CN102967658A - 一种用于钢棒表面自动化检测的电磁超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种用于钢棒表面自动化检测的电磁超声换能器，属于钢棒表面探伤技术领域。包括检测线圈、磁化装置和被检工件。磁化装置由两组完全相同的线圈和壳体组成。线圈由漆包线绕制而成，两组线圈串行连接，当在其中通以直流电时，即可在被检测棒材中产生一轴向分布的稳恒磁场B。磁化装置的外壳采用铁磁材料制作，这样，由线圈产生的磁场被限制在由磁化装置外壳和被检测棒材构成的磁回路中，能最大限度地实现对棒材的磁化。将其安装在钢棒的生产线上，可以对棒材的质量进行在线检测，及时发现棒材表面的缺陷，确保棒材产品的质量。
Description
技术领域
本发明属于钢棒表面探伤技术领域，特别是提供了一种用于钢棒表面自动化检测的电磁超声换能器。
背景技术
热轧棒是棒材中产量较大的一种，其表面状况差（弯曲度、椭园度、粗糙度较大、有较厚的氧化皮、且存在加工应力、脱碳等问题），常规探伤方法要么无法探测要么只能以较低的灵敏度进行探伤。
目前，国内外对钢棒表面质量检测通常采用涡流探伤法。涡流探伤尽管可在一定范围内抑制尺寸波动、电导率变化等因素，但对工件的加工应力、表面状态、热处理工艺等引起的涡流反应无法抑制，这样就大大降低了探伤灵敏度。一般的涡流方法对棒材较常见且危险的表面缺陷——纵向裂纹的检测灵敏度较低。漏磁方法虽然可探测表面裂纹，但它对亚表面缺陷的检测灵敏度却很差。
磁粉探伤也由于探测速度慢、需要人眼观察判伤，而无法满足大批量生产自动化探伤检验的需要。
电磁超声探伤是近年来发展起来的新兴无损检测技术。由于电磁超声探伤法具有不使用耦合剂、快速、灵敏度高等一系列优点，非常适于棒材的高速在线自动化检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钢棒表面自动化检测的电磁超声换能器，将其安装在钢棒的生产线上，可以对棒材的质量进行在线检测，及时发现棒材表面的缺陷，确保棒材产品的质量。
本发明的电磁超声换能器包括检测线圈、磁化装置和被检工件。如图1所示。
本发明中的磁化装置1由两组完全相同的线圈和壳体组成，如图2所示。线圈4由漆包线绕制而成，两组线圈串行连接，当在其中通以直流电时，即可在被检测棒材中产生一轴向分布的稳恒磁场B。磁化装置的外壳5采用铁磁材料制作，这样，由线圈4产生的磁场被限制在由磁化装置外壳和被检测棒材构成的磁回路中，能最大限度地实现对棒材的磁化。
磁化装置1在被检钢棒3上施加一轴向的稳恒磁场B（又名激磁场），检测线圈2置于磁化装置1的中部，检测线圈中高频电流的主要流经方向与棒材轴向平行。当电磁声线圈2中通以高频脉冲电流时，就会在棒材3表面感应出与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场BL，棒材3中的磁畴在两磁场的合成力作用下发生磁致伸缩效应，磁畴产生周期性壁移。当线圈中脉冲电流的频率F与线圈的槽距L满足关系F=V(棒材表面波波速)/4L时，这种布置方式将产生沿棒材周向传播的SH型超声表面波。
本发明中的检测线圈2由骨架和绕制在骨架上的线圈构成。线圈骨架如图3所示，采用非金属材料制作，以避免当线圈中通入高频脉冲电流时在骨架中感应产生涡流，而造成能量损失。线圈骨架上刻有多个纵向槽。骨架上的线圈采用漆包线绕制，并在槽中呈回折形方式绕制，如图4所示。按照此方法绕制的线圈，当通入高频脉冲电流I时，会在被检测棒材表面感应产生与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场BL。棒材中的交变磁场BL和激磁场B的合成力共同作用产生磁致伸缩效应，辐射出SH型超声表面波。其中高频脉冲电流的频率为500 kHz～1000 kHz范围内可调，脉冲电压为90V,脉冲串个数1~10个可调，以便于根据不同规格的棒材进行调整，找到最佳参数。
本发明中的检测线圈的绕制如图4中所示，线圈骨架中其相邻线槽间的间距为L=1mm，槽深为1mm，槽宽为0.5mm。检测线圈中发射检测的绕制如图4中导线6所示，发射线圈采用回折形方式绕制，相邻发射线圈导线的间距为2L=2mm，这样绕制后的发射线圈的机械几何波长为4L=4mm，其在棒材表面产生的SH型超声表面波的主频率范围将在730kHz～800kHz之间，这样的检测频率范围可以满足大多数棒材在线自动化检测对灵敏度的要求。
发射线圈采用Φ0.1mm漆包线、15根并联成绞股线一次绕制而成，如此可有效的提高线圈的发射功率。检测线圈中接收线圈的几何尺寸与发射线圈相同，接收线圈导线与发射线圈导线的间距为L，如图4中所示。接收线圈采用Φ0.05mm漆包线、单根导线绕制而成，一个单元槽内的匝数为40匝，如此可有效提高接收线圈的灵敏度。检测线圈制作完毕后置于探头托内7的位置，如图5所示。探头托用铝合金材料制作。在图中8的位置安装硬质合金制作的耐磨块，用于保护检测线圈。
本发明的优点在于，不象传统的压电超声探伤那样需要使用液态耦合介质，换能器不需要与被检测棒材接触，只在棒材经过该电磁超声换能器的过程中即可完成对棒材表面的探伤检测。由于本发明采用的是SH型超声表面波检测，因此对棒材表面的粗糙度有求不高，可用于热轧棒的在线检测。
本发明用于棒材的自动探伤可以做到：
1、当棒材通过换能器装置时，即同步实现对棒材的超声导波探伤检查；
2、可在棒材表面产生SH型超声表面波，用于探伤检测；
3、可产生SH型超声表面波的频率范围在730kHz～800kHz之间，可以满足大多数棒材在线自动化检测对灵敏度的要求；
4、适应的线材探伤速度为30m/min。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。其中，磁化装置1、电磁声线圈2、被检棒材3。
图2为本发明的磁化装置示意图。其中，线圈4、外壳5。
图3为本发明的线圈骨架示意图。
图4为本发明的线圈在骨架中的绕法示意图。其中，发射线圈6。
图5为本发明的探头托示意图。其中，线圈位置7。
图6为图5的左视图。其中，耐磨块位置8。
具体实施方式
图1～图4为本发明的一种具体实施方式。
本发明的电磁超声换能器包括检测线圈、磁化装置和被检工件。如图1所示。
本发明中的磁化装置1由两组完全相同的线圈和壳体组成，如图2所示。线圈4由漆包线绕制而成，两组线圈串行连接，当在其中通以直流电时，即可在被检测棒材中产生一轴向分布的稳恒磁场B。磁化装置的外壳5采用铁磁材料制作，这样，由线圈4产生的磁场被限制在由磁化装置外壳和被检测棒材构成的磁回路中，能最大限度地实现对棒材的磁化。
本发明中的检测线圈2由骨架和绕制在骨架上的线圈构成。线圈骨架如图3所示，采用非金属材料制作，以避免当线圈中通入高频脉冲电流时在骨架中感应产生涡流，而造成能量损失。线圈骨架上刻有多个纵向槽。骨架上的线圈采用漆包线绕制，并在槽中呈回折形方式绕制，如图4所示。按照此方法绕制的线圈，当通入高频脉冲电流I时，会在被检测棒材表面感应产生与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场BL。棒材中的交变磁场BL和激磁场B的合成力共同作用产生磁致伸缩效应，辐射出SH型超声表面波。其中高频脉冲电流的频率为500 kHz～1000 kHz范围内可调，脉冲电压为90V,脉冲串个数1~10个可调，以便于根据不同规格的棒材进行调整，找到最佳参数。
⑴ 棒材电磁超声表面波探伤换能器的制备
首先，应按照图3所示方式制作线圈骨架，骨架由非金属材料车制而成；在骨架加工完成之后，应按照图4所示方式在骨架中绕制线圈，线圈采用漆包线绕制。其次，制作磁化装置，应按照图2所示方式制作磁化装置的外壳5，外壳5采用铁磁材料制作；在外壳制作完成后，应按照图2所示方式在外壳5中绕制线包4，线包4采用漆包线绕制。最后，将制作完成后的磁化装置1和电磁声线圈2按照图1所示方式组合起来，即构成一套完整的棒材电磁超声表面波探伤换能器装置。
⑵ 棒材电磁超声表面波探伤换能器装置的使用
如图1所示换能器装置，使被检测棒材穿过该磁化装置。在棒材经过该装置的同时，在磁化装置1的线圈中通以直流电流，就会在被检棒材中产生稳恒磁场B；同时在电磁声线圈2中通以高频脉冲电流，就会在棒材3的表面感应出与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场B L。这样，棒材金属中的磁畴在两磁场的合成力作用下产生磁致伸缩效应，磁畴产生旋转和壁移而辐射出SH型超声波表面波，进而达到利用电磁超声表面波探测棒材中缺陷的目的。
Claims (4)
1.一种用于钢棒表面自动化检测的电磁超声换能器，其特征在于，包括磁化装置和检测线圈；
磁化装置（1）由两组完全相同的线圈和壳体组成，线圈（4）由漆包线绕制而成，两组线圈串行连接，当在其中通以直流电时，即在被检测棒材中产生一轴向分布的稳恒磁场B；磁化装置的外壳（5）采用铁磁材料制作，这样，由线圈（4）产生的磁场被限制在由磁化装置外壳和被检测棒材构成的磁回路中，能最大限度地实现对棒材的磁化；
磁化装置（1）在被检棒材（3）上施加一轴向的稳恒磁场B，检测线圈（2）置于磁化装置（1）的中部，检测线圈（2）中高频电流的主要流经方向与棒材轴向平行；当检测线圈（2）中通以高频脉冲电流时，就会在棒材（3）表面感应出与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场BL，棒材（3）中的磁畴在两磁场的合成力作用下发生磁致伸缩效应，磁畴产生周期性壁移和旋转，这种磁致伸缩效应沿棒材圆周方向传播便形成SH型超声表面波；
检测线圈（2）由骨架和绕制在骨架上的线圈构成；检测线圈（2）中通以高频脉冲电流，线圈骨架上刻有多个纵向槽，骨架上的线圈采用漆包线绕制，并在槽中呈回折形方式绕制，当通入高频脉冲电流I时，会在被检测棒材表面感应产生与棒材表面轴向相切的交变扰动磁场BL；棒材中的交变磁场BL和激磁场B的合成力共同作用产生磁致伸缩效应，辐射出SH型超声表面波；其中高频脉冲电流的频率为500 kHz～1000 kHz，脉冲电压为90V,，脉冲串个数1~10个，便于根据不同规格的棒材进行调整，找到最佳参数。
2.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，线圈骨架中其相邻线槽间的间距为L=1mm，槽深为1mm，槽宽为0.5mm；发射线圈采用回折形方式绕制，相邻发射线圈导线的间距为2L=2mm，这样绕制后的发射线圈的机械几何波长为4L=4mm，其在棒材表面产生的SH型超声表面波的主频率范围将在730 kHz～800 kHz之间，这样的检测频率范围能满足大多数棒材在线自动化检测对灵敏度的要求。
3.根据权利要求2所述的电磁超声换能器，其特征在于，发射线圈采用Φ0.1mm漆包线，15根并联成绞股线一次绕制而成，有效的提高线圈的发射功率。
4.根据权利要求1所述的电磁超声换能器，其特征在于，检测线圈（2）中接收线圈的几何尺寸与发射线圈相同，接收线圈导线与发射线圈导线的间距为L，接收线圈采用Φ0.05mm漆包线、单根导线绕制而成，一个单元槽内的匝数为40匝，有效提高接收线圈的灵敏度。
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