電磁超聲體波方法對(duì)內(nèi)部孔洞缺陷檢測(cè)研究*

蔡智超,張 闖

(1.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南昌 330013;2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

電磁超聲體波方法對(duì)內(nèi)部孔洞缺陷檢測(cè)研究*

蔡智超1*,張 闖2

(1.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南昌 330013;2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

電磁超聲是一種新型的超聲檢測(cè)方法,其具有非接觸、不受工作環(huán)境影響、易于激發(fā)多種類型的超聲波等優(yōu)點(diǎn)。本文研究了電磁超聲體波對(duì)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部孔洞缺陷探測(cè)問題,首先利用離散點(diǎn)源實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁超聲聲場(chǎng)的分析;而后利用有限元方法對(duì)電磁-結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合建模,研究超聲體波在體內(nèi)缺陷處的波型轉(zhuǎn)換以及模式轉(zhuǎn)換后爬波在缺陷表面?zhèn)鞑デ闆r;最后利用電磁超聲體波對(duì)孔洞缺陷的尺寸、位置進(jìn)行了定量檢測(cè)。有限元計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化解析求解得到較好的驗(yàn)證,本文為電磁超聲對(duì)體內(nèi)孔洞缺陷的應(yīng)用評(píng)估提供良好基礎(chǔ)。

電磁超聲;波型轉(zhuǎn)換;孔洞缺陷;有限元方法

隨著國家對(duì)安全、民生等重大項(xiàng)目的建設(shè),對(duì)項(xiàng)目承載應(yīng)力水平及服役時(shí)間需求不斷提高,高強(qiáng)度金屬材料和復(fù)雜形狀零件的廣泛應(yīng)用,這對(duì)結(jié)構(gòu)健康預(yù)警監(jiān)測(cè)、高端機(jī)械裝備再制造提出了更高的技術(shù)要求[1-2]。其中在材料制備、機(jī)械加工以及設(shè)備服役過程中,諸如空腔、雜質(zhì)等內(nèi)部孔洞缺陷萌發(fā)、生長(zhǎng)將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度并帶來惡劣的工程事故,因此對(duì)于內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)估才能更好的保證結(jié)構(gòu)件安全運(yùn)用。

與內(nèi)部孔洞缺陷相對(duì)的表面裂紋有諸多檢測(cè)手段:采用超聲表面波、Lamb波檢測(cè)方法中信號(hào)特征變化曲線可用于對(duì)表面裂紋角度、長(zhǎng)度、埋深等特征定量分析[3-4]。Dutton B分析了電磁超聲表面波在缺陷處模式轉(zhuǎn)變問題,結(jié)果表明斜裂紋將使表面波產(chǎn)生的多種模式Lamb特征,并在適用于超聲接收信號(hào)的解釋[5]。華威大學(xué)Edwards R S采用激光干涉儀測(cè)量電磁超聲表面波檢測(cè)表面缺陷的面外位移結(jié)果,探究了表面波反射比與透射比變化規(guī)律[6-7]。福岡工業(yè)大學(xué)Murayama 教授利用電磁超聲垂直入射SH 波的方式對(duì)閉合裂紋進(jìn)行了檢測(cè),在裂紋尖端指向性有準(zhǔn)確的檢測(cè)效果[8]?，F(xiàn)階段,對(duì)電磁超聲裂紋檢測(cè)研究主要針對(duì)于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用:軌道表面積側(cè)磨缺陷的快速檢測(cè)[9]、奧氏體不銹鋼的焊縫檢測(cè)[10]、管道腐蝕缺陷的檢測(cè)[11]。綜上,研究者們通過表面波或?qū)Рǖ姆瓷洹⑼干?、模式轉(zhuǎn)換系數(shù)等可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件表面裂紋深度、角度和埋深對(duì)聲波信號(hào)的影響分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面裂紋缺陷的檢測(cè)特性的定量判斷。

同樣體波對(duì)于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)中應(yīng)用非常廣泛,由于體波橫波波長(zhǎng)小于體波縱波波長(zhǎng),因此橫波具有更高的小尺寸內(nèi)部缺陷識(shí)別能力,且體波遇到邊界和缺陷時(shí)將發(fā)生波形轉(zhuǎn)換,更能傳遞出包含缺陷特征的聲波信號(hào)。

在成熟的超聲波檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中壓電超聲技術(shù)由于其激發(fā)信號(hào)強(qiáng)、信噪比高、硬件電路簡(jiǎn)單、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[12]。然而壓電超聲依賴耦合劑等劣勢(shì),使得非接觸式超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)和利用逐步發(fā)展為較為主流的超聲無損檢測(cè)手段。其中電磁超聲相比激光超聲、空氣耦合超聲等幾種非接觸式超聲檢測(cè)方式[13-14],其可通過搭配不同的偏置磁場(chǎng)和換能線圈,能更好的實(shí)現(xiàn)適合的超聲體波激勵(lì)[15-17]。美國的Innerspec 公司開發(fā)的temate Pi-NB 電磁超聲板材檢測(cè)裝置采用垂直入射橫波,可檢測(cè)出板材內(nèi)部的裂紋、氣泡和其他不連續(xù)性缺陷。但其測(cè)試結(jié)果僅作定性分析,并不能定量判斷。

因此利用電磁超聲方法對(duì)內(nèi)部孔洞缺陷的定量檢測(cè),勢(shì)必要研究爬波在內(nèi)部孔洞缺陷上傳播情況。兩相遇爬波通過攜帶了孔洞缺陷信息的輻射橫波,包含了孔洞缺陷位置、尺寸、粗糙度、陰影區(qū)裂紋等檢測(cè)和評(píng)價(jià)信息[18]。本文在電磁-結(jié)構(gòu)換能技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究電磁超聲體波對(duì)孔洞缺陷的檢測(cè)能力,分析體波遇到孔洞缺陷模式轉(zhuǎn)換及在缺陷上爬波的傳播、輻射等特征,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔洞缺陷的定量檢測(cè)。

1 基于離散點(diǎn)源電磁超聲聲場(chǎng)分析

電磁超聲換能器由換能線圈、偏置磁場(chǎng)以及被測(cè)構(gòu)件三部分組成。所加載在線圈上的高頻電流在試件趨膚層產(chǎn)生渦流,偏置磁場(chǎng)及換能線圈所通交流電產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)構(gòu)成了作用磁場(chǎng),渦流受作用磁場(chǎng)影響產(chǎn)生洛倫茲力,使得趨膚層的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生高頻振動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。

依據(jù)惠更斯原理,任意形狀和大小的聲源,均可視為無數(shù)單一點(diǎn)源的集合。電磁超聲換能器在形式構(gòu)成上類似于超聲相控陣檢測(cè),但其不具備相控陣超聲中各個(gè)晶片單元的獨(dú)立激發(fā)的能力,因此電磁超聲源輻射到聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓,可看成是聲源表面上所有點(diǎn)源同時(shí)輻射到該點(diǎn)的聲壓疊加。

電磁超聲受幾何形狀、結(jié)構(gòu)設(shè)定、偏置磁場(chǎng)B與渦流ie相互作用,所產(chǎn)生的彈性波指向性如圖1所示。聲場(chǎng)的指向性是由加載電流i的單根陣列線圈決定的,其中線圈數(shù)量為N(常為偶數(shù)),線圈的寬度為cw、高度ch、提離距離cl、線間距cg。單線圈感生的渦流寬度為ew、高度eh。

圖1 EMAT在M點(diǎn)處產(chǎn)生的彈性波聲場(chǎng)

電磁超聲產(chǎn)生的彈性波在M點(diǎn)處產(chǎn)生的聲場(chǎng)位移U是由各個(gè)聲源聲場(chǎng)Uen疊加組合形成,每個(gè)聲源則由每個(gè)單位面積點(diǎn)源位移Up所構(gòu)成,Up在深度方向存在著一定相位差且呈指數(shù)倍衰減。

(1)

當(dāng)為同相EMAT(相鄰導(dǎo)線之間通同相位的激勵(lì)電流),其聲壓為:

(2)

當(dāng)為反相EMAT(相鄰導(dǎo)線內(nèi)通相位差π的激勵(lì)電流),其聲壓為:

(3)

對(duì)于回折EMAT(中心對(duì)稱,左右兩側(cè)導(dǎo)線之間通相位差π的激勵(lì)電流),其聲壓為:

(4)

通過式(1)～式(4)可知,單聲源與ew、eh等渦流幾何尺寸相關(guān),而影響渦流的直接因素為cw、ch、f。而點(diǎn)源強(qiáng)度與ie、B、加載頻率f有直接影響。

2 電磁超聲有限元數(shù)值仿真分析

本文采用限元方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁超聲體波發(fā)射過程進(jìn)行二維多物理場(chǎng)建模仿真。所建立的模型中包括電磁場(chǎng)區(qū)域、電磁-結(jié)構(gòu)換能區(qū)域、結(jié)構(gòu)場(chǎng)區(qū)域,分別計(jì)算電磁加載過程中產(chǎn)生的渦流及磁場(chǎng)載荷、超聲波洛倫茲力力源、結(jié)構(gòu)中超聲波的傳播,如圖2所示。

圖2 EMAT二維有限元模型

電磁場(chǎng)區(qū)域建模包括提供偏置磁場(chǎng)的NdFeB永磁體以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的回折線圈,趨膚深度區(qū)域?yàn)殡姶艙Q能器的主體部分,結(jié)構(gòu)場(chǎng)區(qū)建模為聲波傳播的主體部分。其中換能區(qū)域同時(shí)將電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算,通過洛倫茲力作為體載荷實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波力源的加載,并在試件端面施加低反射邊界條件以吸收傳播至端面的超聲波以減少反射。

圖3 不同時(shí)刻試件中體波位移分布圖

回折線圈尺寸間距為d,其中永磁體的寬度設(shè)定為整個(gè)換能器寬度的1.2倍[19],脈沖電流采用Tone-burst信號(hào),間隔線圈分別通入,頻率為f=500kHz,單周期T=2μs,峰峰值為2A,相位相差180°的正弦電流信號(hào)。因此該結(jié)構(gòu)EMAT將主要產(chǎn)生特定方向的SV波,可表示為:

(5)

式中:cs為固體中橫波波速。

如圖3所示表示電磁超聲產(chǎn)生的超聲體波傳播過程,在試件中距離電磁超聲激勵(lì)中心位置50mm遠(yuǎn)處,設(shè)定一孔洞型缺陷。分析體波與孔洞表面相互作用情況。

表1 損傷材料屬性

回折型線圈搭配提供垂直磁場(chǎng)的靜磁場(chǎng)的永磁體,將在試件趨膚深度內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)將產(chǎn)生沿試件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌≧波(Rayleigh wave)和臨界折射縱波LCR波(Critically refracted longitudinal wave)、同時(shí)還將沿著試件體內(nèi)產(chǎn)生顯著指向性的縱波L波(longitudinal wave)和橫波S波(Shear vertical wave)。如圖3(a)所示。

縱波率先與缺陷相互作用,部分聲波能量并發(fā)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生縱波LL和橫波LS(縱波轉(zhuǎn)換為橫波)。伴隨的體波進(jìn)一步的傳播,橫波S將與缺陷發(fā)生作用,部分聲波發(fā)生反射產(chǎn)生SS波,部分聲波發(fā)生模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生SL(橫波轉(zhuǎn)換為縱波),剩余部分能量的橫波將沿著缺陷曲面?zhèn)鞑ミM(jìn)而形成橫爬波SC如圖3(f)所示。爬波是利用超聲波傳播到彎曲的異質(zhì)界面處發(fā)生的波形轉(zhuǎn)變。同樣在之前的縱波與缺陷作用是也能產(chǎn)生縱爬波LC,但是由于波形混疊、縱波能量較弱等情況LC能量很弱并不能直觀的看出。相比之下SC的能量較為顯著。值得注意的是,SC的傳播路徑可沿著孔洞缺陷的上曲面及下曲面?zhèn)鞑ァＲ虼藢a(chǎn)生兩個(gè)SC波源。

兩個(gè)SC波分別沿著上下曲面?zhèn)鞑?順逆時(shí)針爬行的聲波將在某一時(shí)刻發(fā)生相遇,進(jìn)而大部分聲波向周圍介質(zhì)輻射橫波SCS(橫爬波模式轉(zhuǎn)成輻射橫波),小部分SC將繼續(xù)沿著原傳播路徑進(jìn)一步傳播,直至下一時(shí)刻相遇并產(chǎn)生聲波能量的輻射。第1次兩爬波相互作用所產(chǎn)生的橫波效率及能量是顯著的。

3 孔洞缺陷尺寸、位置檢測(cè)分析

3.1 聲場(chǎng)分析

針對(duì)孔洞缺陷不同尺寸的,順時(shí)針爬行的SC與逆時(shí)針爬行的SC相遇時(shí)間是有區(qū)別的,因此其產(chǎn)生的SCS時(shí)間點(diǎn)與孔洞缺陷尺寸緊密相關(guān)。據(jù)此以接收SS波時(shí)刻為參考時(shí)間,通過分析SS與SCS時(shí)間差可以判斷孔洞缺陷的尺寸。

圖4所示,在t=25 μs時(shí)刻電磁超聲在不同尺寸的孔洞缺陷的試件內(nèi)產(chǎn)生的聲場(chǎng)圖,當(dāng)孔洞缺陷半徑尺寸r小于等于1 mm時(shí),SCS與SS發(fā)生混疊,能難區(qū)分兩者的時(shí)間差,因此,對(duì)于r≤1 mm的孔洞缺陷,500 kHz的電磁超聲僅能定性判斷而不能定量分析。隨著r的變大,SS與SCS時(shí)間差Δt將會(huì)越大,實(shí)現(xiàn)了電磁超聲定性定量的判斷孔洞缺陷的特性,如圖5所示。

圖4 同時(shí)刻試件中體波位移分布圖

圖5 評(píng)估體波測(cè)體內(nèi)不同半徑孔洞缺陷的時(shí)間差

3.2 簡(jiǎn)化聲程分析

為直觀顯示聲波的傳播路徑,如圖6可所示。當(dāng)A點(diǎn)注入的橫波S沿著AB、AC聲程傳播至孔洞缺陷表面,一部能量反射的SS沿著BF聲程傳播至EMAT的接收端,另一部分能量在B點(diǎn)處產(chǎn)生聲波模式轉(zhuǎn)換形成橫爬波SCB1(B點(diǎn)產(chǎn)生的模式轉(zhuǎn)換,第1次SC相遇前的能量)。同上所述S也將在C點(diǎn)處產(chǎn)生SCC1,SCB1與SCC1分別沿著BD(順時(shí)針)與CD(逆時(shí)針)聲程傳播并在D點(diǎn)處發(fā)生相遇,進(jìn)而部分聲波能量經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生SCS1波(產(chǎn)生的第1次SCS),另一部分SC聲波SCB2、SCC2將分別沿著DCE與DBE聲程產(chǎn)生第2次相遇并產(chǎn)生SCS2波,然而SCS2能量遠(yuǎn)小于SCS1波,考慮到EMAT本身的換能效率弱,因此SCSn(n≥2)因?yàn)樽陨砟芰窟^弱而將被忽略。

圖6 不同時(shí)刻試件中體波位移分布圖

圖9 電磁超聲體波對(duì)不同位置的孔洞缺陷檢測(cè)

為了方便定量分析孔洞缺陷尺寸,因此對(duì)上述聲程進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化如圖7所示。橫波S達(dá)到孔洞缺陷上下邊界的接觸點(diǎn)為B′與C′,當(dāng)AB′與AC′遠(yuǎn)大于孔洞缺陷尺寸時(shí),兩者可以近似相等,因此B′0與x軸的相差45°。進(jìn)而可得SC在D′相遇(B′D′=C′D′=πr/2),S反射的SS與SC模式轉(zhuǎn)換的SCS可近似以B′F與D′B′F。

tss=t0+lB′F/Cs

(6)

(7)

Δt=tscs-tss=(πr)/Csc

(8)

式中:橫波從A點(diǎn)傳至B點(diǎn)或C點(diǎn)的耗時(shí)t0,tss為橫波反射至F點(diǎn)的總耗時(shí),tscs為橫波經(jīng)過爬波等多次模式轉(zhuǎn)換傳播至F點(diǎn)的總耗時(shí)。

圖7 不同時(shí)刻試件中體波位移分布簡(jiǎn)圖

彎曲表面的爬波速度可由體波速度以及孔洞尺寸有密切的關(guān)系[20]:

(9)

式中:ks表示試件內(nèi)橫波波數(shù),文章在針對(duì)研究的孔洞半徑r在1 mm～6 mm范圍之內(nèi),隨著r值上升Csc也增長(zhǎng)(937 m/S～18 300 m/S),因此根據(jù)上式可得Δt、r、Cs之間的聯(lián)立關(guān)系。

圖8表示為有限元計(jì)算的ΔtF以及通過式(6)～式(9)聯(lián)立計(jì)算的時(shí)間差ΔtA比對(duì),可以發(fā)現(xiàn)ΔtA要略大于ΔtF,在孔洞半徑r在2 mm～6 mm范圍之內(nèi),ΔtA-ΔtF幾乎保持一個(gè)固定值。這是由于爬波路徑的近似造成的,因?yàn)楫?dāng)孔洞缺陷距離發(fā)射EMAT較近,或孔洞缺陷尺寸較大,線圈發(fā)射出來的橫波路徑AB′與AC′并不相當(dāng),存在固定的時(shí)間差。

圖8 評(píng)估體波測(cè)體內(nèi)孔洞裂紋的時(shí)間差

進(jìn)而對(duì)不同位置的孔洞缺陷進(jìn)行分析,分別選擇圓心位于R=50 mm,α=40°、45°、50°。Δt≈5.4 μs,幾乎保持一致,因此其針對(duì)不同位置的裂紋,可從時(shí)域圖中利用SS波到達(dá)時(shí)間進(jìn)一步確定。

圖10 評(píng)估體波測(cè)體內(nèi)不同位置孔洞缺陷的時(shí)間差

4 結(jié)論

本文通過建立電磁超聲體波探測(cè)孔洞缺陷有限元模型,探究電磁超聲換能器所產(chǎn)生的SV波對(duì)構(gòu)件內(nèi)部孔洞缺陷的探測(cè)能力。當(dāng)缺陷半徑大于1 mm時(shí),SV波將受到孔洞缺陷的散射作用,而當(dāng)缺陷半徑小于1 mm,SV波更易透射過孔洞缺陷,不易發(fā)生散射現(xiàn)象。隨著孔洞半徑的增長(zhǎng)可以從時(shí)域中看出,SS位移幅值有顯著的提升,即大尺寸的缺陷能增強(qiáng)對(duì)聲波的反射能力。同時(shí)可以依據(jù)SS波與SCS波達(dá)到傳感器的時(shí)間差以判斷孔洞缺陷尺寸大小,通過解析解與有限元求解的比對(duì),兩波之間的時(shí)間差正比于孔洞缺陷半徑。

通過本文的分析及探索,可得依據(jù)爬波沿著復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的傳播能力,用于其探測(cè)規(guī)則孔狀型內(nèi)部缺陷或復(fù)雜表面形狀缺陷方法是有據(jù)可行的。

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Research on Internal Hole-Type Defect Detecting by Electromagnetic Ultrasonic Bulk Wave*

CAIZhichao1*,ZHANGChuang2

(1.School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Electromagnetic ultrasonic is a novel ultrasonic testing method,which has many advantages such as non-contact,not affected by the environment and easy to excite various types of ultrasonic wave etc. This paper studies the ultrasonic detection internal hole-type defects in metals using electromagnetic ultrasonic method. Firstly,the sound field of electromagnetic ultrasonic was analyzed which based on the discrete point source;secondly,a multiphysics finite element model based on electromagnetic field and structure field is build,not only the directly scattered bulk waves have been observed,but also the mode-converted creeping waves on the defect surface;finally,the size and location of hole-type defect were quantitative detecting. A simplified analytical solution was successfully applied to validate the simulation results. This paper has a solid foundation for the application of the internal hole-type defect detecting by electromagnetic ultrasonic bulk wave.

electromagnetic ultrasonic;mode conversion;hole-type defect;finite element method

蔡智超(1989-),男,講師/博士。主要從事工程電磁場(chǎng)、電磁無損檢測(cè)、電工理論新技術(shù)等研究。參與國家自然科學(xué)基金3項(xiàng),《IEEETransactionsonappliedSuperconductivity》雜志評(píng)審專家,在電磁超聲與聲發(fā)射復(fù)合檢測(cè)、換能器優(yōu)化、非線性超聲等方面發(fā)表SCI/EI收錄十余篇,zccai@ecjtu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51307043)

2016-05-18 修改日期:2016-08-29

TB553

A

1004-1699(2017)01-0064-07

C:11171;11540

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.013