超声导波在线材检测中的技术研究

1、超声导波在线材检测中的技术研究童凯 张建卫 刘涛 张伟代（ 钢铁研究总院测试所 北京 100081 ）摘要：本文介绍了应用电磁超声（EMA）技术在线材中激发导波的原理和方法，以及适于高速线材在线检测的试验装置和实验结果。关键词：超声检测 导波 电磁超声换能器Research of Ultrasonic Guided Waves for Testing of WiresTONG Kai ZHANG Janwei LIU Tao ZHANG Weidai( Division of Analysis and Testing, CISRI, Beijing, 10081 )Abstract: This

2、 paper introduces the principle and method of exciting ultrasonic guided waves in wires with EMAT technique, and the on-line testing equipment for high-speed wires and its experimental results.Keywords: ultrasonic testing, guided wave, EMAT ( electromagnetic acoustic transducer )线材是工程结构、机械零件制造的主要用材，

3、其品种规格多、应用广泛，约占我国钢产量的10%。由于现代制造业和建筑业对线材的质量要求愈来愈高，尤其是铁路桥梁、大跨度斜拉桥、核工业建筑、大型建筑结构所用的高强度预应力钢筋、钢绞线以及大量用于汽车工业、机械行业的各类专用钢丝的原材料等。目前对于优质线材我国仍需大量进口，其原因主要在于质量可靠性方面的差距，而有效的无损检测恰是解决此问题的重要手段之一。因此，对于重要应用目的的高速线材进行无损检测（NDT）是非常必要的。另外，以在线检测的方式，即在高温状态下的轧制过程中，及时获取线材的质量信息，可及时地发现生产过程中产生的缺陷、并及时合理调整和改善轧钢工艺，对确保线材产品质量和节约能源具有重要的价

4、值。目前线材热态在线NDT己是国际上非常关注并致力于研究的重要的前沿技术课题，也是我国急需发展的检测技术之一。由于超声导波相对于传统的超声波检测技术，具有传播距离远和速度快的特点，因此，在线材的无损检测中有良好的应用前景。1. 导波概述导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。导波主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波和漏兰姆波1等。根据Silk和Bainton的理论2，圆柱体中的导波分为：轴对称纵向模式L（0，m），（其中m=1,2,3,）；轴对称扭转模式T（0，m），（其中m=1,2,3, ）；非轴对称弯曲模式F（n，

5、m），（n，m=1,2,3,）。各模式中整数m是计数变量，反映该模式在工件径向上的振动形态；整数n反映该模式绕工件螺旋式传播形态。其中，L（0，m）和T（0，m）模式是F（n，m）模式在n=0时的特例。导波的检测灵敏度与被检测物体的尺寸有关（直径、板厚等），这一点有别于体波（纵波、横波）的检测灵敏度仅与检测波的波长有关。导波在声波传播途径上能够有效检出的缺陷的最小横截面积T=S/1000（S为被检工件的横截面积）。2. 导波的激发2.1 压电超声与电磁超声（EMA）的比较图1 两种检测方式的比较通常通过调整压电探头的频率和入射角，可在工件（如板材、棒材、管材）中激发出导波，但其激发的波模相对较

6、杂，探头的调整也很困难，再加上其声波的传播需要借助藕合介质，因此，压电超声并不适于高速、高温的在线检测。在目前诸多的NDT方法中，电磁超声（EMA）法以其非接触式的独特工作方式更适用于各类线材的NDT的高速、高温的检测现场条件。电磁超声换能器（EMAT）包括一个磁铁和一个高频线圈，依靠在被检工件表面的电、磁相互作用，可在工件内激发出超声波。由于被检工件是其换能器的一部分，因此，其声波的传播无需借助耦合介质。图1是两种检测方式的比较。2.2 电磁超声（EMA）的激发机理利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩（Magnetostriction）力，EMAT与被检工件表面的相互作用激发出超声波。

7、图2揭示了洛仑兹力的工作机理。洛仑兹力是指带电质点在磁场中所受的电动力。当高频电流加到靠近金属表面的线圈上时，在金属表面的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流来，此涡流方向与线圈中电流方向相反。若同时在金属表面上加一个磁场，那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即洛仑兹力。它在工件内传播就形成了声波。图2 洛仑兹力 图3 磁致伸缩力图3揭示了磁致伸缩的工作机理。磁致伸缩是指磁畴在交变磁场的作用下产生壁移和旋转。众所周知，铁磁性材料是由许多自发磁化的磁畴组成，在无外磁化作用时，这些磁畴排列无序，各磁畴磁性相互抵消，因而宏观上表现为磁中性。但当外磁场作用后，磁畴产生壁移和旋转，最后顺外磁

8、场方向整齐排列起来。在这些磁畴运动中，会伴随着宏观形变，所以表现出磁致伸缩效应。此效应在工件内传播就形成了声波。由于上述两种效应都具有可逆性，因而可利用检测线圈将信号检测出来，加以分析判定，从而检测出缺陷的大小、位置等。2.3 EMAT在线材中激发超声导波 在常温状态下，碳钢线材都具有较强的铁磁特性，因此，在此种情况下用电磁超声（EMA）的激发超声导波我们以磁致伸缩效应为主。图4提出了一种以磁致伸缩效应在线材中激发超声导波的模式。在被检线材上施加一轴向的稳恒磁场B。，沿线材圆周方向绕制的高频线圈在线材表面产生沿轴向的交变扰动磁场BL，由于线圈是沿线材轴向上呈周期性分布的，由此磁致伸缩效应FM在

9、被检线材上产生的导波将沿线材轴向传播，此导波模式为轴对称纵向模式L(0,m)。 图4 铁磁性材料 图5非铁磁性材料 由于碳钢线材在高温（居里温度以上）状态下或非铁磁性线材都不具有铁磁特性，因此，在此种情况下我们将以洛仑兹力为主在被检线材上激发超声导波。图5给出了一种以洛仑兹力在线材中激发超声导波的模式。在被检线材上施加一径向的稳恒磁场B。，高频线圈在线材表面感应的涡流的轴向部分J与B。的相互作用产生洛仑兹力FL，由于线圈也是沿线材轴向上呈周期性分布的，由此洛仑兹力FL在被检线材上产生的导波将沿线材轴向传播，此导波模式为轴对称扭转模式T（0，m）。3. 试验装置的设计3.1电磁超声探伤仪统计分析

10、认为高速线材中主要存在的缺陷类型有：裂纹、折叠、夹渣、气孔等，我们进行了有针对性的EMA发射和接收系统、磁化单元以及EMAT传感器的设计。在优化磁化场设计的基础上，以较高的集成化程度形成能激发棒波模式的EMA发射和接收系统，其工作原理如图6所示。根据这一工作原理研制的涡流探伤仪如图7所示。图6EMA线材探伤仪框图1.电磁铁 2.钢棒 3.探头及跟踪装置图7 EMA线材探伤仪a.发射 b.同步 c.脉冲串 d.显示 e.前放 f.主放 g.视放 h.相关 i.报警3.2常温状态下碳钢线材的试验装置在常温状态下碳钢线材的检测试验装置见图8所示。它采用轴向磁化方式，以磁致伸缩力产生沿线材轴向传播的导

11、波。其工作原理在本文2.3中已做阐述。图9是非铁磁性线材的检测试验装置。此装置采用径向磁化方式，以洛仑兹力产生沿线材轴向传播的导波。其工作原理在本文2.3中已做阐述。图8 铁磁性线材检测装置图9非铁磁性线材检测装置4. 实验及初步结果图10DSP的信号处理效果通过初步进行的实验室试验结果表明，对于直径在1mm20mm的线材进行的实验取得了良好的实验结果。在常温状态下的实验，其可有效检出的缺陷横截面积为被检线材横截面积的0.4%，检测速度可达120mm/s。在实验中，采用的主要工作条件是：中心频率0.21MHz；声波模式：L（0，1-4），T（0，1-4）。实验中信号处理部分发挥了重要的作用，通

12、过DSP的数字滤波处理能把杂乱的数字信号中的噪声消除，使显示的波形更干净。示意如图10所示。另外，合理的设置发射电路中脉冲个数、发射频率、重复频率及磁化电流调节等参数，对试验效果有着重要的影响。5. 结语工业现场条件和环境可能对EMAT在线检测产生影响的主要因素有：材质、温度及热处理状态所引起的材料的导电性、导磁性的变化；高速轧制传输中机械抖动以及线材直度导致的传感器与线材间的间距变化；线材表面氧化皮等残存物的影响；工业现场供电系统及空间的电磁干扰；传感器在持续高温下的热防护问题等，这些都是今后实施工业设计时必须考虑的重要因素。 超声导波检测比传统的超声波技术频率更低，传播距离更远，是国际上近年来迅速发展的一门新技术。其与电磁超声检测技术的结合，将使其有非常广阔的应用前景，尤其适用与高速、高温、在线、在役的