CN105758938B - 550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置 - Google Patents

550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置，高温电磁超声探头的结构是：陶瓷线圈(1)、铜板(5)和耐高温永磁铁(2)通过第一陶瓷粘合剂(6)浇筑在黄铜外壳(3)中，所述的铜板(5)处于所述的陶瓷线圈(1)与所述的耐高温永磁铁(2)之间，在所述的黄铜外壳(3)的工作端设有处于所述的陶瓷线圈(1)的外侧的刚玉片(4)。本发明是基于陶瓷层银线和耐高温N～AH SmCo永磁铁，适用于550℃高温环境中进行长时间、可靠的缺陷无损检测，并且在高温环境中依然能保持较高的换能效率。

Description

550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种利用电磁超声探头测量高温金属材料内部缺陷的方法，特别是涉及一种用于对最高550℃的铁磁性或非铁磁性金属材料的内部缺陷进行位置和当量大小检测的方法。本发明还涉及实现该方法的装置。
背景技术
由于加工工艺限制，各种金属零件在生产过程中不可避免地存在缩孔、缩松、夹杂物、裂纹、折叠等缺陷。作为控制产品质量的必要环节，金属零件在生产、加工过程中必须通过无损检测技术及时剔除超标的残次品。采用缺陷检测结果作为改进金属零件制造工艺的重要依据，实时监测和控制缺陷，指导生产人员改进制造加工工艺，对存在可锻合的缺陷可通过提高锻压变形程度加以消除,提高金属零件的制造经济水平。
在所有无损检测技术中，国内外普遍采用压电超声检测方法来探测金属材料的内部缺陷，但主要针对粗加工后或者成品的常温(≤50℃)金属锻件。压电式超声检测通常需要耦合剂(水、甘油)才能实现与被测零件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，即使是经过特殊耐高温设计的压电超声检测方法，也只能实现最高300℃温度的检测，而且接触测量时间短,无法实现长时间高温检测，且容易造成永久性的损坏。因此压电超声难以适用于高温、粗糙表面的金属材料中内部缺陷的长时间检测。
电磁超声换能器利用电磁感应的原理，能直接在金属材料表面激发超声波，并沿着特定方向传播，具有非接触、无需耦合的特点，能用于高温、粗糙表面和移动金属材料的内部缺陷检测。电磁超声换能器的换能机理为磁化力、洛伦兹力和磁致伸缩三种机理，到底哪几种机理占激励超声的主导作用，主要取决于金属材料表面的电学参数(磁导率和电导率)。对于铝和铜等非铁磁性金属材料，通常是洛伦兹力起主导作用，但是对钢铁等铁磁性材料，通常是洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用。
目前关于高温电磁超声体波探伤方法及其装置的专利的报道很少。实用新型专利授权号CN 203479275 U，授权了一种高温电磁超声测厚探头，通过在探头底部设置耐高温、耐磨材料和探头内部填充阻燃绝缘材料，实现在高温下的探测。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种在550℃高温下依然能保持较高的换能效率，能够在高温环境中长时间、可靠探伤的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种实现在550℃高温下依然能保持较高的换能效率，能够在高温环境中长时间、可靠探伤的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法，包括以下步骤：
步骤(1)，把经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结后的陶瓷线圈并排烧制在探头的底部；在陶瓷线圈的上方放置0.1mm-0.5mm厚的铜板，铜板与陶瓷线圈的距离根据探头与试样之间的提离高度决定；在铜板的上方布置耐高温永磁铁，在被测试样中产生偏置磁场；该种耐高温永磁铁，经过实验能在550℃电阻炉中，24小时可靠高温工作；
步骤(2)，在陶瓷线圈内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，该高频、大功率正弦脉冲串电流信号在被测试样中产生高频交变磁场信号，使被测试样表面产生磁致伸缩变形，或者该种正弦脉冲电流信号在被测试样中产生脉冲电涡流，在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，在被测试样上表面从上往下传播；
步骤(3)，当超声横波遇到内部缺陷会产生缺陷回波，并且在底波之前到达被测试样的表面，被陶瓷线圈接收，经过放大电路放大后，利用采集卡或者示波器读取超声反射波与缺陷回波之间的时间差t；
步骤(4)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度；
步骤(5)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度，为已知值，需要根据待测试样的温度进行修正；与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。
上述步骤(2)中所述的高频、大功率正弦脉冲串电流为0.5MHz～5MHz、10周期～20周期正弦脉冲串、电流10A～100A。
为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，包括高温电磁超声探头，所述的高温电磁超声探头的结构是：陶瓷线圈、铜板和耐高温永磁铁通过第一陶瓷粘合剂浇筑在黄铜外壳中，所述的铜板处于所述的陶瓷线圈与所述的耐高温永磁铁之间，在所述的黄铜外壳的工作端设有处于所述的陶瓷线圈的外侧的刚玉片。
所述的陶瓷线圈的线圈导线方向与所述的耐高温永磁铁提供的偏置磁场方向垂直。
所述的耐高温永磁铁为耐高温N～AH SmCo永磁铁；所述的耐高温永磁铁的直径为50mm，高度为50mm。
所述的陶瓷线圈的外径为20mm～28mm。
所述的陶瓷线圈的结构是：在直径为0.2mm～0.35mm银线的表面涂覆0.05mm～0.1mm厚度的陶瓷涂层；带有所述的陶瓷涂层的所述的银线制成螺旋线圈且用第二陶瓷粘合剂固定成型。
所述的铜板处于所述的陶瓷线圈的上方1mm～1.5mm处放置
所述的铜板的厚度为0.3mm。
所述的刚玉片4的厚度为0.5mm。
采用上述技术方案的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置，能用于最高550℃高温、表面粗糙金属材料内部缺陷的长时间、可靠检测，采用数字信号处理技术对接收信号进行实时处理，具有较高的检测精度和实时性，能用于大型高温金属锻件、热态压力管道等在役无损检测。本发明中的电磁超声探头经过550℃高温电阻炉实验，可保证24小时可靠高温探伤。
本专利的有益效果：
现有专利很少涉及有关最高550℃高温电磁超声探伤方法，而国外的高温电磁超声探头多采用水循环冷却或者空气冷却方式或者是在线圈下端设置耐高温绝缘材料，很难实现真正的耐高温长时间检测的场合，而且多采用漆包铜线，很难保证高温下不被氧化以及高温下绝缘层不被破坏。特别重要的是。与常温探伤相比，采用漆包铜线的探头在高温下换能效率较差，可靠性较低。本专利采用陶瓷层银线，高温下不易被氧化，陶瓷层在高温下能保持较好的绝缘特性，保证探头在高温下依然能保持较高的换能效率，能够在高温环境中长时间、可靠探伤。
综上所述，本发明是基于陶瓷层银线和耐高温N～AH SmCo永磁铁，适用于550℃高温环境中进行长时间、可靠的缺陷无损检测，并且在高温环境中依然能保持较高的换能效率。
附图说明
图1为本发明的高温电磁超声探头结构示意图。
图2为本发明的陶瓷螺旋线圈结构示意图。
图3是沿图2中A-A线剖示图。
图4本发明螺旋线圈电磁超声探头横波激发原理图。
图5为本发明硬件原理框图。
图6本发明检测有缺陷时探头波形示意图。
具体实施方式
正面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1、图2和图3，实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，包括高温电磁超声探头，高温电磁超声探头的结构是：陶瓷线圈1、铜板5和耐高温永磁铁2通过第一陶瓷粘合剂6浇筑在黄铜外壳3中，铜板5处于陶瓷线圈1与耐高温永磁铁2之间，在黄铜外壳3的工作端设有处于陶瓷线圈1的外侧的刚玉片4。
优选地，陶瓷线圈1的线圈导线方向与耐高温永磁铁2提供的偏置磁场方向垂直。
具体地，耐高温永磁铁2为耐高温N～AH SmCo永磁铁。
具体地，耐高温永磁铁2的直径为50mm，高度为50mm。
具体地，陶瓷线圈1的外径为20mm～28mm。
具体地，陶瓷线圈1的结构是：在直径为0.2mm～0.35mm银线11的表面涂覆0.05mm～0.1mm厚度的陶瓷涂层12；带有陶瓷涂层12的银线11制成螺旋线圈且用第二陶瓷粘合剂13固定成型。
陶瓷线圈1的制作方法主要包括：1)采用直径为0.2mm-0.35mm的银线11，在银线11的表面涂覆0.05mm-0.1mm厚度的陶瓷涂层12；2)将带陶瓷涂层12的银线11在一定温度下，采用模具绕制成螺旋线圈；3)将绕制后的螺旋线圈用第二陶瓷粘合剂13固定成型并放入电阻炉中按照一定的加热方式进行烘烤成型。采用该种制作工艺制作的陶瓷线圈1，经过实验能在550℃电阻炉中，24小时可靠工作。
具体地，铜板5处于陶瓷线圈1的上方1mm～1.5mm处放置。
具体地，铜板5的厚度为0.3mm。
具体地，刚玉片4的厚度为0.5mm。
该种高温电磁超声探头适用于550℃高温环境中进行长时间、可靠的缺陷无损检测。通过设置刚玉片4，起高温保护、抗冲击、耐磨损的作用，使电磁超声探头不容易损坏。
参见图1、图2和图3，本发明中，高温电磁超声探头主要基于洛伦兹力机理设计，但是对于铁磁性金属材料还存在磁致伸缩力机制的作用。耐高温永磁铁2为耐高温N～AHSmCo永磁铁，能工作于550℃高温环境中，直径为50mm，高度为50mm。陶瓷线圈1的外径为20mm～28mm，银线11的直径为0.2mm～0.35mm。在陶瓷线圈1的上方1mm～1.5mm处放置厚度为0.3mm的铜板5，铜板5主要用于提高超声回波信号的信噪比。在铜板5的上方直接放置耐高温永磁铁2，在陶瓷线圈1的下方放置0.5mm厚的刚玉片4，刚玉片4主要用于隔离被测试样15的热辐射。陶瓷线圈1、耐高温永磁铁2等通过第一陶瓷粘合剂6浇筑在黄铜外壳3中。为了保持结构的紧凑，采用单个陶瓷线圈1，用于超声信号的激励和接收。陶瓷线圈1放置在被测试样15与铜板5之间，且陶瓷线圈1的线圈导线方向与耐高温永磁铁2提供的偏置磁场方向垂直。
参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，一种550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法，包括以下步骤：
步骤(1)，把经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结后的陶瓷线圈并排烧制在探头的底部；在陶瓷线圈的上方放置0.1mm-0.5mm厚的铜板，铜板与陶瓷线圈的距离根据探头与试样之间的提离高度决定；在铜板的上方布置耐高温永磁铁，在被测试样中产生偏置磁场；该种耐高温永磁铁，经过实验能在550℃电阻炉中，24小时可靠高温工作；
步骤(2)，在陶瓷线圈内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，大功率正弦脉冲串电流为0.5MHz～5MHz、10周期～20周期正弦脉冲串、电流10A～100A，该高频、大功率正弦脉冲串电流信号在被测试样中产生高频交变磁场信号，使被测试样表面产生磁致伸缩变形，或者该种正弦脉冲电流信号在被测试样15中产生脉冲电涡流，在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，在被测试样上表面从上往下传播；
步骤(3)，当超声横波遇到内部缺陷会产生缺陷回波，并且在底波之前到达被测试样的表面，被陶瓷线圈接收，经过放大电路放大后，利用采集卡或者示波器读取超声反射波与缺陷回波之间的时间差t；
步骤(4)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度；
步骤(5)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度，为已知值，需要根据待测试样的温度进行修正；与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。
参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，在陶瓷线圈1中通过(0.5MHz～5MHz)正弦脉冲串(10周期～20周期)电流(10A～100A)，此高频电流在被测试样表面感生出脉冲电涡流，在永磁铁的偏置磁场作用下，产生洛伦兹力，从而在试样表面激励超声波。而对于铁磁性金属材料，除了洛伦兹力外，还有磁致伸缩力，描述如下：高频电流在被测试样表面感应出高频交流磁场，该交变磁场与永磁铁提供的偏置磁场相叠加，形成合成的交变磁场，使铁磁性金属材料磁化，并发生伸长或缩短的尺寸变化，从而激励起超声波。超声波在被测试样内向下表面传播，遇到缺陷后发生反射，反射波到达被测试样表面并使其发生振动。根据逆磁致伸缩效应或逆洛伦兹力效应，该试样表面振动导致其周围磁场发生变化，从而在线圈中感应出电压信号。线圈接收到的超声回波信号在两级放大器以后，能通过数据采集卡采集输入到计算机中。利用LabVIEW软件开发平台，对采集后的信号进行降噪处理，准确测量发射超声信号从被测试样上表面传播到缺陷和从缺陷传播到上表面时间之和。由于被测试样在某温度下的传播速度v是已知的(不同的金属材料体波声速不同，同种金属材料在不同温度下的体波声速也不同，需要事先测量。)，则被测试样中缺陷离上表面的距离d为d＝1/2*v*t，从而完成缺陷的定位分析。将缺陷回波幅值与预制不同直径的平底孔缺陷对比试样的缺陷回波幅值对比，从而实现缺陷的定量分析。
结合附图详细描述本发明的原理。
高温电磁超声探头的组合形式如图1所示。电磁超声的产生原理如图4所示。圆柱体形状的耐高温永磁铁2置于铜板5和陶瓷线圈1之上，并在被测试样15的表面产生垂直方向的恒定磁场Bz，能调节耐高温永磁铁2到被测试样15的距离，使偏置磁场尽可能大，但是又要保证铜板5和陶瓷线圈1的距离，旨在提高电磁超声探头的性能。当陶瓷线圈1通过高频脉冲激励电流Ie，会在被测试样15的表面产生脉冲电涡流Je，脉冲电涡流在恒定磁场Bz的作用下，会在被测试样15的表面产生向左或向右的洛伦兹力FLr，从而在被测试样15表面产生超声横波16。在铁磁性金属材料中，除了洛伦兹力力外，还有磁致伸缩力或应变。高频脉冲激励电流Ie在被测试样15中感应出高频交变磁场Bdr，使铁磁性金属材料磁化，产生磁致伸缩力FMZr，并发生伸长或缩短的尺寸变化，从而在被测试样15表面产生周期性振动，形成超声波。超声波在被测试样15表面产生，并沿着厚度方向向下传播，当遇到缺陷后，会发生反射。根据逆洛伦兹力或逆磁致伸缩效应，反射回来的超声波在被测试样15表面振动，引起周围磁场的变化，在陶瓷线圈1中感生出电压信号，经过几次放大滤波后，通过数据采集卡输入到计算机中，通过LabVIEW软件中的信号分析处理模块，获取发射信号和缺陷回波信号的时间差。如图6所示，由于被测试样15在某温度下的传播速度v是已知的(不同的金属材料体波声速不同，同种金属材料在不同温度下的体波声速也不同，需要事先测量。)，则被测试样15中缺陷离上表面的距离d为d＝1/2*v*t，从而完成缺陷的定位分析。将缺陷回波幅值与预制不同直径的平底孔缺陷对比试样的缺陷回波幅值对比，从而实现缺陷的定量分析。

Claims (10)

1.一种550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)，把经过陶瓷涂层、成型绕制、高温烧制和灌装高温再烧结后的陶瓷线圈并排烧制在探头的底部；在陶瓷线圈的上方放置0.1mm-0.5mm厚的铜板，铜板与陶瓷线圈的距离根据探头与试样之间的提离高度决定；在铜板的上方布置耐高温永磁铁，在被测试样中产生偏置磁场；该种耐高温永磁铁，经过实验能在550℃电阻炉中，24小时可靠高温工作；
步骤(2)，在陶瓷线圈内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，高频、大功率正弦脉冲串电流信号在被测试样中产生高频交变磁场信号，使被测试样表面产生磁致伸缩变形，或者正弦脉冲电流信号在被测试样中产生脉冲电涡流，在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，在被测试样上表面从上往下传播；
步骤(3)，当超声横波遇到内部缺陷会产生缺陷回波，并且在底波之前到达被测试样的表面，被陶瓷线圈接收，经过放大电路放大后，利用采集卡或者示波器读取超声反射波与缺陷回波之间的时间差t；
步骤(4)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度；
步骤(5)，按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析；v为超声在被测金属材料内的传播速度，为已知值，需要根据待测试样的温度进行修正；与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。
2.根据权利要求1所述的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法，其特征在于：上述步骤(2)中所述的高频、大功率正弦脉冲串电流为0.5MHz～5MHz、10周期～20周期正弦脉冲串、电流10A～100A。
3.实现权利要求1所述的550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，包括高温电磁超声探头，其特征是：所述的高温电磁超声探头的结构是：陶瓷线圈(1)、铜板(5)和耐高温永磁铁(2)通过第一陶瓷粘合剂(6)浇筑在黄铜外壳(3)中，所述的铜板(5)处于所述的陶瓷线圈(1)与所述的耐高温永磁铁(2)之间，在所述的黄铜外壳(3)的工作端设有处于所述的陶瓷线圈(1)的外侧的刚玉片(4)。
4.根据权利要求3所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的陶瓷线圈(1)的线圈导线方向与所述的耐高温永磁铁(2)提供的偏置磁场方向垂直。
5.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的耐高温永磁铁(2)为耐高温N～AH SmCo永磁铁，所述的耐高温永磁铁(2)的直径为50mm，高度为50mm。
6.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的陶瓷线圈(1)的外径为20mm～28mm。
7.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的陶瓷线圈(1)的结构是：在直径为0.2mm～0.35mm银线(11)的表面涂覆0.05mm～0.1mm厚度的陶瓷涂层(12)；带有所述的陶瓷涂层(12)的所述的银线(11)制成螺旋线圈且用第二陶瓷粘合剂(13)固定成型。
8.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的铜板(5)处于所述的陶瓷线圈(1)的上方1mm～1.5mm处放置。
9.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的铜板(5)的厚度为0.3mm。
10.根据权利要求3或4所述的实现550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法的装置，其特征是：所述的刚玉片(4)的厚度为0.5mm。
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