金屬材料缺陷的電磁超聲/渦流復(fù)合檢測技術(shù)研究

劉素貞，孟學(xué)艷，張闖，金亮

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金屬材料缺陷的電磁超聲/渦流復(fù)合檢測技術(shù)研究

劉素貞1,2，孟學(xué)艷1,2，張闖1,2，金亮3

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津，300130； 2. 河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津，300130； 3. 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387)

電磁超聲檢測和渦流檢測因其非接觸、檢測速度快、對試件表面要求低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于金屬材料的缺陷檢測中，但電磁超聲檢測存在近表面的檢測盲區(qū)，渦流檢測對內(nèi)部深層缺陷靈敏度不高?；陔姶懦暫蜏u流的復(fù)合檢測方法，設(shè)計(jì)了能同時(shí)滿足電磁超聲檢測和渦流檢測的復(fù)合式探頭，建立了電磁超聲和渦流復(fù)合檢測有限元模型，并對金屬試件中不同類型的缺陷進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合探頭不僅能快速檢測表面裂紋，而且可激發(fā)出具有明顯指向性的縱波，一定程度上削弱了波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的干擾波，可實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確定位、識別，為電磁超聲和渦流復(fù)合式檢測技術(shù)在板材的復(fù)雜缺陷檢測中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

電磁超聲縱波；檢測線圈阻抗；回波信號；復(fù)合檢測探頭

0 引言

電磁超聲(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)檢測技術(shù)因具有無需耦合劑、檢測效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬管材、板材等材料的缺陷檢測以及厚度測量領(lǐng)域[1-2]。但電磁超聲檢測技術(shù)由于存在近表面的檢測盲區(qū)，僅適用于金屬表面以下及深層缺陷的檢測。而渦流檢測技術(shù)由于集膚效應(yīng)的影響，對深層缺陷的靈敏度較差，對于近表面缺陷有較高的靈敏度[3]。另一方面，電磁超聲檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)都是基于電磁感應(yīng)原理，利用被測材料表面感應(yīng)的渦流來實(shí)現(xiàn)檢測，兩種方法均為非接觸檢測，從檢測范圍、檢測特點(diǎn)和安全性等角度，將兩者進(jìn)行復(fù)合，能達(dá)到互補(bǔ)的檢測效果[4]。

目前，電磁超聲和渦流的復(fù)合式檢測技術(shù)是當(dāng)前無損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。張清華[5]于2010年提出了將平底超聲直探頭與渦流探頭集成于一體的新型探頭，分析了不同因素對復(fù)合檢測的影響，并且引入了數(shù)據(jù)融合技術(shù)。該文中使用的是壓電超聲和渦流的復(fù)合，壓電超聲檢測時(shí)需要使用耦合劑，檢測時(shí)對試件表面的要求較高。唐華溢[6]于2014年設(shè)計(jì)了渦流與電磁超聲復(fù)合檢測系統(tǒng)，并對集成探頭、信號處理和缺陷檢測等技術(shù)進(jìn)行研究，該文中給出的探頭是電磁超聲探頭和渦流探頭的組合，渦流檢測和超聲檢測分別使用不同的線圈和結(jié)構(gòu)。Warwick大學(xué)的R. S. Edward等[7]設(shè)計(jì)了一種脈沖渦流檢測(Pulsed Eddy Current Testing，PECT)和EMAT雙探頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是將脈沖渦流探頭放在中間，電磁超聲的激勵(lì)和檢測分別位于渦流探頭兩旁。2007年Huddersfield大學(xué)Ali Sophian等[8]對該雙探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出EMAT的電磁鐵對鋼鐵試樣有助于放大脈沖渦流信號。日本的Tetsuya Uchimoto等[9]于2014年設(shè)計(jì)了一種融合電磁超聲和渦流技術(shù)的雙探頭，在高溫環(huán)境下進(jìn)行了監(jiān)測鋼板管壁變薄的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種雙重探針在管壁變薄監(jiān)測方面具有較高的可靠性。文獻(xiàn)[10]開發(fā)了電磁超聲/脈沖渦流的復(fù)合信號的數(shù)值模擬方法，使用濾波策略對檢出的信號進(jìn)行信號分離并對鋁板中不同深度的缺陷進(jìn)行檢測。

用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)融合電磁超聲檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)，充分利用各檢測技術(shù)的特點(diǎn)，達(dá)到檢測多缺陷、提高可靠性的目的，有希望在成本、檢測速度和檢測結(jié)果的可信度之間取得平衡。本文根據(jù)電磁超聲和渦流檢測原理及特點(diǎn)，建立了融合電磁超聲和渦流檢測的有限元模型，實(shí)現(xiàn)了對金屬厚板材中表面缺陷和深層內(nèi)部缺陷的檢測特性分析；設(shè)計(jì)了能同時(shí)滿足渦流檢測和電磁超聲檢測的探頭，該探頭不僅能快速檢測表面裂紋，還能激發(fā)出具有明顯指向性的縱波進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測，使兩種檢測方法互補(bǔ)。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究論證了該探頭進(jìn)行電磁超聲/渦流復(fù)合式檢測的可行性。

1 電磁超聲-渦流復(fù)合檢測

電磁超聲是通過電磁-應(yīng)力耦合產(chǎn)生超聲波，各向同性彈性體中聲波的運(yùn)動(dòng)方程為

當(dāng)激勵(lì)線圈中通入交變電流，在試件表面會產(chǎn)生渦流，任何導(dǎo)致渦流發(fā)生改變的因素都會引起線圈阻抗的變化[11]。導(dǎo)體試件中的感應(yīng)渦流為

線圈阻抗的實(shí)部和虛部可分別通過焦耳損耗和使用的磁能確定[12-13]。線圈作為負(fù)載時(shí)，對于激勵(lì)線圈電抗的分析主要是對其感抗的分析，線圈等效電感值可定義為磁通對自身電流的變化率[14]。

在電磁超聲和渦流的復(fù)合式檢測技術(shù)中，通過渦流檢測分析檢測線圈阻抗的變化，獲得試件表面的缺陷信息；通過分析超聲回波信號獲得內(nèi)部缺陷信息。復(fù)合檢測流程如圖1所示。

圖1 融合渦流和電磁超聲的檢測系統(tǒng)圖

電磁超聲體波在檢測結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷方面應(yīng)用非常廣泛[15]。在電磁超聲體波發(fā)射過程中，既產(chǎn)生縱波也會產(chǎn)生橫波和微弱的表面波，這些波在傳播過程中會發(fā)生反射、衍射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，從而引入干擾波，導(dǎo)致接收信號雜亂，影響缺陷回波的判斷。因此，應(yīng)從提高體波信號強(qiáng)度、削弱波型轉(zhuǎn)換方面對EMAT進(jìn)行設(shè)計(jì)。電磁超聲縱波速度接近于橫波速度的2倍，應(yīng)用縱波對鋁板等金屬板中的水平缺陷進(jìn)行檢測時(shí)的檢測效率更高[16]。檢測過程中，要盡量抑制橫波的產(chǎn)生，以減小橫波回波的干擾，增強(qiáng)檢測的準(zhǔn)確性[17]。本文選用縱波進(jìn)行內(nèi)部的缺陷檢測，設(shè)計(jì)了如圖2所示的探頭。

圖2 電磁超聲和渦流復(fù)合檢測探頭

由圖2可見，該探頭外部為一個(gè)圓環(huán)形磁鐵，中心是一個(gè)圓柱形磁鐵，線圈采用平面螺旋形線圈。該線圈工作于收發(fā)一體模式，電磁超聲檢測過程中采用反射法進(jìn)行缺陷檢測。當(dāng)EMAT外加的偏置磁場方向不同時(shí)，其產(chǎn)生洛倫茲力的方向也不相同。如圖3(a)所示，兩磁鐵均為軸向充磁，且充磁方向相反，水平磁場將產(chǎn)生垂直方向的洛倫茲力，提供垂直加載方式。圖3(b)為磁鐵下方鋁板內(nèi)距表面0.01 mm處偏置磁場、方向的磁通密度分布。由圖可知，在圓環(huán)磁鐵和圓柱磁鐵之間可提供比較均勻且較強(qiáng)的水平磁場，能夠滿足提供水平磁場的要求。

圖3 復(fù)合探頭磁鐵結(jié)構(gòu)及磁通密度分布

2 電磁超聲/渦流檢測仿真分析

2.1 復(fù)合探頭進(jìn)行渦流檢測的仿真分析

使用圖2的探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行渦流檢測，選擇幅值為30 A的正弦激勵(lì)信號，頻率為100 kHz，鋁板尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，螺旋線圈導(dǎo)線寬度為0.3 mm，線圈內(nèi)徑為6 mm、外徑為13 mm，圓柱型磁鐵直徑為5 mm，圓環(huán)型磁鐵內(nèi)徑為14 mm、外徑為24 mm，探頭的提離距離為0.5 mm，建立三維仿真模型，仿真結(jié)果如圖4所示。

如圖4(a)所示，試件表面無缺陷時(shí)，在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)渦流均勻分布，在線圈正下方附近渦流密度最大。當(dāng)試件中含有處于線圈下方的表面缺陷時(shí)，感應(yīng)的渦流會偏離以前的路徑，繞過缺陷并在缺陷邊緣處產(chǎn)生渦流集中現(xiàn)象，缺陷尖端電流值明顯高于周邊電流多個(gè)數(shù)量等級，如圖4(b)所示。

根據(jù)渦流檢測的工作過程，仍使用圖2所示的探頭結(jié)構(gòu)，采用頻域電磁場計(jì)算，計(jì)算時(shí)僅考慮激勵(lì)電流的基波分量，忽略其他諧波分量，在不同激勵(lì)頻率下對線圈等效阻抗進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻率對線圈等效阻抗的影響

當(dāng)探頭位于鋁板上方時(shí)，在一定范圍內(nèi)，檢測頻率越高，導(dǎo)體中的渦流強(qiáng)度越大，集膚效應(yīng)越明顯，對線圈的反作用也就越強(qiáng)，因此，等效電阻隨著頻率的增加而增大；等效電感隨著頻率的增加而減小。

2.2 復(fù)合探頭進(jìn)行電磁超聲檢測的仿真分析

采用圖2所示的探頭結(jié)構(gòu)對完好鋁板進(jìn)行電磁超聲二維有限元仿真，磁鐵剩余磁通密度設(shè)為1 T，激發(fā)信號頻率為1 MHz，其他條件和渦流檢測仿真相同，圖6為不同時(shí)刻超聲波位移分布云圖。

如圖6所示，在試件內(nèi)產(chǎn)生了沿試件厚度方向傳播的縱波(Longitudinal wave，L波)和橫波(Shear vertical wave，S波)，同時(shí)還產(chǎn)生了沿試件表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?Rayleigh wave，R波)。L波的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S波，率先到達(dá)底面并發(fā)生反射，部分聲波能量發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生縱波LL(縱波反射產(chǎn)生的縱波)和橫波LS(縱波轉(zhuǎn)換為橫波)。由體波在鋁板中的傳播過程，可看出縱波聲場能量更集中，且L波的指向性明顯優(yōu)于S波。圖7為無缺陷鋁板電磁超聲的接收電壓波形。

圖7 無缺陷試件電磁超聲接收電壓波形

由仿真結(jié)果可得，前兩個(gè)波包分別為L波和S波，其中S波的幅值很小，相應(yīng)的LS橫波信號的強(qiáng)度約為LL縱波的0.17％。由L波和LL波的時(shí)間差和鋁塊的厚度可計(jì)算出縱波的傳播速度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 縱波速度分析

由以上結(jié)果可得，本文設(shè)計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生縱波，削弱了波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，減小了干擾信號；仿真得到的縱波速度和理論速度吻合很好。

2.3 復(fù)合檢測仿真分析

建立如圖8所示的電磁超聲和渦流復(fù)合檢測的有限元模型。

圖8 復(fù)合檢測有限元模型

如圖8所示，當(dāng)試件同時(shí)存在表面缺陷和深層缺陷(表面缺陷2 mm×1 mm×0.2 mm，位于試件表面；裂紋缺陷10 mm×0.01 mm，裂紋缺陷距試件表面50 mm)時(shí)，對含缺陷試件進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 缺陷試件電磁超聲接收電壓波形

根據(jù)直達(dá)波L波和缺陷回波LL波的時(shí)間差及縱波的傳播速度，可定位得到試件內(nèi)部裂紋缺陷位置，見表2。

表2 縱波檢測內(nèi)部缺陷

由以上結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的探頭結(jié)構(gòu)在很大程度上抑制了波形轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的干擾波，使回波信號比較清晰；計(jì)算得到的缺陷位置與實(shí)際缺陷位置誤差很小，因此，該探頭能夠檢測試件內(nèi)部缺陷并對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

電磁超聲只檢出了內(nèi)部缺陷，表面的缺陷回波被初始波淹沒，無法提取表面缺陷的信息，出現(xiàn)了漏檢的情況。在超聲無損檢測中，將聲源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值點(diǎn)到換能器之間的距離稱為近場長度[18]，超過近場點(diǎn)的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)。近場區(qū)域反射回波會受到干涉影響，聲束能量比較復(fù)雜，不適合進(jìn)行缺陷檢測；在遠(yuǎn)場區(qū)中超聲的振幅隨著距離的增加單調(diào)遞減，是超聲檢測的主要區(qū)域。本文通過距離-波幅曲線(Distance Amplitude Curve，DAC)描述了缺陷反射回波幅值隨缺陷距離的變化關(guān)系，用于估算不同深度缺陷的當(dāng)量尺寸。

對于圖8所示的內(nèi)部缺陷，設(shè)置其埋深范圍為0.1～100 mm，分別對設(shè)置缺陷進(jìn)行仿真分析，缺陷的反射回波幅值隨缺陷深度的變化曲線如圖10所示。

圖10 回波信號隨缺陷埋深變化曲線

從圖10中可看出，隨著缺陷埋深的增加，縱波反射回波的幅值先減小再增大，然后隨著距離的增加單調(diào)遞減。在缺陷埋深20 mm處出現(xiàn)極大值。因此，本文設(shè)計(jì)的換能器的近場長度約為20 mm。當(dāng)缺陷埋深小于20 mm時(shí)，位于電磁超聲檢測的近場區(qū)域。圖8中鋁塊的表面缺陷位于該探頭的近場區(qū)，利用渦流來檢測表面缺陷。

圖11 探頭掃描時(shí)與缺陷的位置關(guān)系

由圖12可知，在探頭掃描過程中，線圈阻抗發(fā)生明顯變化，從圖12中線圈阻抗的變化過程可看出，探頭線圈位于缺陷正上方時(shí)，線圈的電阻和電抗變化最明顯。因此，可利用這一變化特性定位缺陷的位置(在探頭掃描過程中，當(dāng)檢測線圈阻抗變化最大時(shí)，此時(shí)線圈正下方即為缺陷位置)。

圖12 缺陷信號和參考信號阻抗差值隨探頭位移的變化

2.4 缺陷檢測特性

利用該探頭對試件表面不同深度的缺陷(缺陷長、寬分別為2 mm、0.2 mm)進(jìn)行仿真分析，圖13為缺陷深度對線圈等效阻抗的影響。

圖13 缺陷深度對線圈等效阻抗的影響

由圖13可知，隨著缺陷深度的增加，線圈的電阻和電抗近似線性變化，表面缺陷的存在導(dǎo)致線圈電感差值增大(即缺陷使得線圈的等效電感比無缺陷時(shí)大)，相應(yīng)的線圈等效電阻差值減小(即缺陷使得線圈的等效電阻比無缺陷時(shí)小)。由于渦流在試件厚度方向呈指數(shù)衰減，當(dāng)缺陷深度達(dá)到一定值時(shí)，探頭阻抗變化趨于平緩。此時(shí)，渦流檢測對缺陷深度不敏感。

分別對三種不同寬度表面裂紋進(jìn)行檢測，缺陷尺寸分別為2 mm×0.1 mm×1 mm、2 mm×0.2 mm× 1 mm和2 mm×0.3 mm×1 mm。考察渦流檢測接收到的線圈阻抗信號與參考阻抗進(jìn)行對比，檢測結(jié)果如圖14所示。

圖14 缺陷寬度對線圈阻抗的影響

在探頭掃描過程中，缺陷寬度越大，線圈阻抗差值變化越明顯。由圖13和圖14可以看出，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)頻率一定時(shí)，缺陷體積越大，對試件表面感應(yīng)渦流的影響越大，引起的線圈阻抗變化越明顯。

由以上電磁超聲和渦流檢測的仿真過程可以得到，該復(fù)合探頭結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了縱波在內(nèi)部缺陷定位中的可靠性，在內(nèi)部缺陷識別和定位中具有較好的檢測效果；在檢測表面缺陷時(shí)，通過分析線圈阻抗的變化可獲得表面缺陷信息，因此，本文設(shè)計(jì)的探頭可實(shí)現(xiàn)厚鋁塊表面缺陷和內(nèi)部缺陷的檢測。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)采用厚度為50 mm的金屬試件作為研究對象，利用距試件表面40 mm處的通孔來模擬金屬板塊的內(nèi)部缺陷。永磁鐵采用N52型釹鐵硼材料，螺旋線圈采用PCB工藝制作，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

完好鋁塊和含缺陷鋁塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。由圖16(a)可看出，縱波在到達(dá)底面時(shí)發(fā)生了波形轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了LL回波和LS回波。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得L直達(dá)波和LL底面回波之間的時(shí)間差為17.28 μs，圖16(b)中L波直達(dá)波與缺陷回波之間的時(shí)間差約為14.7 μs，通過計(jì)算得缺陷距試件表面約為42.53 mm，與實(shí)際缺陷的誤差約為5％。

利用渦流檢測試件表面缺陷，首先對完好試件進(jìn)行渦流檢測得到線圈的阻抗作為參考阻抗，再分別對試件表面存在0.5、1、1.5、2、3、4 mm六種不同深度的裂紋進(jìn)行檢測，測得線圈阻抗變化情況如圖17所示。

圖16 鋁板內(nèi)部缺陷檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)試件表面存在裂紋時(shí)，線圈阻抗發(fā)生改變，且在一定范圍內(nèi)隨裂紋深度的增加，線圈阻抗近似線性變化，據(jù)此可以檢測表面缺陷，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真分析一致。

圖17 線圈阻抗隨缺陷深度變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了能同時(shí)滿足電磁超聲檢測和渦流檢測的復(fù)合式探頭結(jié)構(gòu)，并對該探頭復(fù)合檢測的可行性進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。由仿真分析可得，該復(fù)合探頭實(shí)現(xiàn)了明顯的指向性縱波信號的激發(fā)、在缺陷邊緣出現(xiàn)渦流集中現(xiàn)象，在增強(qiáng)縱波信號和削弱波形轉(zhuǎn)化方面均有明顯提升。對含表面缺陷和內(nèi)部缺陷的厚鋁板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探頭可通過檢測線圈的阻抗變化檢測出表面缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部缺陷的檢測和定位。

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Research on electromagnetic ultrasonic/eddy current composite inspection technology for metal material defects

LIU Su-zhen1,2, MENG Xue-yan1,2, ZHANG Chuang1,2, JIN Liang3

(1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2. Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;3. Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Electromagnetic ultrasonic testing and eddy current testing are widely used in the detection of defects in metallic materials because of their obvious advantages in non-contact, fast detection speed, and low requirements on the specimen surface etc. However, there is a blind area near the surface in electromagnetic ultrasonic testing, and eddy current detection is not sensitive to the internal defects. In this paper, based on the combination of electromagnetic ultrasonic and eddy current testing, the structure of the composite probe is designed which can meet the requirements of both electromagnetic ultrasonic testing and eddy current testing. The finite element model of electromagnetic ultrasonic and eddy current testing is established, and different kinds of defects in metal specimen are tested. The simulation and experimental results show that the composite probe not only can detect the surface crack quickly, but also can stimulate the longitudinal wave with obvious directivity, weaken the interference wave generated by the waveform transformation to a certain extent, and realize the accurate positioning and recognition of the internal defects. It provides a basis for the application of electromagnetic ultrasonic and eddy current testing technology in the inspection of complex defects of plates.

electromagnetic ultrasonic longitudinal wave; detection coil impedance; echo signal; composite detection probe

TB559

A

1000-3630(2017)-06-0043-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.06.008

2017-07-28;

2017-11-05

國家自然科學(xué)基金(51777052)、河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016202260、E2017202055)和天津市自然科學(xué)基金(16 JCYBJC19000)資助項(xiàng)目。

劉素貞(1969－), 女, 河北大城人，博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)楣こ屉姶艌雠c磁技術(shù)等。

劉素貞, E-mail: szliu@hebut.edu.cn