CN113155977A - 用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器及检测方法，属于电磁超声检测技术领域。本发明为解决现有电磁超声换能器在高温环境下易产生故障，工作性能不可靠的问题。换能器包括：黄铜外壳的底面居中开方形口，方形口内嵌入陶瓷片，陶瓷片上表面设置线圈骨架，激励导线缠绕在线圈骨架上形成激励线圈，所述线圈骨架大于陶瓷片；线圈骨架上表面设置铜箔层；铜箔层的上方设置励磁线圈；所述励磁线圈用以产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；黄铜外壳除底面以外的侧壁上设置信号接口，激励导线通过高温导线连接信号接口，所述信号接口用于传递表面波回波信号。本发明适用于金属制造、高温管道检测。
Description
技术领域
本发明涉及用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器及检测方法，属于电磁超声检测技术领域。
背景技术
金属制品在生产加工过程中，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，在金属零件生产、加工过程中必须通过无损检测技术及时剔除不达标的残次品。
在石油化工领域，对高温管道进行例常检测对保证产品的质量同样至关重要。高温无损检测设备可以在工作状态下对管道进行检测，不会影响正常生产流程，可保证经济效益。
在无损检测领域，目前国内外最常用的是压电超声技术。它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、甘油等)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；并且即使是经过特殊耐高温设计的压电超声检测方法，也只能实现最高约600℃温度的短时间零件检测。长时间的高温检测，容易造成检测设备的永久性损坏。因此现有压电超声技术难以适用于高温、粗糙表面的金属材料内部缺陷的长时间监测。
相比于压电超声检测方法，电磁超声(EMAT)技术则是一种可以直接在试件内部激发超声波源的无损检测方法，其基于洛伦兹力和磁致伸缩效应直接在金属内部产生周期性振动，从而生成声波信号；再基于发射声波的逆过程对反射回来的声波信号进行接收，实现检测。
表面波是一种仅在试件表层传播的超声导波，其声波能量主要集中在试件表面以下一个波长内。表面波具有单模式、无频散、能量集中、传播距离远、可在弯曲界面传播、对试件表面机械参数变化十分敏感等优点，因此被广泛应用于表面及近表面裂纹、凹坑、孔洞、分层的无损检测和表面光洁度、残余应力的无损评估等领域。
基于电磁超声EMAT的无损检测技术通过电磁超声EMAT探头实现，目前EMAT探头的检测功能通过永磁体产生的偏置磁场和激励线圈产生的高频交变磁场相互作用实现。众所周知，永磁体在高温环境下会快速退磁，即使是耐温最高的磁铁，其工作温度范围也仅到500℃左右；而在实际工况中，试件表面温度经常超过这个温度。因此，利用永磁体提供静态磁场的EMAT探头无法在高温环境下正常可靠的工作。
现有脉冲电磁铁和激励线圈组合的电磁超声换能器，虽然不需要永磁体提供偏置磁场，但其设计并未考虑高温对换能器结构的破坏，因而不能在高温环境下工作
发明内容
针对现有电磁超声换能器在高温环境下易产生故障，工作性能不可靠的问题，本发明提供一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器及检测方法。
本发明的一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，包括黄铜外壳、励磁线圈、激励导线、线圈骨架、铜箔层和陶瓷片，
黄铜外壳的底面居中开方形口，方形口内嵌入陶瓷片，陶瓷片上表面设置线圈骨架，激励导线缠绕在线圈骨架上形成激励线圈，所述线圈骨架大于陶瓷片；线圈骨架上表面设置铜箔层；铜箔层的上方设置励磁线圈；所述励磁线圈用以产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
黄铜外壳除底面以外的侧壁上设置信号接口，激励导线通过高温导线连接信号接口，所述信号接口用于传递表面波回波信号；
黄铜外壳与激励线圈之间、黄铜外壳与励磁线圈之间，以及励磁线圈内部均浇铸高温绝缘胶。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，所述励磁线圈包括铜质螺旋线圈；所述铜质螺旋线圈具有高温绝缘保护层。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，所述高温绝缘保护层包括高温绝缘布缠绕层或高温绝缘涂层。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，所述激励导线包括具有高温绝缘层的镍线；
所述激励线圈相邻导线间距为λ/2，激励线圈总长度a范围为3λ～8λ，宽度范围为λ～4λ，其中λ为表面波波长。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，所述镍线的线径为0.1mm～1mm；励磁线圈的线径为1mm～4mm。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，铜箔层的厚度为0.1mm～0.5mm；陶瓷片的厚度为0.1mm～0.5mm。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，励磁线圈的内径为10mm～15mm，外径为30mm～40mm，高度为20～40mm；
励磁线圈与激励线圈之间的间距为0.5mm～2mm。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，线圈骨架的外边缘对应于励磁线圈的内径与外径之间。
一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的检测方法，基于所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器实现，包括：
将换能器的陶瓷片与试件表面距离小于2mm放置；
对励磁线圈持续通入峰峰值范围在100A～5000A的电流，持续时间为0.1ms～5ms，使励磁线圈产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
同时，在激励导线内通入4～10个周期的高频正弦信号，所述高频正弦信号峰峰值范围为100A～200A，频率范围为100kHz到2MHz；
准静态磁场和激励线圈周围电磁场在试件近表面通过洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩效应，产生表面波声源，沿试件表面传播；遇到试件内部表面层缺陷或者试件侧壁，产生回波信号；回波信号再沿试件表面传回到激励线圈底部，通过逆洛伦兹力、逆磁化力和逆磁致伸缩效应，转化为激励线圈内的电信号，所述电信号经信号接口导出。
根据本发明所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的检测方法，金属试件缺陷位置的确定方法包括：
已知产生表面波波源与试件无缺陷状态下产生回波电信号的时间差为t0；
在检测过程中，若产生表面波波源与试件产生回波电信号的时间差t小于t0，则判断试件存在缺陷，缺陷位置d为：
式中v为表面波波速：
式中σm为试件的泊松比，ρm为试件密度，μm为试件拉密常数。
本发明的有益效果：本发明适用于800℃高温环境下的金属试件缺陷检测，可长时间持续工作，因而可用于对试件的实时监测。适用于金属制造、高温管道检测等领域。
本发明所述换能器采用励磁线圈激发磁场的方式，无需设置永磁体；依靠材料本身的耐热性能，无需额外配置冷却装置；具有结构简单，便于加工制作的优势，大大降低了系统复杂度和使用成本。
本发明适用于最高800℃高温、表面粗糙金属材料内部缺陷的长时间、可靠检测，具有较高的检测精度，能用于大型高温金属锻件、热态压力管道等在役无损检测。
本发明中的换能器经过800℃高温实验，可以保证可靠的高温探伤。
附图说明
图1是本发明所述用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的结构示意图；
图2是本发明的金属试件缺陷检测原理图；图中P表示缺陷，Q表示试件；
图3是本发明所述换能器的电流时序图；
图4是激励线圈的形状示意图；
图5是励磁线圈的绕制示意图；
图6是图5的A-A向视图；
图7是本发明具体实施例中，由信号接口获得的电压信号与时间的对应关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图6所示，本发明提供了一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，包括黄铜外壳1、励磁线圈2、激励导线3、线圈骨架4、铜箔层5和陶瓷片6，
黄铜外壳1的底面居中开方形口，方形口内嵌入陶瓷片6，陶瓷片6上表面设置线圈骨架4，激励导线3缠绕在线圈骨架4上形成激励线圈，所述线圈骨架4大于陶瓷片6；线圈骨架4上表面设置铜箔层5；铜箔层5的上方设置励磁线圈2；所述励磁线圈2用以产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
黄铜外壳1除底面以外的侧壁上设置信号接口7，激励导线3通过高温导线8连接信号接口7，所述信号接口7用于传递表面波回波信号；
黄铜外壳1与激励线圈之间、黄铜外壳1与励磁线圈2之间，以及励磁线圈2内部均浇铸高温绝缘胶9。
本实施方式中激励导线3为可承受高温环境的导线。激励线圈下层的陶瓷片6可保护激励线圈不受外力冲击；激励线圈上层的铜箔层5可屏蔽外界对激励线圈的电磁干扰。
换能器的各组件放置在黄铜外壳1中，黄铜外壳1内除组件外所有闲置空间浇筑高温绝缘胶9；信号接口7可与外部硬件电路相连，用于接收并向外传递表面波回波信号。线圈骨架4采用耐高温材料制作。
进一步，结合图5和图6所示，所述励磁线圈2包括铜质螺旋线圈；所述铜质螺旋线圈具有高温绝缘保护层。
励磁线圈2处于铜箔层5上方，由于励磁线圈2距离高温试件表面较远，可以使用导电性能好但是熔点较低的铜质导线，在绕制励磁线圈2之前，需要先对铜线进行高温绝缘保护。
常用铜质螺旋线圈为线径为1mm～4mm的漆包线，有机漆层在高温下会失效，因而需要在绕制励磁线圈之前，使用高温绝缘材料对漆包线进行额外的绝缘处理；励磁线圈2绕制方式为螺旋叠绕方式。
再进一步，所述高温绝缘保护层包括高温绝缘布缠绕层或高温绝缘涂层。
再进一步，结合图4所示，所述激励导线3包括具有高温绝缘层的镍线；
所述激励线圈相邻导线间距为λ/2，激励线圈总长度a范围为3λ～8λ，宽度范围为λ～4λ，其中λ为表面波波长。
相邻导线间距为λ/2是为了实现表面波的干涉，进而增大表面波幅值；激励线圈的整体尺寸限制是综合考虑到表面波的幅值和换能器体积大小而进行的选择。
在高温环境下，细铜线会快速氧化，变成粉末；银的熔点是962℃，很容易熔化。二者都不适用于高温检测。镍的熔点是1453℃，800℃左右的高温环境下呈现良好的稳定性，虽然镍的导电特性次于铜和银，但是由此造成的信噪比的降低可以通过施加更高等级的激励电流解决。因此激励线圈所用的高温导线使用具有高温绝缘层的镍线。
作为示例，所述镍线的线径为0.1mm～1mm；励磁线圈2的线径为1mm～4mm。
不同线径导线能通过的电流不同，线径太细时不耐高温且通入电流不能过大，为实现足够大的电流和足够多的匝数，进而激发出足够强的表面波，对导线的线径进行上述选择。
作为示例，铜箔层5的厚度为0.1mm～0.5mm；陶瓷片6的厚度为0.1mm～0.5mm。
铜箔层5的厚度低于0.1mm容易损坏，且厚度为0.1mm时足够屏蔽外界电磁噪声干扰，铜箔层厚度上限受制于励磁线圈与激励线圈的距离。陶瓷片厚度要大于0.1mm，保证其可以起到保护线圈的作用，小于0.5mm是保证激励线圈距离试件表面足够近。
作为示例，励磁线圈2的内径为10mm～15mm，外径为30mm～40mm，高度为20～40mm；
励磁线圈2与激励线圈之间的间距为0.5mm～2mm。
以上参数选取是考虑到励磁线圈需要在试件表面位置产生足够大强度的磁场而设定的。
本实施方式中励磁线圈与一般电磁铁存在以下不同：
1)所述励磁线圈具有可靠的高温保护措施；
2)为使激励的声波达到最大幅值，对所述励磁线圈进行具体的尺寸限制，可以同时激发横波和纵波；
2)所述励磁线圈不含铁芯；带铁芯的脉冲电磁铁虽然具有更显著的磁通密度，但铁磁材料的磁化曲线和磁导率受环境温度的影响，会给换能器带来未知的误差和漂移。这对于某些利用声波衰减做定量分析的工况十分不便。并且在800℃左右时，铁芯的相对磁导率突变为1，对磁场的增强作用十分微弱。
进一步，结合图1所示，线圈骨架4的外边缘对应于励磁线圈2的内径与外径之间，使激励线圈基本处于励磁线圈产生的垂直向下磁场中。
具体实施方式二、结合图1至图3所示，本发明还提供了一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的检测方法，基于具体实施方式一所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器实现，包括，
将换能器的陶瓷片6与试件表面距离小于2mm放置；
对励磁线圈2持续通入峰峰值范围在100A～5000A的电流，持续时间为0.1ms～5ms，使励磁线圈2产生近似垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
同时，在激励导线3内通入4～10个周期的高频正弦信号，所述高频正弦信号峰峰值范围为100A～200A，频率范围为100kHz到2MHz；
准静态磁场和激励线圈周围电磁场在试件近表面通过洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩效应，产生表面波声源，沿试件表面传播；遇到试件内部表面层缺陷或者试件侧壁，产生回波信号；回波信号再沿试件表面传回到激励线圈底部，通过逆洛伦兹力、逆磁化力和逆磁致伸缩效应，转化为激励线圈内的电信号，所述电信号经信号接口7导出。
当表面波传播过程中遇到材料表面缺陷或侧壁，会产生同频率的回波。回波在电磁超声探头底部通过逆洛伦兹力、逆磁化力和逆磁致伸缩效应把声信号转变回电信号，通过信号接口7传递的电信号，可判断在试件表面及近表面是否出现缺陷，并对缺陷进行定量分析。
需要注意的是：
1)试件声速会随温度显著变化，为提高缺陷位置的测量准确度，需要根据待测试样的温度对表面波波速进行修正。理论修正的方程由于对试件的边界条件不能完善考虑，因此常常使用实际测定的声速值。
2)通过缺陷回波信号的声时差可以计算缺陷位置，可以通过回波信号的幅值对缺陷形状和大小做定量分析。
3)激励线圈发射的表面波信号频率可根据实际环境选择不同的频率，声波频率越高，可以发现越小当量的缺陷，但是测试范围变小；反之亦然。改变激励线圈频率的同时，相应的需要改变线圈骨架。
进一步，结合图3所示，金属试件缺陷位置的确定方法包括：
表面波沿试件表面传播，遇到侧壁会产生回波，已知换能器产生表面波波源与试件无缺陷状态下产生回波电信号的时间差为t0；当试件中存在表面缺陷时，表面波遇到缺陷也会产生回波，在检测过程中，若产生表面波波源与试件产生回波电信号的时间差t小于t0，则判断试件存在缺陷，缺陷位置d为：
式中v为表面波波速：
式中σm为试件的泊松比，ρm为试件密度，μm为试件拉密常数。
具体实施例：
高温炉800摄氏度实验：
所述线圈骨架4采用304不锈钢；
所述激励线圈采用GN1000镍高温线，相邻导线间距2.98mm，激励线圈总长度a＝12mm，宽度b＝4mm。
所述铜箔层5厚度为0.3mm；
所述陶瓷片厚度0.5mm；
陶瓷片与激励线圈距离为0.1mm；铜箔层5与激励线圈距离为0.1mm；
所述励磁线圈使用直径2mm漆包线，外包两层高硅氧玻璃纤维绝缘管进行高温绝缘处理。
高温电磁超声表面波换能器使用方法：首先对励磁线圈通入峰峰值为1000A的脉冲电流，持续时间2ms；经过100us后，向激励线圈内通入电流峰峰值为20A，8周期的500kHz的正弦波。
现有进行高温金属检测的设备难以在高温环境下长时间工作，且通常需要配置水冷等外围设备，具有结构复杂的缺陷。结合图7所示，本实施例中的换能器采用双线圈的结构，在高温环境下进行金属检测得到的回波信号信噪比高，性能稳定，优于现有技术。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于包括黄铜外壳(1)、励磁线圈(2)、激励导线(3)、线圈骨架(4)、铜箔层(5)和陶瓷片(6)，
黄铜外壳(1)的底面居中开方形口，方形口内嵌入陶瓷片(6)，陶瓷片(6)上表面设置线圈骨架(4)，激励导线(3)缠绕在线圈骨架(4)上形成激励线圈，所述线圈骨架(4)大于陶瓷片(6)；线圈骨架(4)上表面设置铜箔层(5)；铜箔层(5)的上方设置励磁线圈(2)；所述励磁线圈(2)用以产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
黄铜外壳(1)除底面以外的侧壁上设置信号接口(7)，激励导线(3)通过高温导线(8)连接信号接口(7)，所述信号接口(7)用于传递表面波回波信号；
黄铜外壳(1)与激励线圈之间、黄铜外壳(1)与励磁线圈(2)之间，以及励磁线圈(2)内部均浇铸高温绝缘胶(9)。
2.根据权利要求1所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，所述励磁线圈(2)包括铜质螺旋线圈；所述铜质螺旋线圈具有高温绝缘保护层。
3.根据权利要求2所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，所述高温绝缘保护层包括高温绝缘布缠绕层或高温绝缘涂层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，
所述激励导线(3)包括具有高温绝缘层的镍线；
所述激励线圈相邻导线间距为λ/2，激励线圈总长度a范围为3λ～8λ，宽度范围为λ～4λ，其中λ为表面波波长。
5.根据权利要求4所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，
所述镍线的线径为0.1mm～1mm；励磁线圈(2)的线径为1mm～4mm。
6.根据权利要求5所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，
铜箔层(5)的厚度为0.1mm～0.5mm；陶瓷片(6)的厚度为0.1mm～0.5mm。
7.根据权利要求6所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，
励磁线圈(2)的内径为10mm～15mm，外径为30mm～40mm，高度为20～40mm；
励磁线圈(2)与激励线圈之间的间距为0.5mm～2mm。
8.根据权利要求7所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器，其特征在于，
线圈骨架(4)的外边缘对应于励磁线圈(2)的内径与外径之间。
9.一种用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的检测方法，基于权利要求1至8中任一项所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器实现，其特征在于包括，
将换能器的陶瓷片(6)与试件表面距离小于2mm放置；
对励磁线圈(2)持续通入峰峰值范围在100A～5000A的电流，持续时间为0.1ms～5ms，使励磁线圈(2)产生垂直于激励线圈平面的准静态磁场；
同时，在激励导线(3)内通入4～10个周期的高频正弦信号，所述高频正弦信号峰峰值范围为100A～200A，频率范围为100kHz到2MHz；
准静态磁场和激励线圈周围电磁场在试件近表面通过洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩效应，产生表面波声源，沿试件表面传播；遇到试件内部表面层缺陷或者试件侧壁，产生回波信号；回波信号再沿试件表面传回到激励线圈底部，通过逆洛伦兹力、逆磁化力和逆磁致伸缩效应，转化为激励线圈内的电信号，所述电信号经信号接口(7)导出。
10.根据权利要求9所述的用于高温金属检测的电磁超声表面波换能器的检测方法，其特征在于，金属试件缺陷位置的确定方法包括：
已知产生表面波波源与试件无缺陷状态下产生回波电信号的时间差为t0；
在检测过程中，若产生表面波波源与试件产生回波电信号的时间差t小于t0，则判断试件存在缺陷，缺陷位置d为：
式中v为表面波波速：
式中σm为试件的泊松比，ρm为试件密度，μm为试件拉密常数。
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