖3中不同通孔直徑時的A0模態(tài)導(dǎo)波信號，直達(dá)波（波包2）信號由于傳播距離最近，波包能量衰減最小，信號幅值變化不明顯，且路徑N上存在的缺陷檢測不到。實際應(yīng)用中路徑M上存在缺陷的比率很低。次直達(dá)波（波包3）對路徑M上存在的缺陷也檢測不到。相對而言，波包4沿著鋼管圓周傳播一圈，無論缺陷在路徑M還是N上都能對信號造成衰減，比較適合用來整體判斷鋼管周向是否有缺陷的存在。波包5也沿鋼管傳播一周，但其傳播路徑比波包4 遠(yuǎn)，能量衰減的也相對較多。故試驗中選用波包4包含的信息特征進(jìn)行分析。

沿鋼管試樣的軸向方向勻速移動電磁超聲導(dǎo)波探頭，提取檢測的所有導(dǎo)波信號并對信號取包絡(luò)，找出波包4對應(yīng)的最大幅值及幅值對應(yīng)的時間，研究幅值和時間隨掃描位置的變化關(guān)系，如圖4 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，信號的幅值較時間對人工通孔缺陷敏感。

圖4 A0 模態(tài)導(dǎo)波峰值及其對應(yīng)時間的對比圖

提取通孔直徑不同時檢測信號中波包4 的幅值，研究A0模態(tài)導(dǎo)波與通孔直徑的變化關(guān)系，如圖5所示，通過線性擬合得到斜線。觀察發(fā)現(xiàn)，A0模態(tài)導(dǎo)波的幅值隨著通孔直徑的增大呈線性減小的趨勢，且趨勢比較明顯。如果把人工孔缺陷換算成截面積的缺陷，則最小的人工孔φ3mm 對應(yīng)0.7%的截面積變化，考慮到φ3 mm 的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探頭有效磁鐵面積25mm×25mm，該電磁超聲檢測系統(tǒng)A0模式對壁厚4 mm 鋼管的截面積缺陷的分辨率遠(yuǎn)高于0.7%截面積的水平。

圖5 A0 模態(tài)導(dǎo)波峰值隨通孔直徑的變化

2.3 電磁超聲導(dǎo)波檢測儀器的應(yīng)用

2.3.1 鋼管的檢測

電磁超聲導(dǎo)波檢測儀器對鋼管進(jìn)行檢測的缺陷顯示如圖6所示?？梢钥吹剑瑱z測信號的信噪比很高，波包清晰，肉眼很難看到信號頻散和疊加的現(xiàn)象。

圖6 鋼管的檢測

2.3.2 薄鋼板焊縫的檢測

圖7為電磁超聲導(dǎo)波檢測儀對6mm 厚焊接板檢測顯示窗口顯示的A＋B 掃描圖。觀察發(fā)現(xiàn)，A掃描的波形信號的信噪比很高，焊縫和板的邊界反射回波都清晰可見。儀器可分別激發(fā)A0和S0模態(tài)超聲導(dǎo)波，也可激發(fā)SH0導(dǎo)波，適合檢測板厚在12mm 以下的工件中存在的缺陷，而壓電超聲焊縫檢測一般要求板厚在8mm 以上。

圖7 焊接板的檢測

2.3.3 銅合金管檢測

采用筆者公司開發(fā)的商用電磁超聲導(dǎo)波儀器，對銅合金管進(jìn)行檢測的B掃圖如圖8所示。

圖8 銅合金管的B掃圖

3 結(jié)語

雖然中距離電磁超聲導(dǎo)波的檢測范圍涉及船舶、航空、汽車、建筑等行業(yè)，應(yīng)用范圍廣，檢測原理復(fù)雜，但商用電磁超聲導(dǎo)波儀器檢測時操作簡單，且容易上手?；谔K州博昇科技有限公司的電磁超聲導(dǎo)波檢測儀的檢測和應(yīng)用，介紹了電磁超聲導(dǎo)波檢測的基本原理，繪制了Lamb導(dǎo)波頻散曲線，分析了單一模態(tài)超聲導(dǎo)波的激發(fā)頻率的選擇。以鋼管檢測時提取的A0模態(tài)超聲導(dǎo)波信號為例，分析討論電磁超聲導(dǎo)波對系列人工通孔缺陷的檢測，推導(dǎo)出檢測系統(tǒng)對位于管截面處缺陷面積的分辨率。

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