高溫鋁合金電磁超聲檢測回波特性及因素分析

石文澤，陳巍巍，盧超, 2,*，程進(jìn)杰，陳堯

1. 南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063 2. 贛南師范大學(xué) 江西省數(shù)值模擬與仿真技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，贛州 341000 3. 中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

鋁合金是一種廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的關(guān)鍵金屬材料，主要用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和其他高強(qiáng)度抗腐蝕結(jié)構(gòu)件[1]。盤型鋁合金碾壓成型溫度或者鋁合金鑄件的鍛造溫度為360～500 ℃[2]。采用高溫?zé)o損檢測技術(shù)，直接對鍛造過程中的高溫鑄鍛件進(jìn)行缺陷檢測，有利于在制造初期發(fā)現(xiàn)、修復(fù)和抑制缺陷，及時剔除缺陷超標(biāo)殘次品，避免進(jìn)入下一步工序，造成巨大的人力等資源浪費(fèi)[3-4]。

在航空航天工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中，超聲檢測起著越來越重要的作用，目前已經(jīng)被應(yīng)用于大型薄鋁板的缺陷檢測[5]、鈦合金大厚度擴(kuò)散焊的可視化檢測[6]、新型復(fù)合材料的快速檢測[7]、金屬加筋板的蘭姆波健康監(jiān)測[8]。與常規(guī)壓電超聲相比，非接觸的電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)尤其適合高溫、快速、在線、表面有隔離層等惡劣檢測環(huán)境[9-11]。

實(shí)現(xiàn)高溫鋁合金鑄鍛件無損檢測的關(guān)鍵在于耐高溫EMAT探頭的設(shè)計(jì)。Cole[12]開發(fā)了水循環(huán)冷卻式表面波EMAT探頭，可以用于1 000 ℃高溫中碳鋼檢測。Lee和Ahn[13]在水循環(huán)冷卻的基礎(chǔ)上，在探頭前端設(shè)置Si3N4隔熱擋板，實(shí)現(xiàn)了800 ℃高溫檢測。Urayama等[14]不采用循環(huán)水冷卻，直接在探頭前端采用玻璃纖維板隔熱板，實(shí)現(xiàn)了300 ℃沸水反應(yīng)堆缺陷檢測。Hernandez和Dixon[15]則采用脈沖電磁鐵和陶瓷封裝銅線圈制作容易斷磁EMAT探頭，可以實(shí)現(xiàn)250 ℃高溫短時間檢測。Kogia等[9-10]設(shè)計(jì)了一種周期序列永磁體的SH波EMAT探頭，在無水冷和隔熱板的條件下，可以實(shí)現(xiàn)對180 ℃高溫太陽能吸收管的檢測；采用水冷和隔熱板，則可以實(shí)現(xiàn)600 ℃不銹鋼和碳鋼檢測。Lunn等[16]采用高居里溫度的永磁體、陶瓷片和不銹鋼外殼，設(shè)計(jì)了一種450 ℃高溫螺旋線圈EMAT探頭。

國內(nèi)學(xué)者主要側(cè)重于高溫金屬材料EMAT實(shí)驗(yàn)研究，但是關(guān)于高溫EMAT檢測的理論建模與高溫影響因素分析研究不足。徐鴻和王冰[17]研究了溫度對管道超聲導(dǎo)波相速度和群速度頻散特性的影響。劉會彬等[18]通過實(shí)驗(yàn)分析了溫度對304、316、TP347H三種奧氏體不銹鋼的超聲聲速和EMAT回波幅值的影響。邱佳明[19]開發(fā)了一套用于600 ℃高溫管道測厚的脈沖電磁鐵式EMAT檢測系統(tǒng)。Wu等[20]提出了一種改進(jìn)的考慮高溫超聲衰減的鋁合金中超聲傳播有限元模型和高溫鋁合金EMAT測試系統(tǒng)。Ren等[21]研究了溫度對EMAT在低碳鋼中的磁致伸縮效應(yīng)的影響。魏東等[22]采用EMAT實(shí)現(xiàn)了對超聲傳播路徑上溫度非均勻分布狀態(tài)的測量。

在分析EMAT檢測回波特性時，需要考慮溫度對EMAT激勵電路的功率分配特性的影響。以EMAT激勵電路為例，通常包括恒壓或恒定視在功率的脈沖功率放大器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和EMAT線圈等效阻抗。由于EMAT線圈導(dǎo)線以及線圈附近的銅背板和待測試樣的電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率等參數(shù)隨著溫度的變化而改變，導(dǎo)致EMAT線圈阻抗特性也會發(fā)生改變，通過EMAT的激勵電流的幅值和波形均會產(chǎn)生相應(yīng)的變化[23]。另外，由于溫度對待測金屬材料彈性模量、泊松比、密度、聲子黏滯性和熱彈性松弛等因素的影響，超聲波在較厚的鋁合金試樣傳播過程中的擴(kuò)散衰減系數(shù)αs、介質(zhì)衰減系數(shù)αm也將受到溫度的影響[24-25]。由此可見，溫度對EMAT檢測回波的影響需要從EMAT線圈阻抗特性、EMAT激勵/接收電路的功率分配特性、EMAT激勵/接收效率、高溫金屬材料中超聲傳播特性等整體體系加以研究。

然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)通常依賴于已有高溫測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對高溫金屬材料的EMAT檢測回波特性及影響因素的分析。由于各種金屬材料EMAT檢測相關(guān)的理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不完備，特別是針對高溫金屬材料的EMAT換能機(jī)理的理論研究有待進(jìn)一步深入，導(dǎo)致高溫檢測過程中的超聲回波特性和影響因素及其變化規(guī)律不明確，致使對不同溫度下的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確地定量/定位分析困難，極大地限制了EMAT在不同金屬材料高溫檢測中的廣泛應(yīng)用。

為此，以鋁合金為研究對象，綜合考慮溫度對EMAT線圈阻抗特性、EMAT激勵/接收電路的功率分配特性、EMAT激勵/接收效率、金屬材料中超聲傳播特性的影響，建立了高溫鋁合金螺旋線圈EMAT檢測過程的場路耦合有限元模型，結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)，分析了高溫鋁合金的電磁超聲回波特性和影響因素及其變化規(guī)律。

1 高溫鋁合金EMAT檢測過程有限元建模

1.1 螺旋線圈EMAT換能機(jī)理和控制方程

基于洛倫茲力的螺旋線圈EMAT的換能機(jī)理示意圖如圖1所示。當(dāng)螺旋線圈通以大功率射頻電流ie時，將在鋁合金表層形成瞬態(tài)電渦流Jiθ。電渦流在永磁體提供的偏置磁場Bs和線圈自激形成的動態(tài)磁場Bd的共同作用下，分別形成洛倫茲力fLs和fLd。鋁合金表面質(zhì)點(diǎn)在洛倫茲力的作用下，可以形成超聲波，并沿厚度方向進(jìn)行傳播。螺旋線圈EMAT的接收過程為其激勵過程的逆過程。螺旋線圈EMAT檢測過程相關(guān)的控制方程和建模方法見文獻(xiàn)[26-29]。

圖1 螺旋線圈EMAT洛倫茲力換能機(jī)理Fig.1 Conversion mechanism of spiral coil EMAT based on Lorentz forces

1.2 EMAT激勵/接收等效電路模型

(1)

由圖2(b)可知，EMAT接收等效電路模型主要由前置放大器輸入阻抗Rp、阻抗匹配電路和接收EMAT線圈等效阻抗組成。接收EMAT線圈可以簡化成內(nèi)阻為Zc=Rc+jXc、開路感生電壓為Vin的電壓源。LC阻抗匹配電路用于將接收EMAT線圈作為“天線”所獲取的功率最大程度地轉(zhuǎn)移至前置放大器的輸入阻抗。若用G表示前置放大器的輸入電壓Uout與接收EMAT的開路感生電壓Vin之比，并作為EMAT接收電路的輸出增益[31]：

(2)

圖2 EMAT激勵/接收等效電路模型[30-31]Fig.2 Excitating and receiving equivalent circuit model of EMAT[30-31]

1.3 高溫EMAT檢測過程場路耦合建模方法

高溫鋁合金EMAT檢測過程的場路耦合有限元模型組成框圖如圖3所示。由圖3可知，EMAT檢測過程的場路耦合有限元模型由EMAT激勵/接收等效電路、EMAT激勵/接收過程有限元模型、超聲波在鋁合金中傳播有限元模型五部分組成。EMAT激勵過程有限元模型用于求解當(dāng)通以激勵電流時，激勵EMAT在金屬試樣表層產(chǎn)生的洛倫茲力的大小及其分布，而EMAT接收過程有限元模型則用于求解當(dāng)超聲波引起金屬試樣表層質(zhì)點(diǎn)振動時，接收EMAT所能獲取的開路感生電壓。

EMAT線圈的等效阻抗Rc+jXc可以通過有限元模型計(jì)算或者阻抗分析儀測量。通過式(1)可以求出恒定脈沖功率源條件下的激勵電流Ie，將Ie代入EMAT激勵過程有限元模型，可以求出試樣表層的洛倫茲力分布。通過EMAT接收過程有限元模型，可以求出接收EMAT線圈的開路感生電壓Vin，將Rc+jXc和Vin代入式(2)， 即可以求出前置放大器的輸入電壓Uout。

圖3 基于場路耦合分析的高溫EMAT檢測過程有限元模型組成框圖Fig.3 Composition block diagram for finite element model of high-temperature EMAT testing process based on field-circuit coupling analysis

與常溫EMAT檢測過程有限元模型相比，高溫EMAT檢測還需要考慮以下問題：① 由于溫度影響EMAT線圈、待測試樣等線圈附近金屬材料的電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率，因此不同溫度下的EMAT線圈阻抗不同，導(dǎo)致EMAT激勵/接收電路的功率分配特性發(fā)生改變；② 溫度改變了待測試樣的電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率，導(dǎo)致高溫時EMAT的激勵/接收換能效率不同；③ 待測金屬材料的彈性模量、泊松比、密度和超聲衰減系數(shù)隨著溫度的變化而變化，導(dǎo)致在洛倫茲力一定的條件下，超聲波的回波幅值、衰減特性和飛行時間也會發(fā)生改變。由此可見，只有采用場路耦合分析方法，才能從理論分析和數(shù)值計(jì)算的角度，準(zhǔn)確地分析高溫鋁合金電磁超聲檢測回波特性及影響因素。

1.4 高溫鋁合金EMAT檢測過程有限元建模

圖4為二維軸對稱的螺旋線圈EMAT有限元模型。如圖4所示，在空氣域外增加無限元域，以消除有限空氣域?qū)Υ艌鲇?jì)算精度的影響。對銅背板的下表面、線圈域和待測試樣上表面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，以提高電渦流計(jì)算的準(zhǔn)確性。銅背板用于避免激勵線圈在永磁體中產(chǎn)生超聲波，防止其對接收到的鋁合金傳播的超聲波信號產(chǎn)生干擾。螺旋線圈EMAT設(shè)計(jì)參數(shù)及其取值如表1所示。

圖4 螺旋線圈EMAT有限元模型Fig.4 Finite element model of spiral coil EMAT

表1 螺旋線圈EMAT設(shè)計(jì)參數(shù)及其取值Table 1 Design parameters of spiral coil EMAT

在本文所設(shè)計(jì)的高溫鋁合金厚板持續(xù)檢測EMAT探頭中，最高工作溫度約為300 ℃的杉鈷永磁體與高溫鋁合金試樣的距離為5 mm，并采用水循環(huán)系統(tǒng)對永磁體進(jìn)行冷卻，因此可以忽略溫度對永磁體電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。永磁體的電導(dǎo)率為7.14×105S/m，相對磁導(dǎo)率為1.04，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.24 T。鋁合金為順磁性材料，銀線和銅背板均為反磁性材料，三者相對磁導(dǎo)率均近似為1。由于溫度對鋁合金、銀線和銅背板的磁導(dǎo)率影響較小，將忽略溫度對上述三者磁導(dǎo)率的影響。所研制的高溫EMAT探頭采用陶瓷層銀線繞制的螺旋線圈，可以在無水冷的條件下承受持續(xù)550 ℃高溫，在實(shí)際檢測中，與高溫鋁合金直接接觸，因此需要考慮溫度對鋁合金、銀線和銅背板的電導(dǎo)率的影響。

在高溫檢測過程中，溫度T對螺旋線圈所用銀線、銅背板和鋁試樣的電導(dǎo)率，以及鋁合金試樣的彈性模量均產(chǎn)生影響。不同溫度對應(yīng)的金屬電導(dǎo)率和彈性模量如表2所示[33-34]。由于部分溫度對應(yīng)的參數(shù)在文獻(xiàn)中尚未給出，可以通過相鄰溫度點(diǎn)間線性插值獲取。

表2 不同溫度下的材料特性參數(shù)[33-34]

由表2可知，銀、銅和鋁三種金屬的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低。溫度對鋁合金試樣的彈性模量、泊松比和密度均產(chǎn)生影響，其中對彈性模量的影響最大。本文中鋁合金密度和泊松比分別設(shè)置為2.83 kg/m3、0.33。

2 高溫鋁合金EMAT檢測回波影響因素分析

2.1 溫度對EMAT激勵效率的影響

當(dāng)激勵電流幅值不變，考慮溫度對鋁合金、螺旋線圈銀導(dǎo)線和銅背板的電導(dǎo)率的影響，得到20 ℃時螺旋線圈EMAT在鋁合金中激勵的橫波傳播瞬態(tài)云圖、電渦流和偏置磁場如圖5所示，其中超聲激勵/接收區(qū)域和加載區(qū)域與螺旋線圈半徑相同。

取超聲波的r向位移和z向位移關(guān)于激勵/接收區(qū)域(如圖5所示)的線積分值進(jìn)行分析，得到20 ℃對應(yīng)的超聲波位移曲線如圖6所示。由圖6可知，縱波主要以軸向位移為主，而橫波則以徑向位移為主。

由于鋁合金在不同溫度時對應(yīng)的電導(dǎo)率不同，其對應(yīng)的集膚深度也不同，因此不能僅用鋁合金試樣表面的洛倫茲力來反映EMAT的激勵效率。取圖6中波包“a”和波包“b”的幅值分別代表橫波和縱波的幅值，且不考慮溫度對鋁合金試樣彈性模量的影響，不同溫度對應(yīng)的橫波和縱波幅值如圖7所示。由圖7可知，溫度對螺旋線圈EMAT產(chǎn)生橫波和縱波的激勵效率的影響不大。

圖5 鋁合金螺旋線圈EMAT有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Finite element analysis of spiral coil EMAT with aluminum alloy

圖6 T=20 ℃時對應(yīng)的超聲波Fig.6 Ultrasonic waves at 20 ℃

圖7 不同溫度下對應(yīng)的超聲波幅值Fig.7 Amplitudes of ulrasonic waves at different temperature

2.2 溫度對EMAT接收效率的影響

在圖5所示的激勵/接收區(qū)域施加線力載荷，假定瞬態(tài)徑向線力載荷Fr和軸向線力載荷Fz的幅值之比為4∶1，表達(dá)式分別為

Fr=

(3)

Fz=

(4)

式中：ω=2πf。

考慮溫度對鋁合金、螺旋線圈銀導(dǎo)線和銅背板的電導(dǎo)率的影響，得到20 ℃對應(yīng)的開路感生電壓信號如圖8所示。取圖8中橫波和縱波對應(yīng)的電壓幅值，得到不同溫度下的橫波和縱波對應(yīng)的開路感生電壓幅值如圖9所示。由圖9可知，溫度對螺旋線圈EMAT的接收效率影響不大。

圖8 T=20 ℃時對應(yīng)的開路感生電壓信號Fig.8 Open-circuit induced voltage signal at 20 ℃

圖9 不同溫度下超聲波對應(yīng)的開路感生電壓幅值Fig.9 Amplitudes of open-circuit induced voltages of ulrasonic waves at different temperature

2.3 溫度對EMAT激勵/接收電路功率分配的影響

將螺旋線圈EMAT激勵過程有限元模型中涉及脈沖電渦流計(jì)算部分由瞬態(tài)求解改為頻域求解，即可計(jì)算EMAT線圈等效阻抗?？紤]溫度對鋁合金試樣、螺旋線圈銀導(dǎo)線和銅背板的電導(dǎo)率的影響，不同溫度下，EMAT線圈等效阻抗如表3所示。由表3可知，EMAT線圈等效阻抗的實(shí)部和虛部隨著溫度升高而增大。當(dāng)溫度由20 ℃升高為500 ℃，EMAT線圈阻抗的實(shí)部和虛部分別增加66.1%和26.1%，即溫度對EMAT線圈阻抗實(shí)部的影響更顯著。

表3 不同溫度下的EMAT線圈等效阻抗

當(dāng)EMAT激勵等效電路中的脈沖功率源的輸出阻抗為50 Ω，根據(jù)共軛匹配原理，LC阻抗匹配電路中的一組jXa和jXb分別對應(yīng)為電容15.9 nF 和電感0.7 μH。若溫度超過20 ℃時仍采用20 ℃時EMAT線圈阻抗對應(yīng)的阻抗匹配參數(shù)，且當(dāng)脈沖功率放大器的最大輸出功率為5 kW，不同溫度對應(yīng)的激勵電流Ie如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)溫度由20 ℃升高為500 ℃，激勵電流幅值下降30.6%，相位角由82.0°增加為92.8°。

若溫度超過20 ℃時仍采用20 ℃時EMAT線圈阻抗對應(yīng)的阻抗匹配參數(shù)，當(dāng)EMAT接收電路中前置放大器的輸入阻抗為50 Ω，不同溫度對應(yīng)的EMAT接收等效電路的輸出增益G如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)溫度由20 ℃增加為500 ℃，輸出增益幅值下降28.3%，相位角由81.9° 增加為96.4°。

將不同溫度對應(yīng)的激勵電流代入EMAT激勵過程有限元模型中，得到不同溫度對應(yīng)的橫波幅值如圖12所示。在EMAT接收過程有限元計(jì)算得到開路感生電壓基礎(chǔ)上，計(jì)入不同溫度對應(yīng)的輸出增益，得到不同溫度對應(yīng)的前置放大器的輸入電壓Uout如圖12所示。

圖10 不同溫度時EMAT激勵電路中的激勵電流Fig.10 Excitation currents from EMAT excitation circuit at different temperature

圖11 不同溫度時的EMAT接收電路的輸出增益Fig.11 Output gain from EMAT receiving circuit at various temperature

圖12 溫度對前置放大器輸入電壓和橫波幅值的影響Fig.12 Effect of temperature on input voltage from pre-amplifier and amplitude of shear wave

由圖12可知，前置放大器的輸入電壓和所激勵橫波位移幅值隨著溫度的增加而減小。這是因?yàn)闇囟葘?dǎo)致EMAT線圈的阻抗增大，從而導(dǎo)致EMAT激勵電路的激勵電流和EMAT接收電路的輸出增益同時減小，而溫度對EMAT激勵/接收效率影響不顯著。當(dāng)溫度由20 ℃上升為500 ℃時，橫波幅值下降32%，前置放大器的輸入電壓下降30%。

2.4 溫度對聲壓分布和擴(kuò)散衰減系數(shù)的影響

在圖5所示的加載區(qū)域施加幅值為1的徑向位移，并進(jìn)行頻域聲場仿真，其中鋁合金試樣厚度為150 mm?？紤]溫度對鋁合金彈性模量的影響，得到1 MHz時橫波在鋁合金中的聲壓分布如圖13所示。由圖13可知：隨著溫度的增加，橫波

圖13 不同溫度時的鋁合金中橫波聲壓分布Fig.13 Sound pressure distribution of shear wave in aluminum alloy at various temperature

聲束的發(fā)散角β逐漸減小，近聲場長度N逐漸增加。溫度越高，超聲聲束指向性越好，即波前變窄，但是遠(yuǎn)場區(qū)和近聲場區(qū)聲壓卻隨著溫度增加而減小。

在圖5所示的加載區(qū)域分別施加幅值均為1的徑向線力載荷Fr和軸向線力載荷Fz，其中鋁合金試樣厚度為150 mm，考慮溫度對鋁合金彈性模量的影響，得到不同溫度下的超聲回波如圖14所示。由圖14可知，橫波和縱波的一、二次底波到達(dá)時間隨著溫度的增加而推遲，而且回波的波包寬度隨著溫度的增加而增加。

圖14 不同溫度下的超聲回波信號Fig.14 Ultrasonic echo signals at different temperature

圖15 溫度對超聲波幅值和擴(kuò)散衰減系數(shù)的影響Fig.15 Effect of temperature on amplitude of ultrasonic waves and diffusion attenuation coefficient

2.5 溫度對超聲波介質(zhì)衰減系數(shù)和聲速的影響

造成超聲波在高溫鋁合金厚板中底波幅值依次減小的原因主要為介質(zhì)衰減、擴(kuò)散衰減和反射衰減，其中反射衰減約為0.5～1 dB，可以忽略其影響。在薄板工件中，造成多次底波下降的主要為介質(zhì)衰減。為了測定高溫鋁合金的介質(zhì)衰減系數(shù)，制作了一種小型耐高溫EMAT探頭，探頭尺寸如圖16(a)所示。EMAT探頭的偏置磁場由6對釤鈷永磁體提供，跑道線圈由陶瓷層鎳包銅導(dǎo)線繞制而成，可以在300 ℃高溫環(huán)境中持續(xù)工作。當(dāng)鋁合金薄板溫度為500 ℃時，對應(yīng)的超聲回波如圖16(b)所示，其中激勵頻率為1 MHz，周期數(shù)為5。

圖16 高溫鋁合金薄板介質(zhì)衰減系數(shù)測試裝置及實(shí)測超聲信號Fig.16 Testing device for medium attenuation coefficient of aluminum alloy sheet with high temperature and measured ultrasonic signals

圖17 高溫鋁合薄板的介質(zhì)衰減系數(shù)和超聲聲速Fig.17 Medium attenuation coefficient and ultrasonic velocity of thin aluminum alloy plate at various temperature

3 高溫鋁合金厚板EMAT實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 耐高溫EMAT探頭及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高溫鋁合金厚板電磁超聲檢測系統(tǒng)如圖18所示。圖18(a)為檢測系統(tǒng)框圖，主要由鋁合金厚板、阻抗匹配器、Retic RPR-4000脈沖發(fā)射接收儀、數(shù)據(jù)采集卡NET8544、LabVIEW軟件界面和耐高溫EMAT探頭等組成。圖18(b)為耐高溫EMAT探頭和7050鋁合金厚板實(shí)物圖，鋁合金厚板所采用的材料與圖16中的鋁合金薄板相同，鋁合金厚板的尺寸為長220 mm×寬210 mm×高150 mm。該高溫EMAT探頭優(yōu)點(diǎn)如下：采用自制的陶瓷層銀線繞制螺旋線圈，可以在無水冷的條件下承受持續(xù)550 ℃高溫，可以與高溫金屬材料直接接觸，具有低提離耐高溫能力，能有效提

圖18 高溫鋁合金厚板電磁超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.18 Experimental system of EMAT tested on thick aluminum alloy plate at high temperature

高信噪比；采用水循環(huán)系統(tǒng)對永磁體進(jìn)行冷卻，可以實(shí)現(xiàn)500 ℃高溫環(huán)境中持續(xù)檢測(>6 h)，適用于高溫鋁合金持續(xù)探傷。

3.2 高溫鋁合金厚板EMAT檢測回波

鋁合金厚板在不同溫度時對應(yīng)的超聲回波和橫波一次底波幅值如圖19所示，其中正弦脈沖串的持續(xù)時間為10 μs，激勵頻率為1 MHz。由圖19(a)可知：當(dāng)溫度由20 ℃升至500 ℃，橫波一次底波的到達(dá)時間由104.1 μs增加為114.4 μs，橫波一次底波幅值由152 mV下降為101 mV。當(dāng)鋁合金厚板溫度為500 ℃時，一次底波對應(yīng)的信噪比約為40 dB。由圖19(b)可知，橫波一次底波幅值隨著溫度升高表現(xiàn)為逐步減小的趨勢。

圖19 高溫鋁合金厚板的實(shí)驗(yàn)超聲回波信號Fig.19 Experimantal ultrasonic echo signal from thick aluminum alloy plate at high temperature

圖20 不同溫度時鋁合金厚板超聲回波的影響因素Fig.20 Factors affecting amplitude of ultrasonic echo in thick aluminum alloy plate at various temperature

3.3 高溫EMAT檢測回波影響因素貢獻(xiàn)分析

不同溫度下的EMAT激勵電路的激勵電流、接收電路的輸出增益、激勵/接收效率、圖19中實(shí)測橫波一次底波幅值B1、擴(kuò)散衰減引起的兩次底波幅值dB差βs、介質(zhì)衰減引起的兩次底波幅值dB差βm和等洛倫茲力所激發(fā)的超聲波幅值如圖20所示。其中，擴(kuò)散衰減dB差βs和介質(zhì)衰減dB差βm分別為

βs=2(αs20 ℃-αsTi)x

(5)

βm=2(αm20 ℃-αmTi)x

(6)

式中：αs20 ℃、αm20 ℃為20 ℃時的擴(kuò)散衰減系數(shù)和介質(zhì)衰減系數(shù)；αsTi、αmTi為溫度為Ti時的擴(kuò)散衰減系數(shù)和介質(zhì)衰減系數(shù)。

與20 ℃相比，500 ℃時的橫波一次底波幅值約下降3.6 dB，各個影響因素對高溫鋁合金EMAT檢測回波幅值的貢獻(xiàn)如表4所示。造成橫波一次底波減小的原因有：①EMAT線圈阻抗隨著溫度增加而增大，導(dǎo)致激勵電路的激勵電流減小；②高溫時，由于EMAT線圈阻抗增大，導(dǎo)致接收電路的輸出增益減小；③高溫時鋁合金超聲介質(zhì)衰減系數(shù)增大；④高溫時鋁合金中超聲擴(kuò)散衰減系數(shù)增大。造成一次底波增加的原因?yàn)椋弘S著溫度的增加，鋁合金彈性模量減小，致使等洛倫茲力條件下所激勵的橫波幅值增大。

表4 500 ℃高溫鋁合金厚板超聲回波幅值影響因素貢獻(xiàn)

按照造成高溫鋁合金EMAT檢測回波下降的貢獻(xiàn)大小排序?yàn)椋焊邷亟橘|(zhì)衰減>激勵電流>輸出增益>高溫擴(kuò)散衰減>EMAT激勵/接收換能效率。由于高溫介質(zhì)衰減系數(shù)對超聲回波的影響大于由于高溫時彈性模量減小而促使超聲波幅值增加這一影響因素，因此超聲回波直接表現(xiàn)為下降趨勢。

4 結(jié) 論

1) 對于以洛倫茲力為主要換能機(jī)理的EMAT，溫度對EMAT的激勵/接收效率影響不大，造成高溫時超聲回波幅值下降的主要原因是超聲波介質(zhì)衰減特性隨著溫度的升高而加劇，其次為高溫時EMAT激勵/接收電路的功率分配特性的改變。

2) 螺旋線圈EMAT在高溫鋁合金中的輻射聲場的半擴(kuò)散角隨著溫度的增加而減小，有抑制聲束擴(kuò)散的作用，但是在恒定位移源激勵時的輻射聲場的聲壓隨著溫度的增加而減小，而且溫度對輻射聲壓的影響起主要作用，因此鋁合金中橫波擴(kuò)散衰減系數(shù)隨著溫度增加而增大。另外，在洛倫茲力密度一定的條件下，由于高溫時鋁合金的彈性模量減小，其所激勵的超聲波幅值隨著溫度的增加而增加。

3) 由于組成EMAT探頭中待測試樣、線圈導(dǎo)線和銅背板的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而減小，導(dǎo)致EMAT線圈等效阻抗隨著溫度的升高而變大，致使EMAT激勵和接收等效電路的功率分配特性發(fā)生改變。若采用銅導(dǎo)線作為EMAT線圈，在高溫檢測時，銅導(dǎo)線表面會急劇氧化、絕緣層高壓擊穿，會導(dǎo)致線圈等效阻抗急劇增加，致使激勵電流和輸出增益急劇減小，從而使高溫電磁超聲回信的信噪比降低。因此對于耐高溫EMAT的線圈，應(yīng)該選擇電導(dǎo)率不隨溫度急劇變化的金屬導(dǎo)線或者抗氧化性能比較強(qiáng)的金屬導(dǎo)線以及高溫絕緣效果較好的電磁線。

4) 采用耐高溫陶瓷層銀線作為EMAT線圈，可以在500 ℃高溫環(huán)境中持續(xù)工作，并能夠減小探頭的提離距離。另外，采用水循環(huán)冷卻永磁體，能夠在高溫條件下保持較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。上述兩個方案能夠提高信噪比，有利于提高缺陷檢測靈敏度。后期有必要驗(yàn)證EMAT探頭在高溫鋁合金中的缺陷檢測能力，并建立溫度對檢測回波延遲時間和幅值的修正曲線，實(shí)現(xiàn)不同溫度下鋁合金缺陷定量/定位補(bǔ)償。