CN108872401B - 一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法 - Google Patents

一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法，包括外壳，内部形成有密闭的收容腔；永磁铁，收容在所述收容腔内；激发/接受线圈，封装在外壳的壁面中且面向永磁铁；收容腔的侧壁上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，激发/接受线圈的下端面与超声横波换能器的底部检测面平齐，检测面上喷涂有0.4‑0.6mm厚的耐磨层，工作时永磁铁长时间处于低温状态下，线圈下端面在具有防护耐磨涂层的同时，还可以保证其极小的提离距离，从而既保证了线圈的耐磨损，也不影响其换能效率，使得换能器在高温下检测铁磁性材料时，既可以提高换能效率也可使线圈组件免受损坏，延长其使用寿命。

Description

一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法。
背景技术
无损检测技术由于不会破坏被检物体结构、属性，广泛应用于航空航天、制造、化工及医疗等领域。针对金属材料，目前常用于金属材料性能评估及内部缺陷检测的技术有压电超声法、激光超声法以及电磁超声法。常规的压电超声技术，由于其超声是通过换能器内部压电晶片振动或变形产生，在检测金属材料时，为减小其声阻抗，必须对被测物体表面进行预处理且配合使用液体耦合剂，因此不适用于高温环境。激光超声技术虽然适用于高温且不需要耦合剂，但其换能效率较低且检测缺陷灵敏度不高。
电磁超声技术作为一种新型的超声无损检测，其换能机理相对新颖，偏置磁场与被测物体表面诱导涡电流相互作用，直接在被测物体趋肤层产生超声波。因此电磁超声技术可以在被测物体表面粗糙以及高温等恶劣环境下进行现场应用。同时，发展高温下无损检测技术，不仅可以在金属材料成型热处理时评估其内部性能，做到节约成本，还可以对高温在役设备进行质量检验，保证设备的服役安全性和寿命。目前，高温下对金属材料进行无损检测技术的相关专利较少，尤其是高温电磁超声检测方面。申请公布号CN105675728A虽然提出了一种耐高温的电磁超声检测技术及获取方法，但其主要是通过换能器内部装置隔热材料来缓解高温传导，因此其只能短暂的保护换能器内部的磁铁、线圈等组件免受高温损坏，不能长时间连续在线检测。另外，由于永磁体的存在，当电磁超声检测对象为铁磁性材料时，换能器与被测物体之间会产生一个较大的磁性力，在移动换能器时极容易磨损其接收和激发线圈组件。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器及其制作方法，以实现高温下对金属材料的长时间连续性在线无损检测的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器，包括：
外壳，内部形成有密闭的收容腔；
永磁铁，悬空设置在所述收容腔内；
激发/接受线圈，封装在外壳的壁面中；
所述收容腔的侧壁上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，所述激发/接受线圈的下端面与超声横波换能器的底部检测面平齐，所述检测面上喷涂有0.4-0.6mm厚的耐磨层。
进一步的，所述外壳呈圆柱状，由中空筒体和密封设置在中空筒体两端的端盖组成。
进一步的，所述端盖与中空筒体之间垫有铜箔片，所述铜箔片与所述中空筒体之间设有密封件。
进一步的，所述中空筒体两端的端面上设有适于所述密封件安装的环形槽。
进一步的，所述中空筒体的侧壁周向设有用于支撑永磁铁的支撑件。
进一步的，所述支撑件为密封贯穿中空筒体侧壁的紧固螺钉。
进一步的，所述永磁铁呈圆柱状且轴线与所述激发/接受线圈的中轴线重合。
进一步的，所述激发/接受线圈为扁平状的耐高温陶瓷螺旋线圈。
进一步的，位于中空筒体下方的端盖中设有安装通孔，所述激发/接受线圈水平设置于所述安装通孔中且通过多层高温陶瓷胶层封装，最上层的高温陶瓷胶层与对应端盖的上端面平齐。
进一步的，安装有激发/接受线圈的端盖的两侧壁上设有供连接导线穿装的通孔，所述激发/接受线圈通过所述连接导线与外部信号接头连通。
一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器的制作方法，包括如下步骤：
S1：首先在需要安装激发/接受线圈的端盖的底部水平铺设耐高温软云母纸，保证安装通孔被软云母纸覆盖；
S2：将激发/接收线圈并排放置在安装通孔内并与高温软云母纸接触，尽量使线圈保持水平；
S3：将少许高温陶瓷胶均匀涂覆在安装有激发/接收线圈的安装通孔内，使高温陶瓷胶能够覆盖线圈表层为止；
S4：涂覆完之后，采用烘烤设备对涂覆层进行初步烘干凝固，在烘干过程中尽量保持线圈与端盖下端面持平；
S5：安装槽内高温陶瓷胶的初始涂覆层完成之后，接着进行第二层的涂覆，涂覆层的厚度应小于等于1mm，在涂覆完成之后进行烘干并适当的给予涂覆层均匀锤击，便于后续的加温固化中不会产生变形，以此类推，直至第n层涂覆层与端盖上表面持平时，涂覆结束；
S6：撕下高温软云母纸，自然常温固化22-24小时后，再在端盖下端面均匀喷涂一层0.4-0.6mm厚的耐磨层；
S7：将S6步骤的端盖放进加热炉进一步进行高温固化，首先加温至80℃，保温2小时，再升温至150℃，保温两小时，然后让其自然冷却至常温；
S8：将永磁铁悬空固定在中空筒体中后，将封装有激发/接受线圈的端盖和另一端盖分别密封固定在中空筒体两端，将却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，形成冷却介质循环回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明由于永磁铁设置在密闭的收容腔中，通过向密闭收容腔中通入冷却循环水，可以确保换能器在高温下检测使用时，其内部永磁铁长时间处于低温状态下，因而可以提高偏转磁场的磁场强度，进而提高超声换能器的灵敏度和信噪比。
2、本发明在行业内首次将永磁铁悬空设置在冷却介质中，永磁铁悬空设置，不仅有利于冷却介质对永磁铁的冷却，而且可以增强激发线圈的磁流通密度，提升电磁超声换能效率和信噪比，还可以增强电磁超声激发信号的纯度，从而改善电磁超声检测和判定缺陷的精度。
3、由于激发接收线圈组件的特殊安装工艺，使得线圈下端面在具有防护耐磨涂层的同时，还可以保证其极小的提离距离，从而既保证了线圈的耐磨损，也不影响其换能效率，使得换能器在高温下检测铁磁性材料时，既可以提高换能效率也可使线圈组件免受损坏，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸图；
图3为本发明中空筒体的轴测图；
图4为本发明线圈安装示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参见图1-图4，一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器，包括外壳1、永磁铁2和激发/接受线圈3。在外壳1内部形成有密闭的收容腔，永磁铁2收容在收容腔内，激发/接受线圈3封装在外壳1的壁面中且面向永磁铁2设置。在收容腔的侧壁上设有冷却介质入口4和冷却介质出口5，冷却介质入口4和冷却介质出口5与外部的冷却源(内部自带驱动泵)连通形成冷却循环回路。激发/接受线圈3的下端面与超声横波换能器的底部检测面平齐。其中，检测面是指换能器与被测工件接触的面。在检测面上喷涂有0.4-0.6mm厚的耐磨层6。本实施例，冷却源的冷却介质可以常用的冷却水。可以想到的是，冷却介质也可以采用现有技术中适于永磁铁冷却的其他冷却介质。
超声换能器是电磁超声检测技术的核心部件，其灵敏度、信噪比一直是限制其实际工程应用的关键因素。本实施例永磁铁2设置在密闭的收容腔中，通过向密闭收容腔中通入冷却循环水，永磁铁2长时间处于低温状态下，因而可以提高偏转磁场的磁场强度，进而提高超声换能器的灵敏度和信噪比。
超声换能器的灵敏度、信噪比，除偏置磁场的大小之外，主要受线圈在被测金属材料趋肤层内产生诱导涡电流的强弱的影响。激发线圈离被测金属表面距离越近，即换能器的提离距离越小，产生的诱导涡电流就会越强。本实施例中由于激发/接收线圈3底部喷涂有0.4-0.6mm厚的耐磨层6，使得线圈下端面在具有防护耐磨涂层的同时，当检测时，线圈可以最大可能的与被测金属材料表面接触，达到最小提离距离，从而既保证了线圈的耐磨损，也不影响其换能效率，提高了超声换能器的灵敏度。使得换能器在高温下检测铁磁性材料时，既可以提高换能效率也可使线圈组件免受损坏，延长其使用寿命。
可以想到的是，在实际应用中，外壳1可以做成圆柱状，为便于加工制造制作，其材料可以采用黄铜，由中空筒体101和密封设置在中空筒体101两端的上端盖102和下端盖103组成，上述设置可以便于永磁铁2的安装及使用后拆卸。为提高密封性能，在上下端盖102、103与中空筒体101之间垫有铜箔片7，铜箔片7与中空筒体101之间设有密封件8，设置铜箔片7可以起到更好的密封效果。在中空筒体101的上下端面上设有环形密封槽9，密封件8匹配安装在环形密封槽9中。
实际应用中，密封件8可以采用石墨密封环。具体组装时，将石墨密封环安装在环形密封槽9中，依次盖上铜箔片7和端盖并通过贯穿上铜箔片7和端盖的连接螺钉或螺丝将上述部件固定在中空筒体101上即可。
在一些实施例中，在中空筒体101的侧壁周向均布设有用于支撑永磁铁2的支撑件10，永磁铁2通过上述支撑件10悬空设置在收容腔中.永磁铁2悬空设置，方便冷却水可以覆盖整个永磁铁，提高冷却效果。具体应用中，支撑件10可以采用旋装在中空筒体101上的紧固螺钉，安装时通过旋拧紧固螺钉直至与永磁铁2相抵接，进而将永磁铁2卡紧固定在各紧固螺钉之间，为防止冷却水从紧固螺钉与中空筒体101之间的装配间隙流出，紧固螺钉旋拧到位后，可以采用通过涂抹高温密封胶进行密封防水。
可以想到的是，为缩小换能器的体积，激发/接受线圈3可以采用扁平状的耐高温陶瓷螺旋线圈，其形状可以为圆形、跑道形或椭圆形等。为提高电磁超声的信号接收强度、降噪及便于安装，永磁铁2呈圆柱状且轴线与激发/接受线圈3的中轴线重合，永磁铁2安装在中筒内部101中心位置，具体可以采用钐钴永磁体。
实际应用中，激发/接受线圈3可以采用如下方式进行安装：在下端盖103中设有安装通孔，激发/接受线圈3水平设置于安装通孔中且通过多层高温陶瓷胶层11封装。高温陶瓷胶为高温陶瓷AB胶，由武汉双键化学公司生产，型号为双键DB5012，陶瓷粉末和胶水比例控制在2:0.5左右，为现有公知技术在此不再赘述。并且最上层的高温陶瓷胶层11与下端盖101的上端面平齐，在下端盖103的两侧壁上设有供连接导线穿装的通孔，激发/接受线圈通过连接导线12与外部信号接头13连通。
本实施抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器的制作方法包括如下步骤：
激发/接受线圈组装
S1：首先在需要安装激发/接受线圈的端盖的底部水平铺设耐高温软云母纸，保证安装通孔被软云母纸覆盖。
S2：将激发和接收线圈并排放置在安装通孔内并与高温软云母纸接触，尽量使线圈保持水平。
S3：将少许高温陶瓷胶均匀涂覆在安装有激发和接收线圈的安装通孔内，使高温陶瓷胶能够覆盖线圈表层为止。
S4：涂覆完之后，采用烘烤设备对涂覆层进行初步烘干凝固，在烘干过程中尽量保持线圈与端盖下端面持平。
S5：安装槽内高温陶瓷胶的初始涂覆层完成之后，接着进行第二层的涂覆，涂覆层的厚度应小于等于1mm，在涂覆完成之后进行烘干并适当的给予涂覆层均匀锤击，便于后续的加温固化中不会产生变形，以此类推，直至第n层涂覆层与端盖上表面持平时，涂覆结束。
S6：撕下高温软云母纸，自然常温固化22-24小时，再采用陶瓷粉末和胶水(陶瓷粉末和胶水的类型与武汉双键化学公司生产型号为双键DB5012的高温陶瓷AB胶相同，为现有公知技术在此不再赘述)以2：0.8比例混合搅拌均匀喷涂于线圈下端面，控制其厚度在0.4-0.6mm，作为耐高温、耐磨损的保护层。
S7：将S6步骤的端盖放进加热炉进一步进行高温固化，首先加温至80℃，保温2小时，再升温至150℃，保温两小时，然后让其自然冷却至常温。
经此工艺安装的线圈组件安装在换能器上后，在进行高温检测时，激发和接收线圈具有良好的防松动、防变形及耐磨性能，同时还可以保证最低的提离距离和保持超声检测信号的稳定性。
换能器组装
S8：将永磁铁悬空固定在中空筒体中后，将封装有激发/接受线圈的下端盖和上端盖分别密封固定在中空筒体两端，将却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，形成冷却介质循环回路。
通过冷却水温度以及所检测时高温，可根据牛顿冷却定律可以求出想要的冷却水流动速度，牛顿冷却定律数学描述如下：
其中，φ表示对流换热速率，α表示对流传热系数，A表示传热面积，T表示流体平均温度，Tw表示与流体接触的壁面温度，ΔT表示对流传热温度差，R表示对流传热热阻。
另外，永磁体提供的偏置磁场与激发线圈产生的诱导涡电流相互作用，在被测物体趋肤层形成超声信号，此过程必须满足麦克斯韦定律，即符合如下数学描述：
F＝J×(Bs+Bd) (2)
其中，F表示洛伦磁力，J表示激发线圈产生的诱导涡电流，Bs表示永磁体产生的偏置磁场，Bd表示激发线圈产生的动态磁场。
本发明在换能器内部核心部件永磁铁可以长时间处于低温状态下，结合使用耐高温的陶瓷线圈，可保证本发明提供的电磁超声换能器可以长时间在高温下进行检测，实现高温金属材料及设备的在线超声无损检测技术。
另外，由于永磁体的存在，当电磁超声检测对象为铁磁性材料时，换能器与被测物体之间会产生一个较大的磁性力，在移动换能器时极容易磨损其接收和激发线圈组件。当前所涉及专利技术一般采用在其线圈组件外加上保护套或隔离线圈组件和被测物体表面之间的距离，所述技术都会增加换能器线圈组件的提离距，从而极大影响换能器的换能效率。本发明在线圈接触表面端喷涂超薄(0.5mm)耐高温及耐磨涂层同时保证了其最小提离距离，使线圈组件在免受磨损的同时还可以保证其高的换能效率。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：首先在需要安装激发/接受线圈的端盖的底部水平铺设耐高温软云母纸，保证安装通孔被软云母纸覆盖；
S2：将激发/接收线圈并排放置在安装通孔内并与高温软云母纸接触，尽量使线圈保持水平；
S3：将少许高温陶瓷胶均匀涂覆在安装有激发/接收线圈的安装通孔内，使高温陶瓷胶能够覆盖线圈表层为止；
S4：涂覆完之后，采用烘烤设备对涂覆层进行初步烘干凝固，在烘干过程中尽量保持线圈与端盖下端面持平；
S5：安装槽内高温陶瓷胶的初始涂覆层完成之后，接着进行第二层的涂覆，涂覆层的厚度应小于等于1mm，在涂覆完成之后进行烘干并适当的给予涂覆层均匀锤击，便于后续的加温固化中不会产生变形，以此类推，直至第n层涂覆层与端盖上表面持平时，涂覆结束；
S6：撕下高温软云母纸，自然常温固化22-24小时后，再在端盖下端面均匀喷涂一层0.4-0.6mm厚的耐磨层；
S7：将S6步骤的端盖放进加热炉进一步进行高温固化，首先加温至80℃，保温2小时，再升温至150℃，保温两小时，然后让其自然冷却至常温；
S8：将永磁铁悬空固定在中空筒体中后，将封装有激发/接受线圈的端盖和另一端盖分别密封固定在中空筒体两端，将却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，形成冷却介质循环回路；
所述抗高温、耐磨的电磁超声横波换能器的特征在于，包括：
外壳，内部形成有密闭的收容腔；
永磁铁，悬空收容在所述收容腔中；
激发/接受线圈，封装在外壳的壁面中；
所述收容腔的侧壁上设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口和冷却介质出口与外部的冷却源连通，所述激发/接受线圈的下端面与超声横波换能器的底部检测面平齐，所述检测面上喷涂有0.4-0.6mm厚的耐磨层；
所述外壳呈圆柱状，由中空筒体和密封设置在中空筒体两端的端盖组成；
所述端盖与中空筒体之间垫有铜箔片，所述铜箔片与所述中空筒体之间设有密封件；
所述中空筒体两端的端面上设有适于所述密封件安装的环形槽；
所述中空筒体的侧壁周向设有用于支撑永磁铁的支撑件；
所述永磁铁呈圆柱状且轴线与所述激发/接受线圈的中轴线重合；
所述激发/接受线圈为扁平状的耐高温陶瓷螺旋线圈；
位于中空筒体下方的端盖中设有安装通孔，所述激发/接受线圈水平设置于所述安装通孔中且通过多层高温陶瓷胶层封装，最上层的高温陶瓷胶层与对应端盖的上端面平齐；
安装有激发/接受线圈的端盖的两侧壁上设有供连接导线穿装的通孔，所述激发/接受线圈通过所述连接导线与外部信号接头连通。
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