面向高溫的PE-EMAT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)有限元分析與優(yōu)化*

李 偉， 吳運(yùn)新， 龔 海， 韓 雷， 楊鍵剛

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引 言

電磁超聲換能器[1～9]由于其獨(dú)有特性，使其有望成為一種可面向高溫、被測(cè)物表面粗糙等極端環(huán)境下的無(wú)損檢測(cè)方法[10]。近年來(lái)，電磁超聲換能器發(fā)展?jié)撃芪絹?lái)越多研究者開始對(duì)其進(jìn)行探索及挖掘。Baillie I等人[11]采取激光—電磁超聲混合檢測(cè)的方法，利用激光發(fā)射器在待測(cè)試樣表面產(chǎn)生超聲，在另外一側(cè)用EMAT探頭接收超聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高溫下的鋼板缺陷檢測(cè)。Burows S E等人[12]為了實(shí)現(xiàn)高溫下電磁超聲的測(cè)厚，設(shè)計(jì)了一種自帶水冷卻循環(huán)系統(tǒng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了高溫條件下的碳鋼厚度檢測(cè)。Hernandez-Valle F等人[13]為解決永磁鐵在高溫下永久退磁的問(wèn)題，將勵(lì)磁線圈繞置于耐高溫陶瓷骨架上，制成脈沖電磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，在不使用水冷循環(huán)的條件下實(shí)現(xiàn)了600 ℃高溫環(huán)境下的在線厚度檢測(cè)，但溫度從20 ℃升至250 ℃時(shí)，超聲回波強(qiáng)度下降50 %。王淑娟等人[14]為優(yōu)化EMAT表面波換能器性能，對(duì)傳感器進(jìn)行三維有限元建模，并對(duì)換能線圈及永磁體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終有效提高了電磁超聲信號(hào)幅值。孫斐然等人[15]通過(guò)建立較為完整的電磁超聲耦合方程，分析不同傳感器參數(shù)對(duì)換能效率的影響，為其他電磁超聲換能器的優(yōu)化和模型完善提供了參考。Petcher P A等人[16]設(shè)計(jì)了可用于火車軌道無(wú)損檢測(cè)的電磁超聲傳感器，由于無(wú)需和車軌直接接觸，可將傳感器安裝在檢測(cè)機(jī)車上進(jìn)行車軌缺陷在線掃查。

然而，永磁鐵作為電磁超聲換能器關(guān)鍵組成部分，使換能器對(duì)鐵磁性材料檢測(cè)時(shí)極難移動(dòng)，尤其面向高溫環(huán)境時(shí)極為不利，目前業(yè)內(nèi)針對(duì)這一弊端的改善研究較少[17]。因此，本文建立嵌入脈沖電磁鐵的電磁超聲換能器(PE-EMAT)有限元模型，通過(guò)模擬PE-EMAT檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，構(gòu)建可取代永磁鐵的脈沖電磁鐵。同時(shí)，為使PE-EMAT面向高溫環(huán)境，通過(guò)建立傳感器內(nèi)部流體傳熱模型，揭示其內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)相互作用，構(gòu)造最優(yōu)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。最后結(jié)合優(yōu)化后的脈沖電磁鐵和水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，搭建可適用于高溫(400 ℃)的脈沖電磁鐵嵌入式電磁超聲換能器(PE-EMAT)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。

1 PE-EMAT系統(tǒng)有限元模型

1.1 物理模型及參數(shù)定義

傳統(tǒng)EMAT主要由三部分組成：永磁鐵、激發(fā)/接收線圈、被測(cè)材料。其換能過(guò)程如圖1左側(cè)所示，永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，激勵(lì)線圈通過(guò)脈沖電流在被測(cè)材料樣品趨膚層內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦電流，外加磁場(chǎng)與趨膚層內(nèi)感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，當(dāng)頻率高于一定值時(shí)形成超聲波在材料內(nèi)部或表面?zhèn)鞑ァＳ捎谟来盆F在面對(duì)鐵磁性材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大吸力，使其移動(dòng)極為不便。因此，本文設(shè)計(jì)脈沖電磁鐵替代永磁鐵，構(gòu)建改進(jìn)后的EMAT系統(tǒng)，即PE-EMAT檢測(cè)系統(tǒng)，其原理如圖1右部所示，為產(chǎn)生超聲橫波，選擇了垂直方向磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位的E型電磁鐵。PE-EMAT除磁場(chǎng)由脈沖電磁鐵提供之外，其他過(guò)程與EMAT換能過(guò)程相同。

圖1 電磁超聲換能過(guò)程機(jī)理示意

PE-EMAT無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)偏置磁場(chǎng)由脈沖電磁鐵提供，磁場(chǎng)大小和方向影響著檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度及形式。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)室永磁鐵EMAT檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度，參考其使用的釤鈷(SmCo)永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度，其在試樣表面的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.18～0.20 T，取電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度目標(biāo)為B=0.20 T。參考直流電磁鐵計(jì)算經(jīng)典公式[18]

(1)

式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，φ為磁通量，S為截面積，IW為安匝數(shù)，l為磁路長(zhǎng)度，μ為導(dǎo)磁系數(shù)。計(jì)算得到總安匝數(shù)為6 200安匝，其中，硅鋼片采用EI84型標(biāo)準(zhǔn)硅鋼片組成磁芯，磁芯厚度為55 mm，勵(lì)磁線圈采用直徑為0.68 mm的耐高溫漆包線(耐受溫度180 ℃)，繞制厚度為18 mm，繞制高度為36 mm。設(shè)置鋁合金試樣尺寸為180 mm×60 mm，EMAT換能線圈直徑為0.3 mm，匝數(shù)45匝，線圈間距為0.15 mm。為計(jì)算脈沖電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)渦電流強(qiáng)度、PE-EMAT系統(tǒng)其他關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換能效率的影響，同時(shí)根據(jù)其對(duì)稱性，建立二維物理模型如圖2所示。

圖2 PE-EMAT系統(tǒng)二維物理模型

1.2 PE-EMAT系統(tǒng)換能有限元模型

為研究脈沖電磁鐵磁場(chǎng)及渦流強(qiáng)度分布，使用軟件Comsol Multiphysic多物理場(chǎng)有限元軟件模擬脈沖電磁鐵磁場(chǎng)分布以及感生渦流大小。仿真計(jì)算中，以磁感應(yīng)強(qiáng)度反映電磁鐵性能，以趨膚層感生渦流大小反映換能線圈激發(fā)的超聲波強(qiáng)度。為提高計(jì)算效率同時(shí)考慮計(jì)算精度，空氣域的面積設(shè)置為電磁鐵有效面積的8倍，磁芯及勵(lì)磁線圈尺寸等參數(shù)按計(jì)算所得進(jìn)行設(shè)置。為提高模型準(zhǔn)確性，分別對(duì)硅鋼片、勵(lì)磁線圈、換能線圈、試樣進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，總體模型及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為63 698個(gè)。

1.3 PE-EMAT系統(tǒng)流體傳熱有限元模型

為使PE-EMAT系統(tǒng)可以在高溫環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，構(gòu)造水冷循環(huán)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻。為達(dá)到最優(yōu)的冷卻效果，根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本文建立流體傳熱有限元模型對(duì)水冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體傳熱的影響，以便設(shè)計(jì)最優(yōu)的水冷循環(huán)系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 PE-EMAT水冷循環(huán)系統(tǒng)示意

脈沖電磁鐵嵌入鑄鋁外殼內(nèi)部固定，換能線圈通過(guò)耐高溫陶瓷粉末埋置于鋁殼底部，冷卻水從進(jìn)水口進(jìn)入傳感器對(duì)脈沖電磁鐵進(jìn)行冷卻。同樣使用軟件Comsol Multiphysic進(jìn)行流體及傳熱耦合模擬。其中，鋁殼、脈沖電磁鐵為固體傳熱，水為液體傳熱，入口水溫為25 ℃，試樣溫度為400 ℃。設(shè)置試樣與鋁殼接觸面為邊界層，邊界層數(shù)為8，拉伸因子為1.2，厚度調(diào)節(jié)因子為1。同時(shí)，為研究勵(lì)磁線圈及硅鋼片溫度分布，對(duì)勵(lì)磁線圈及硅鋼片進(jìn)行三角形網(wǎng)格細(xì)化，最終得到模型網(wǎng)格總數(shù)為4 878個(gè)。

2 系統(tǒng)優(yōu)化仿真

2.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化仿真

電磁鐵為換能器提供偏置磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與感生渦流強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，提高電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度有利于提高感生渦流強(qiáng)度，從而提高檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。采用市售EI84型硅鋼片，硅鋼片形狀為適應(yīng)大多數(shù)電磁鐵使用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，并未對(duì)提高中部磁芯垂直方向磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)型硅鋼片電磁鐵磁場(chǎng)某些位置出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)于集中情況。因此，通過(guò)對(duì)硅鋼片外型進(jìn)行優(yōu)化，改善磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，可提高中部磁芯垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高PE-EMAT檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和缺陷檢測(cè)能力。

根據(jù)電磁鐵磁感線分布規(guī)律，分別考慮在硅鋼片中部磁芯、內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處添加倒角或圓角，使磁感線分布更均勻，提高換能線圈位置磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖4(a)、圖4(b)所示，對(duì)硅鋼片中部磁芯位置分別添加倒角和圓角后比較磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果顯示同樣尺寸下，倒角的改善效果更為明顯。為探究最佳倒角尺寸，改變倒角大小進(jìn)行研究。如圖4(b)所示，隨著倒角變大，電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值位置向電磁鐵對(duì)稱中心移動(dòng)，換能線圈所在位置(-10～10 mm)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度先增加后減小。在倒角為5.5 mm時(shí)，垂直方向的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大。

分別對(duì)硅鋼片內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角位置添加倒角及圓角后進(jìn)行比較，如圖4(c)、圖4(d)所示，結(jié)果顯示圓角的改善效果更佳。為得到轉(zhuǎn)角位置圓角大小對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，改變圓角大小，得到換能線圈所在位置的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖4(d)。隨著圓角變大，換能線圈位置的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度升高，但由于勵(lì)磁線圈骨架限制，圓角最大值為8 mm。

圖4 不同形狀參數(shù)對(duì)換能線圈位置磁感應(yīng)強(qiáng)度影響

綜上得到硅鋼片最終形狀如圖5(a)所示，優(yōu)化前后磁感應(yīng)強(qiáng)度比較如圖5(b)所示。優(yōu)化前換能線圈垂直方向平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.20 T，優(yōu)化后為0.23 T。因此，通過(guò)形狀優(yōu)化，PE-EMAT換能線圈位置的垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度可提高15 %。

圖5 硅鋼片優(yōu)化后磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及大小

2.2 PE-EMAT水冷循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化仿真

PE-EMAT在對(duì)高溫試樣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，若水冷效果不佳，電磁鐵溫度升高，磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降。為改善傳感器水冷效果，改變通水流量進(jìn)行非等溫流體仿真，結(jié)果顯示直接提高通水流量冷卻效果并未明顯增強(qiáng)。分析是由于傳感器內(nèi)電磁鐵上部水通道較底板水通道寬，水流優(yōu)先從上部流過(guò)，靠近底板位置水流量小。并且，隨著通水流量增加，上部水流量增加速度遠(yuǎn)超過(guò)底部，甚至使底部流量變小。因此，流量提高時(shí)，勵(lì)磁線圈的平衡溫度先升高后降低。

為改善冷卻效果，需要對(duì)上下水流量進(jìn)行控制，取勵(lì)磁線圈下部溫度進(jìn)行分析。在傳感器上部添加節(jié)流擋塊(圖6(a)所示)，減少上部水流量，增加底部流量，使底部的熱量快速帶出。節(jié)流擋塊對(duì)水冷效果改善結(jié)果對(duì)比如圖6(b)所示。添加節(jié)流擋塊后，勵(lì)磁線圈冷卻后平均溫度在原基礎(chǔ)上最大可下降35.7 ℃，下降約26 %，改善效果明顯。為降低電磁鐵工作時(shí)勵(lì)磁線圈電阻率，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，電磁鐵溫度控制在100 ℃以內(nèi)為最佳，因此需在傳感器上部安裝節(jié)流擋塊并將通水流量控制在1.25 L/min以上。

圖6 水冷通道優(yōu)化模型及優(yōu)化效果

3 實(shí) 驗(yàn)

為對(duì)本文設(shè)計(jì)得到的高溫電磁超聲缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了高溫電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其主要組成如圖7所示，包括RETIC RPR—4000電磁超聲主機(jī)、耐高壓阻抗匹配模塊、PE-EMAT傳感器、脈沖電磁鐵可調(diào)勵(lì)磁電源、高速數(shù)據(jù)采集卡NET8544及PC機(jī)等。為驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)高溫試樣缺陷檢測(cè)能力，采用預(yù)置20 mm深，直徑4 mm平底孔缺陷的鋁合金試塊作為檢測(cè)對(duì)象，其外型尺寸為240 mm×240 mm×180 mm，通過(guò)移動(dòng)傳感器，可在有缺陷位置和無(wú)缺陷位置進(jìn)行切換，方便對(duì)比檢測(cè)信號(hào)。同時(shí)，采用奧林巴斯CFU03型可調(diào)流量隔膜水泵與傳感器組成水冷循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量至1.3 L/min對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻。用K型貼片式熱電偶監(jiān)測(cè)中部磁芯靠近底板位置溫度，同時(shí)將K型鎧式熱電偶預(yù)埋至試塊內(nèi)部，監(jiān)測(cè)試塊實(shí)際溫度。

圖7 高溫電磁超聲缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)置脈沖電磁鐵勵(lì)磁電源頻率為1 Hz，電壓110 V，發(fā)出低頻脈沖為脈沖電磁鐵供電，延時(shí)5 ms后(待電磁鐵磁場(chǎng)穩(wěn)定)，電源對(duì)電磁超聲主機(jī)RPR—4000發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。電磁超聲主機(jī)RPR—4000輸出高頻脈沖電流，經(jīng)過(guò)阻抗匹配模塊激發(fā)換能線圈在試樣表面產(chǎn)生渦流并產(chǎn)生超聲信號(hào)。超聲反射信號(hào)經(jīng)由接收線圈和接收阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊傳至電磁超聲主機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)主機(jī)濾波和放大后被高速采集卡NET8544采集并通過(guò)PC上數(shù)據(jù)處理軟件顯示。

分別在常溫25 ℃下和高溫400 ℃下對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)，記錄電磁超聲檢測(cè)信號(hào)及熱電偶溫度如圖8所示。

圖8 不同溫度、位置電磁超聲檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)無(wú)缺陷位置和有缺陷位置的檢測(cè)信號(hào)對(duì)比可明顯發(fā)現(xiàn)預(yù)置缺陷的信號(hào)。常溫下，底波位置為115 μs，根據(jù)試塊厚度180 mm，計(jì)算得到鋁合金橫波聲速3 130 m/s，缺陷回波出現(xiàn)時(shí)間為100 μs，可知缺陷距檢測(cè)面距離為157 mm，與實(shí)際距離160 mm誤差為1.8 %，證明檢測(cè)結(jié)果有效。在高溫下，由于高溫對(duì)超聲信號(hào)傳播速度衰減，回波出現(xiàn)時(shí)間延后，底波位置為123 μs，計(jì)算鋁合金橫波聲速為2 926 m/s，缺陷回波出現(xiàn)時(shí)間為112 μs，從而得出缺陷距檢測(cè)面距離為164 mm，與實(shí)際距離誤差為2.5 %，證明高溫缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)成功。另外，高溫水冷時(shí)電磁鐵下表面上的貼片熱電偶溫度為95 ℃，水冷循環(huán)成功將電磁鐵溫度控制在100 ℃以內(nèi)，與仿真結(jié)果基本相符。

4 結(jié) 論

1)PE-EMAT采用脈沖電磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，可達(dá)到與永磁鐵式電磁超聲傳感器同等檢測(cè)能力，成功在400 ℃高溫下檢測(cè)出鋁合金試樣上預(yù)置的當(dāng)量φ4 mm試樣上平底孔缺陷；

2)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵硅鋼片外形參數(shù)并未針對(duì)中部磁芯位置垂直方向磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)硅鋼片外形尺寸優(yōu)化可有效提高中部磁芯位置垂直偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度，增強(qiáng)超聲檢測(cè)信號(hào)；

3)高溫檢測(cè)條件下，水冷通道及流量設(shè)置等對(duì)高溫PE-EMAT缺陷檢測(cè)信號(hào)有較大影響。通過(guò)添加節(jié)流擋塊，優(yōu)化上下水通道，可有效降低電磁鐵溫度，提高電磁鐵偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高超聲檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。