CN111380961B - 一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法，其中电磁超声探头包括探头外壳；设置于所述探头外壳的腔体内的永磁体组；设置于所述探头外壳底部镂空区域的刚玉片；设置于所述刚玉片上方的激励/接收线圈；依次贯穿所述探头外壳、永磁体组、激励/接收线圈、刚玉片的空心管；与所述探头外壳的腔体连通的若干进水口及若干出水口；以及所述探头外壳与所述永磁体组、激励/接收线圈、空心管之间的空腔构成的循环冷却通道。可以实现对1200℃超高温铸锻件的持续检测，解决了现有电磁超声探头在1200℃超高温铸锻件厚度检测过程中，连铸坯枝晶粗大、固液分界面高衰减造成的超声回波弱、信噪比及空间分辨率低的问题。

Description

一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法
技术领域
本发明涉及锻铸件检测技术领域，尤其涉及一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法。
背景技术
随着载人航天、五代战机、航空母舰和高速铁路等项目的顺利开展，我国对高强度、高性能、高可靠性金属构件制造提出了更高要求。可见，未来高质量大型铸锻件的市场前景仍十分广阔。
随着铸锻件尺寸的增大，在高温连铸坯生产过程中，由于铸坯中碳含量控制不合理，结晶器内钢水液面、结晶器内冷却条件、保护渣等工艺与操作因素，以及二次冷水喷嘴堵塞等设备因素，导致连铸坯在辊压、铸造过程中不可避免的出现裂纹、气孔、夹杂等内部缺陷。因此，需要研制出1200℃以上超高温铸锻件检测探头，在连铸生产线实现高温状态下连铸坯在线检测，实时监测连铸坯液芯凝固速度和液芯末端位置，并据此调整连铸工艺参数，实现缺陷的检测、控制与消除，避免产生中心偏析、中心松散等严重缺陷，可以极大程度地提高铸坯成品率。另外，在高温铸锻件生产过程中能够对铸锻件内部缺陷以及锻造加工时的工件厚度进行实时监测，对提高产品的生产率、合格率和制造成本，实现节能减排，促进国民经济高水平发展具有不可估量的价值和现实意义。
常规超声检测中，由于探头压电晶片以及水、油等耦合剂难以适应超高温状态下的连铸坯表面，故无法实现高温铸锻件厚度检测。而电磁超声检测作为一种迅速发展的新技术，因其具有无需耦合剂、无需直接接触，能够适应于表面粗糙且高温环境的特点，十分适合于超高温状态下的铸锻件厚度检测。电磁超声探头的换能机理有洛伦兹力、磁致伸缩和磁化力三种，对于钢铁等铁磁性铸锻件，在居里温度点以下，通常为洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用；而在居里温度点以上特别是对于1200℃以上的铸锻件表面，主要以洛伦兹力为主导作用。
目前，有关高温电磁超声检测的现有相关专利包括如下：
专利申请号CN108872401A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”，该装置侧壁设有冷却介质进出端口，可在内部形成循环冷却系统，对装置进行冷却；探头底部接触面涂有耐磨层，可有效保护线圈组件，提高探头可靠性，延长使用寿命。
专利申请号CN105758938A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”，该发明通过自制陶瓷层银线并绕制线圈，配置耐高温N～AH SmCo永磁铁，能在550℃高温环境中进行长时间检测，且能保持较高的换能效率。
专利申请号CN206772250U授权了“一种测量工件厚度的电磁超声测厚探头”，该装置按照聚酯电容、永磁体、导磁楔、激励/接收线圈自上而下排布，提高了高温环境下的检测效率，且使检测结果更加稳定。
专利申请号CN205483246U公开了“一种用于超声高温检测声速校准的设备”，在预设温度范围内，利用电磁超声传感器检测试块中超声波的传播速度并进行校正，解决了超声波检测高温设备时检测准确度较低的技术问题。
专利申请号CN205538843U公开了“一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声无损检测探头”，该装置通过设计不同的电磁铁结构能够实现横波、纵波检测，对缺陷的检测能力得到了提升。外壳两侧的进出水口，可以对探头进行冷却，使其能够在高温、大型铁磁性锻件上进行长时间检测。
专利申请号CN105675728A公开了“一种超高温电磁超声传感器及其获取方法”，该装置在传感器组件和壳体之间设有隔热结构，能在检测时延缓高温传递至探头内部的传播速率。
专利申请号CN209486051U公开了“一种电磁超声高温检测装置”，该装置包括了电磁超声探头、高温连接杆和电磁超声检测仪器。所述高温连接杆的两端分别可拆卸地连接在电磁超声探头和电磁超声检测仪器上。高温连接杆具有的一定长度，延长了热传导的时间，增大了散热面积，同时也增加了电磁超声仪器和高温工件的距离，保证了仪器的安全。因此，可以保证电磁超声探头在与高温工件接触时，电磁超声仪器依然能在低温状态下正常工作。
专利申请号CN206161187U提供了“一种具有温度监测功能的电磁超声传感器及检测系统”，该装置通过外壳的第一温度检测器检测到的第一温度值，并将第一温度值与预定值进行比对，实现温度检测单元对探头温度的监控，保证探头温度处于安全值内。
专利申请号CN104964659A公开了“一种耐高温型凝固坯壳厚度电磁超声扫频检测方法及装置”，该装置在连铸坯内外弧侧对应设有电磁超声发生器和电磁超声接收器。电磁超声发生器发出的超声波穿透连铸坯被电磁超声接收器接收，通过扫频电路配合不同截止频率的滤波器，以检测透射波不同扫描频率的幅值和相位；通过两种不同扫描频率的相位，可得电磁超声波在连铸坯内的传播时间，进而可求解得到凝固坯壳厚度。本发明能有效克服连铸生产现场的表面高温环境影响,并适合测量铸坯不同表面温度、不同浇筑钢种的要求。
以上专利通过添加耐高温材料，增加提离距离，通过空气、水或油循环冷却等方式实现电磁超声(EMAT)探头的强制降温，并且能够实现高温下声速的校准。虽都涉及高温电磁超声检测领域，但相对来说，他们能够检测的工件最大温度不超过1000℃，针对1200℃以上超高温、高衰减、大提离下的铸锻件厚度在线检测，目前国内尚未见报道。
发明内容
本发明提供了一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法，以解决现有技术中的电磁超声探头无法实现超高温下的持续在线检测的问题。
第一方面，提供了一种超高温铸锻件检测电磁超声探头，包括：
探头外壳；
设置于所述探头外壳的腔体内的永磁体组；
设置于所述探头外壳底部镂空区域的刚玉片；
设置于所述刚玉片上方的激励/接收线圈；
依次贯穿所述探头外壳、永磁体组、激励/接收线圈、刚玉片的空心管；
与所述探头外壳的腔体连通的若干进水口及若干出水口；以及
所述探头外壳与所述永磁体组、激励/接收线圈、空心管之间的空腔构成的循环冷却通道。
探头冷却系统可分为探头内部水循环冷却和探头底部瞬态局部喷水冷却两部分。探头内部水循环冷却通道为探头外壳内壁与永磁体组、激励/接收线圈、空心管之间的空腔部分，冷却水从进水口进入循环冷却通道，从出水口流出，在高温环境下，该探头内部水循环冷却可使探头中的永磁体组持续提供较强的偏置磁场，维持永磁体组与激励/接收线圈的常温状态，实现激励/接收线圈的持续正常工作。探头底部瞬态局部喷水冷却主要通过空心管喷水实现，空心管可选用铜管，空心管贯穿探头外壳顶部和刚玉片中心，高温环境下，探头与高温工件接触时，探头底部喷水中的空心管可从探头顶部进水并从探头底部喷水，水可在超高温工件表面迅速蒸发，产生一层水蒸气“气垫”，对探头底部起到隔热保护作用；另外，喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率及信噪比。激励/接收线圈放置于探头外壳内部，而不是直接与高温、表面粗糙工件接触，可以保护线圈不受破坏，同时，在探头内部的水循环冷却作用下，可对线圈强制降温，保证线圈的安全可靠工作；激励/接收线圈下方为刚玉片，可防止通电线圈在探头底部产生超声波，从而提高信噪比。
工作时，在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp 线性调频脉冲电流信号在被测高温工件中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播，进而实现检测。通过采用Chirp线性调频脉冲电流激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件的检测。
进一步地，所述激励/接收线圈为纱包铜线绕制的与所述刚玉片平行的接收一体跑道线圈结构，所述纱包线由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成。
进一步地，所述纱包线由10～50根细漆包铜线捆绑成一簇而成，所述细漆包铜线线径为 0.01mm～0.07mm。
所述激励/接收线圈为由纱包铜线手工绕制而成的接收一体单线圈，即为同一跑道线圈；所述跑道线圈直道部分为电磁超声有效换能区域。采用双工机可实现超声波信号的收发一体，避免一收一发双线圈/双探头检测时线圈/探头无法准确对中以及双线圈之间的电磁脉冲干扰，可实现对超声信号的完整接收，提高信噪比。所述跑道线圈配合所述永磁体组和Chirp线性调频脉冲激励电流，可实现Chirp线性脉冲横波激励。纱包线由多根细漆包铜线组成，其绕制的跑道线圈具有以下优点：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体表层，使得表层电流密度大、导体内部电流小；多根细漆包铜线组成的纱包线取代单根漆包铜线可以保证电流在通过每一根漆包铜线的横截面电流密度接近于均匀，从而提高导线横截面利用率，进一步能提高电磁超声探头的换能效率。由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成激励/接收线圈具有等效阻抗随频率和提离变化影响小这一特点，可以保证基于Chirp信号激励的脉冲压缩技术的实现效果。
进一步地，所述永磁体组包括上下N-S极性摆放相反的两列永磁铁，以及夹设于所述两列永磁铁中间的非铁磁性金属挡板，所述空心管贯穿所述非铁磁性金属挡板。
进一步地，还包括两个磁片，所述两个磁片分别设置于所述永磁体组的上下两端。
两个磁片采用导磁、不导电、带振动阻尼吸收功能的磁片材料制成，可对永磁体组起到聚磁作用，可以提高横波纯度，防止在永磁体组中产生超声波，达到提高信噪比的效果。磁片可选用坡莫合金、铁镍合金、MnZn铁氧体中的一种材料并配合橡胶制成。
进一步地，所述若干进水口设置于所述探头外壳的下部，所述若干出水口设置于所述探头外壳顶部。冷却水从下至上，提高对离高温工件更近的一端的降温效果。
进一步地，所述刚玉片中心设置有与所述空心管匹配的主圆通孔，所述刚玉片上环绕所述圆通孔设置有向所述刚玉片边界发散且呈辐射状的若干副圆通孔，所述刚玉片由氧化铝材料制成。
刚玉片上排布若干副圆通孔可使探头腔体内的冷却水均匀地喷至换能区域，使换能区域的整个区域均匀冷却，同时，通过调节探头底部喷水流量和持续时间来调制铸锻件表面的温度、相变过程和相结构，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率和信噪比。刚玉片耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温，且具有足够硬度，刚玉片边界与探头底座镂空区域咬合，且接触区域涂抹耐高温密封胶，刚玉片上表面涂抹一定厚度的耐高温密封胶后，将激励/接收线圈水平居中黏合固定于上方，可起到对激励/接收线圈绝缘隔热的作用；同时，高温条件下，配备探头内部水循环冷却后，可很好地起到对激励/接收线圈的冷却保护作用。
进一步地，还包括水循环控制系统，所述包括水循环控制系统包括探头内部水循环冷却部和探头底部喷水冷却部，所述探头内部水循环冷却部包括依次连接的第一外部水泵、第一进水管、进水节能阀门、所述探头外壳上的进水口、循环冷却通道、所述探头外壳上的出水口、出水管；所述探头底部喷水冷却部包括依次连接的第二外部水泵、第二进水管、流量控制阀、脉冲电控阀及所述空心管，通过流量控制阀、脉冲电控阀可以调节探头底部喷水流量和持续时间。
进一步地，所述探头外壳包括探头壳体和连接于所述壳体底部的探头底座，所述探头壳体与探头底座之间设置有耐高温防水石墨密封环。所述耐高温防水石墨密封环厚度为1～3mm，可保证1200℃以上超高温环境下探头壳体与探头底座连接区域不渗水。
第二方面，提供了一种利用如上所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头的在线快速检测方法，包括：
向进水口及空心管上端通入冷却水，并控制流量；
在激励/接收线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，从而激发出一束正弦扫频横波超声，沿被测试样厚度方向传播；
激励/接收线圈接收超声回波转化为的电信号，经放大、滤波后，获得对应Chirp线性调频脉冲电流频率段的信号，转换为数字信号传至PC机，并经过脉冲压缩处理后获得实时A 扫显示信号。
冷却水从进水口进入循环冷却通道，从出水口出，在高温环境下，该探头内部水循环冷却可使探头中的永磁体组持续提供较强的偏置磁场，维持永磁体组与激励/接收线圈的常温状态，实现激励/接收线圈的持续正常工作。高温环境下，探头与高温工件接触时，空心铜管可从探头顶部进水并从探头底部喷水，水可在超高温工件表面迅速蒸发，产生一层水蒸气“气垫”，对探头底部起到隔热保护作用；另外，喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可产生磁致伸缩效应，提高电磁超声换能效率及信噪比。在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流信号在被测高温工件中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播，进而实现检测。通过采用Chirp线性调频脉冲电流激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件的检测，超声回波信噪比和空间分辨率均较高。
进一步地，所述低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流的调频范围为50KHz～600KHz，其脉宽范围为30μs～80μs，其电流范围为10A～100A。
传统的降噪算法主要通过窄带滤波和同步平均来实现，而采用基于Chirp信号的脉冲压缩技术可以直接对无同步平均的原始A扫信号进行处理，即可获得相当于32-64次同步平均的信噪比，可以实现快速检测。通过调节探头底部喷水流量和持续时间来调制铸锻件表面的温度、相变过程和相结构，可以提高磁致伸缩效应以提高检测回波的信噪比。采用由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成激励/接收线圈具有等效阻抗随频率和提离变化影响小这一特点，有利于脉冲压缩技术的实现。通过上述技术方案，可以实现高温铸锻件在线快速检测的信噪比和分辨率。
有益效果
本发明提出了一种超高温铸锻件检测电磁超声探头及在线快速检测方法，探头冷却系统可分为探头内部水循环冷却和探头底部瞬态局部喷水冷却两部分。探头内部水循环冷却通道为探头外壳内壁与永磁体组、激励/接收线圈、空心管之间的空腔部分，冷却水从进水口进入循环冷却通道，从出水口流出，在高温环境下，该探头内部水循环冷却可使探头中的永磁体组持续提供较强的偏置磁场，维持永磁体组与激励/接收线圈的常温状态，实现激励/接收线圈的持续正常工作。探头底部瞬态局部喷水冷却主要通过空心管喷水实现，空心管贯穿探头外壳顶部和刚玉片中心，高温环境下，探头与高温工件接触时，探头底部喷水中的空心铜管可从探头顶部进水并从探头底部喷水，水可在超高温工件表面迅速蒸发，产生的水蒸气可对探头底部起到隔热及保护作用；另外，喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率及信噪比。激励/接收线圈放置于探头外壳内部，而不是直接与高温、表面粗糙工件接触，可以保护线圈不受破坏，同时，在探头内部的水循环冷却作用下，可对线圈强制降温，保证线圈的安全可靠工作；激励/接收线圈下方为刚玉片，可防止通电线圈在探头底部产生超声波，从而提高信噪比。该电磁超声探头可以实现对1200℃超高温铸锻件的持续检测。而现有的高温电磁超声检测探头设计使用能力有限，抗高温能力较差，检测回波信噪比差，无法实现1000℃以上超高温铸锻件的在线可靠地检测。解决了现有电磁超声探头在1200℃超高温铸锻件厚度检测过程中，连铸坯枝晶粗大、固液分界面高衰减等造成的超声回波弱、信噪比及空间分辨率低的问题。
工作时，在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp 线性调频脉冲电流信号在被测高温工件中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播，进而实现检测。通过采用Chirp线性调频脉冲电流激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件的检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种锻铸件检测电磁超声探头外观示意图；
图2是图1提供的实施例中电磁超声探头的结构示意图；
图3是图1提供的实施例中电磁超声探头内部组件与探头底座配置结构示意图；
图4是图1提供的实施例中探头底座中激励/接收线圈与刚玉片配置结构示意图；
图5是图1提供的实施例中探头底座中刚玉片结构示意图；
图6是本发明实施例提供的探头内部水循环冷却和探头底部瞬态局部喷水冷却示意图；
图7是本发明实施例提供的电磁超声探头激发出的线性调频信号图；
图8是本发明实施例提供的电磁超声探头横波激发原理图；
图9是本发明实施例提供的铸锻件电磁超声测厚装置结构示意图；
图10是本发明实施例提供的超高温铸锻件厚度检测及波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例提供了一种超高温铸锻件检测电磁超声探头，包括：
探头外壳(1、2)；
设置于所述探头外壳(1、2)的腔体内的永磁体组(7、8)；
设置于所述探头外壳(1、2)底部镂空区域的刚玉片11；
设置于所述刚玉片11顶部的激励/接收线圈10；
依次贯穿所述探头外壳、永磁体组(7、8)、激励/接收线圈10、刚玉片11的空心管5；
与所述探头外壳(1、2)的腔体连通的若干进水口3及若干出水口4；以及
所述探头外壳(1、2)与所述永磁体组(7、8)、激励/接收线圈10、空心管5之间的空腔构成的循环冷却通道。
探头冷却系统可分为探头内部水循环冷却和探头底部瞬态局部喷水冷却两部分。探头内部水循环冷却通道为探头外壳内壁与永磁体组、激励/接收线圈10、空心管5之间的空腔部分，冷却水从进水口3进入循环冷却通道，从出水口4流出，在高温环境下，该探头内部水循环冷却可使探头中的永磁体组持续提供较强的偏置磁场，维持永磁体组与激励/接收线圈 10的常温状态，实现激励/接收线圈10的持续正常工作。探头底部喷水冷却主要通过空心管 5喷水实现，空心管5贯穿探头外壳顶部和刚玉片11中心，高温环境下，探头与高温工件接触时，探头底部喷水中的空心铜管可从探头顶部进水并从探头底部喷水，水可在超高温工件表面迅速蒸发，产生一层水蒸气“气垫”，对探头底部起到隔热保护作用；另外，喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率及信噪比。激励/接收线圈10放置于探头外壳内部，而不是直接与高温、表面粗糙工件接触，可以保护线圈不受破坏，同时，在探头内部的水循环冷却作用下，可对线圈强制降温，保证线圈的安全可靠工作；激励/接收线圈10下方为刚玉片11，可防止通电线圈在探头底部产生超声波，从而提高信噪比。
如图6所示，工作时，通过水循环控制系统来控制探头内部水循环冷却和探头底部瞬态局部喷水冷却的水流量和喷水时间，所述包括水循环控制系统包括探头内部水循环冷却部和探头底部喷水冷却部，所述探头内部水循环冷却部包括依次连接的第一外部水泵01、第一进水管02、进水节能阀门03、所述探头外壳上的进水口3、循环冷却通道05、所述探头外壳上的出水口4、出水管07；所述探头底部喷水冷却部包括依次连接的第二外部水泵08、第二进水管09、流量控制阀010、脉冲电控阀011及所述空心管5，通过流量控制阀010、脉冲电控阀011可以调节探头底部喷水流量和持续时间。在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流信号在被测高温工件中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播，进而实现检测。通过采用Chirp线性调频脉冲电流激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件的检测。
具体的，所述激励/接收线圈10为纱包铜线绕制的与所述刚玉片11平行的接收一体跑道线圈结构，所述纱包线由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成。具体实施时，所述纱包线由10～50 根细漆包铜线捆绑成一簇而成，所述细漆包铜线线径为0.01mm～0.07mm，具体取值可根据需要而定，本实施例中，所述纱包线由35根细漆包铜线捆绑成一簇而成，所述细漆包铜线线径为0.03mm，。
所述激励/接收线圈10为由纱包铜线手工绕制而成的接收一体单线圈，即为同一跑道线圈；所述跑道线圈直道部分为电磁超声有效换能区域。采用双工机可实现超声波信号的收发一体，避免一收一发双线圈/双探头检测时线圈/探头无法准确对中以及双线圈之间的电磁脉冲干扰，可实现对超声信号的完整接收，提高信噪比。所述跑道线圈配合所述永磁体组和Chirp 线性调频脉冲激励电流，可实现Chirp线性脉冲横波激励。纱包线由多根细漆包铜线组成，其绕制的跑道线圈具有以下优点：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体表层，使得表层电流密度大、导体内部电流小；多根细漆包铜线组成的纱包线取代单根漆包铜线可以保证电流在通过每一根漆包铜线的横截面电流密度接近于均匀，从而提高导线横截面利用率，进一步能提高电磁超声探头的换能效率。采用由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成激励/接收线圈具有等效阻抗随频率和提离变化影响小这一特点，有利于脉冲压缩技术的实现；跑道线圈EMAT具有宽带宽特性(0.1～50MHz)，可以产生 0.1～0.5MHz低频横波，通过采用Chirp线性调频脉冲激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件厚度检测。
具体的，所述永磁体组包括上下N-S极性摆放相反的两列长方体永磁铁7，以及夹设于所述两列永磁铁7中间的非铁磁性金属挡板8，所述空心管5贯穿所述非铁磁性金属挡板8。根据实际需要，每列永磁铁7可由3～5个同一尺寸的永磁铁组成，永磁铁可选用钕铁硼永磁铁或钐钴永磁铁，同一永磁铁长、宽、高范围可分别选择为30～40mm、10～15mm、10～20mm。所述夹于两列永磁铁7间的非铁磁性金属挡板8可为铝、铜等材料，其厚度为两列长方体永磁铁7水平摆放的间距，一般为8～15mm；所述非铁磁性金属挡板8上下面中心区域为一贯穿圆柱通孔，孔径6mm，用于探头底部喷水系统中的空心管5的插放。
本实施例中，所述空心管5外径6mm、内径4mm，且所述空心管5上端与进水水管连接，其通过水流量由进水节能阀门控制；下端穿过刚玉片11与刚玉片11下表面平齐。所述空心管5由铜制成，其外表面与探头外壳顶部的圆柱通孔贯穿面间涂有防水密封胶，所述空心铜管5下端与刚玉片11之间接触不完全区域涂有耐高温密封胶，可保证高温工作状态下，探头底部喷水系统不漏水。
优选地，还包括两个磁片9，所述两个磁片9分别设置于所述永磁体组的上下两端。
两个磁片9采用导磁、不导电、带振动阻尼吸收功能的材料制成，可对永磁体组起到聚磁作用，可以提高横波纯度，防止在永磁体组中产生超声波，达到提高信噪比的效果。磁片 9可选用坡莫合金、铁镍合金、MnZn铁氧体中的一种材料并配合橡胶制成。
具体的，所述若干进水口3设置于所述探头外壳的下部，所述若干出水口4设置于所述探头外壳顶部。冷却水从下至上，提高对离高温工件更近的一端的降温效果。本实施例中，所述探头外壳下部的两侧各设置有一个进水口3，探头外壳顶部设置有两个出水口4。
如图5所示，本实施例中，所述刚玉片11中心设置有与所述空心管5匹配的主圆通孔14，所述刚玉片11上环绕所述圆通孔14设置有向所述刚玉片11边界发散且呈辐射状的若干副圆通孔15。实施时，所述刚玉片11由氧化铝材料制成，所述刚玉片11的厚度为0.5mm～1.5mm，本实施例中其厚度为1mm，本实施例中主圆通孔14孔径为Ф6mm，副圆通孔15数量为20～30 个，其孔径为Ф1mm。
刚玉片上排布若干副圆通孔可使探头腔体内的冷却水均匀地喷至换能区域，使换能区域的整个区域均匀冷却，同时，通过调节探头底部喷水流量和持续时间来调制铸锻件表面的温度、相变过程和相结构，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率和信噪比。刚玉片11耐磨、耐水煮、耐腐蚀、耐高温，且具有足够硬度，刚玉片边界与探头底座镂空区域咬合，且接触区域涂抹耐高温密封胶，刚玉片11上表面涂抹一定厚度的耐高温密封胶后，将激励/接收线圈10水平居中黏合固定于上方，可起到对激励/接收线圈10绝缘隔热的作用；同时，高温条件下，配备探头内部水循环冷却后，可很好地起到对激励/接收线圈10的冷却保护作用。刚玉片11区域边界一般距激励/接收线圈10 外侧3～6mm，且所述刚玉片11正中心区域为一直径6mm的圆柱通孔，供所述空心管5穿插进行喷水。
进一步地，所述探头外壳包括探头壳体1和连接于所述壳体1底部的探头底座2，所述探头壳体1与探头底座2之间设置有耐高温防水石墨密封环6。所述耐高温防水石墨密封环6 厚度为1～3mm，可保证1200℃以上超高温环境下探头壳体与探头底座连接区域不渗水。所述探头底座2中部为镂空结构，其镂空区域边界较所述刚玉片11边界小1～2mm，镂空区域边界加工为0.5mm厚的阶梯状，用于与刚玉片11咬合固定；所述探头底座2镂空区域边界与所述刚玉片11间的贴合区域涂有耐高温密封胶，可实现1200℃以上高温环境下的防水、抗高温。
实施例2
如图7至图10所示，本实施例提供了一种利用如上所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头的在线快速检测方法，包括：
向进水口及空心管上端通入冷却水，并控制流量；
在激励/接收线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，从而激发出一束正弦扫频横波超声，沿被测试样厚度方向传播；
激励/接收线圈接收超声回波转化为的电信号，经放大、滤波后，获得对应Chirp线性调频脉冲电流频率段的信号，转换为数字信号传至PC机，并经过脉冲压缩处理后获得实时A 扫显示信号。
冷却水从进水口进入循环冷却通道，从出水口出，在高温环境下，该探头内部水循环冷却可使探头中的永磁体组持续提供较强的偏置磁场，维持永磁体组与激励/接收线圈的常温状态，实现激励/接收线圈的持续正常工作。高温环境下，探头与高温工件接触时，空心铜管可从探头顶部进水并从探头底部喷水，水可在超高温工件表面迅速蒸发，产生一层水蒸气“气垫”，可对探头底部起到隔热及保护作用；另外，喷出的水可对高温工件的局部表面进行冷却，使探头底部接触的高温工件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点左右，可产生磁致伸缩效应，可极大程度地提高磁致伸缩效应对激励/接收超声波的贡献比，从而提高电磁超声换能效率及信噪比。在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流信号在被测高温工件中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播，进而实现检测。通过采用Chirp线性调频脉冲电流激励信号，更适合基于脉冲压缩技术下的粗晶、高衰减系数的高温铸锻件的检测。
具体的，通过打开探头外部压水泵，给探头内部水循环冷却部分的进水口和探头底部喷水部分的进水口分别通入冷水，将探头底部喷水部分的进水节能阀门调至喷水口出水量适宜为止，并采用脉冲继电器控制喷水时间，对探头内部和待测试样表面检测区域进行持续冷却。
如图7、图8所示，在激励线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，该低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流信号在被测试样中产生方向相反的Chirp线性调频脉冲电涡流，在偏置磁场下产生洛伦兹力，或者该种Chirp线性调频脉冲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洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播；
当横波超声遇到被测试样(如连铸胚)内部固-液分界面或被测试样底端面会产生分界面或底部端面反射回波，超声回波信号经过逆洛伦兹力效应或逆磁致伸缩效应后转化为电流信号被接收线圈接收，经双工机接收并传出后，经过前置放大器放大、滤波器滤波，通过AD 信号采集卡转换为数字信号显示在PC机上，原始Chirp线性调频脉冲信号经过特定的脉冲压缩后获得实时A扫显示信号显示在LabView界面上，其实现装置如图9所示，读取LabView 界面上经脉冲压缩后的始波与分界面或底部端面反射回波之间的时间差t；
当需检测厚度时，按照公式d＝1/2*v*t计算被测试样的厚度d，从而完成试样的厚度检测， v为超声在被测试样材料内的传播速度；根据被测试样的温度进行修正，确定铸锻件的厚度。
本实施例中，所述低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流的调频范围为50KHz～600KHz，其脉宽范围为30μs～80μs，其电流范围为10A～100A。
下面结合附图并以厚度检测为例详细描述本发明原理：
高温电磁超声探头的组合形式如图1至图5所示。电磁超声的产生原理图如图8所示。探头底座2中部为镂空结构，镂空结构边缘设置成阶梯状，用于支撑固定刚玉片11，刚玉片 11上方居中放置激励/接收线圈10。一方面，激励/接收线圈10放置于探头内部，而不是直接与高温、表面粗糙件接触，可以保护线圈不受破坏，同时，在探头内部的水循环冷却作用下，可对线圈强制降温，保证线圈的安全可靠工作；另一方面，激励/接收线圈10下方为刚玉片 11，可防止通电线圈在探头底座2产生超声波，从而提高信噪比。
刚玉片11与激励/接收线圈10之间为耐高温密封胶，两列永磁铁7夹一块非铁磁性金属挡板8构成一体，永磁体组(7和8)上下两端分别吸附MnZn铁氧体磁片9，三者作为一个整体居中位于探头底座2阶梯卡槽上方，用于产生垂直方向的恒定磁场Bz，MnZn铁氧体磁片9可对一列永磁铁7起到隔热以及避免在该列永磁铁7内部形成超声波的作用，旨在提高横波纯度与信噪比。当激励/接收线圈10通过低频线性调频脉冲电流Ie，会在被测高温连铸坯12的表面产生与激励电流方向相反的线性调频脉冲电涡流Je，线性调频脉冲电涡流在恒定磁场Bz的作用下，会在被测高温连铸坯12的表面产生向左或向右的洛伦兹力FLr，从而在被测高温铸锻件12表面产生线性调频超声横波13。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。低频线性调频脉冲电流Ie在被测高温铸锻件12中感应出低频线性调频交变磁场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，从而在被测高温铸锻件12表面产生周期性振动，形成超声波。超声波在被测高温铸锻件12表面产生，并沿着厚度方向向下传播，当遇固-液分界面或底端面后，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高温铸锻件12表面振动，引起周围磁场的变化，在激励/接收线圈10中感生出电压信号，经过双工机并经过几次放大滤波后，通过AD信号采集卡输入到计算机中，通过集成脉冲压缩检测技术的LabVIEW软件界面，获取脉冲压缩后的始波和分界面或底端面回波信号的时间差。如图10所示，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)，则被测高温铸锻件12中分界面或底端面离上表面的距离d为d＝1/2*v*t，从而完成铸锻件厚度的精确检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，包括：
探头外壳；
设置于所述探头外壳的腔体内的永磁体组；
设置于所述探头外壳底部镂空区域的刚玉片；
设置于所述刚玉片上方的激励/接收线圈；
依次贯穿所述探头外壳、永磁体组、激励/接收线圈、刚玉片的空心管；
与所述探头外壳的腔体连通的若干进水口及若干出水口；以及
所述探头外壳与所述永磁体组、激励/接收线圈、空心管之间的空腔构成的循环冷却通道；
所述刚玉片中心设置有与所述空心管匹配的主圆通孔，所述刚玉片上环绕所述圆通孔设置有向所述刚玉片边界发散且呈辐射状的若干副圆通孔；
空心管及若干副圆通孔均用于喷水，使电磁超声探头底部接触的待测超高温铸锻件的换能区域表面温度迅速降至居里温度点。
2.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，所述激励/接收线圈为纱包铜线绕制的与所述刚玉片平行的接收一体跑道线圈结构，所述纱包线由多根细漆包铜线捆绑成一簇而成。
3.根据权利要求2所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，所述纱包线由10～50根细漆包铜线捆绑成一簇而成，所述细漆包铜线线径为0.01mm～0.07mm。
4.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，所述永磁体组包括上下N-S极性摆放相反的两列永磁铁，以及夹设于所述两列永磁铁中间的非铁磁性金属挡板，所述空心管贯穿所述非铁磁性金属挡板。
5.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，还包括两个磁片，所述两个磁片分别设置于所述永磁体组的上下两端。
6.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，所述若干进水口设置于所述探头外壳的下部，所述若干出水口设置于所述探头外壳顶部。
7.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，所述刚玉片由氧化铝材料制成。
8.根据权利要求1所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头，其特征在于，还包括水循环控制系统，所述包括水循环控制系统包括探头内部水循环冷却部和探头底部喷水冷却部，所述探头内部水循环冷却部包括依次连接的第一外部水泵、第一进水管、进水节能阀门、所述探头外壳上的进水口、循环冷却通道、所述探头外壳上的出水口、出水管；所述探头底部喷水冷却部包括依次连接的第二外部水泵、第二进水管、流量控制阀、脉冲电控阀及所述空心管。
9.一种利用如权利要求1至8任一项所述的超高温铸锻件检测电磁超声探头的在线快速检测方法，其特征在于，包括：
向进水口及空心管上端通入冷却水，并控制流量；
在激励/接收线圈内通入低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流，从而激发出一束正弦扫频横波超声，沿被测试样厚度方向传播；
激励/接收线圈接收超声回波转化为的电信号，经放大、滤波后，获得对应Chirp线性调频脉冲电流频率段的信号，转换为数字信号传至PC机，并经过脉冲压缩处理后获得实时A扫显示信号。
10.根据权利要求9所述的在线快速检测方法，其特征在于，所述低频、大功率Chirp线性调频脉冲电流的调频范围为50KHz～600KHz，其脉宽范围为30μs～80μs，其电流范围为10A～100A。
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