CN109737899A

CN109737899A - 一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置和方法

Info

Publication number: CN109737899A
Application number: CN201910070532.5A
Authority: CN
Inventors: 徐科; 张初; 周鹏; 任威平
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置和方法，脉冲发生器(1)发射脉冲信号驱动多匝线圈(2)在金属试样(4)中基于洛伦兹力机制产生超声波，被接收探头(3)接收并转换为电信号，电信号经过信号放大器(5)放大，然后通过信号记录和分析模块(6)记录下超声波的峰峰值。在标定阶段，对没有缺陷的标准试样进行测量，记录S0兰姆波峰峰值为A₀，然后在标准试样上人工制作不同深度h的刻槽，得到刻槽深度为h时的S0兰姆波峰峰值为A_h，计算S0兰姆波的增强系数E＝A_h/A₀，绘制(h,E)曲线图。在实测阶段，将与待测金属材料作为金属试样(4)，得到S0兰姆波的峰峰值为A_d，计算E＝A_d/A₀，通过(h,E)曲线图可以得到裂纹型缺陷的深度h。

Description

一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种通过洛伦兹力机制在金属材料中激发超声波，当线圈在裂纹型缺陷正上方的时候，远端的接收换能器接收到的超声信号在幅值上有所提升，称为近场增强，利用S0兰姆波的增强系数和裂纹型缺陷深度的关系来进行金属材料裂纹型缺陷深度的无损检测。

背景技术

裂纹是一种危险性缺陷，它不仅严重地削弱了工件的承载能力和抗腐蚀能力，在裂纹末端还易造成应力集中，成为各种断裂的源头。在实际检测中，裂纹往往出现于工件几何、结构和载荷不连续处，如焊缝融合线、热影响区等，应用渗透和磁粉检测方法能够有效发现表面裂纹并测量其长度，但是对其深度测量难度较大，而射线检测对体积缺陷灵敏度较高，平面缺陷灵敏度低，当裂纹与射线方向不完全平行时不易检测。

目前，超声检测技术是对裂纹深度进行定量测量的重要技术手段，主要包括端点衍射法、爬波检测法、衍射时差法、相控阵检测法等，这些检测方法往往或精度不足难以实现深度小于1mm的裂纹型缺陷的定量检测，或检测系统比较复杂难以进行在线检测。

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种通过电磁声耦合的方式激励和接收超声波的装置，常用于金属材料的缺陷检测。在铁磁性材料中，电磁超声的换能机制包括洛伦兹力机制、磁致伸缩力机制和磁化力机制，而在非铁磁性材料中，洛伦兹力机制是唯一的换能机制。在金属材料中，由于裂纹型缺陷的存在，一方面使得超声波在裂纹附近会产生干涉现象，另一方面使得裂纹开口处由原本的连续性边界条件变成了自由边界条件从而加强了金属表面的局部振动，因此通过测量接收换能器接收到的信号峰峰值的大小可以实现金属材料裂纹型缺陷深度的非接触快速测量。

发明内容

在金属材料中，通过洛伦兹力机制激发超声波，当线圈在裂纹型缺陷正上方的时候，远端的接收换能器接收到的超声信号在幅值上有所提升，称为近场增强。对于相同的金属材料，在有裂纹型缺陷情况下的S0兰姆波峰峰值和无缺陷情况下的S0兰姆波峰峰值的比值E称为S0兰姆波的增强系数，该比值受到裂纹型缺陷深度的影响，可以反映出裂纹型缺陷的深度，本发明利用基于洛伦兹力机制的电磁超声实现对裂纹型缺陷深度的测量。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，包括脉冲发生器(1)、多匝线圈(2)、超声波接收探头(3)、待测试样(4)、信号放大器(5)、信号记录和分析模块(6)。多匝线圈(2)放置于待测试样(4)裂纹型缺陷的正上方，保持提离距离为0mm–5mm之间的某个固定值，线圈主平面与待测试样(4)表面垂直，多匝线圈(2)的输入与脉冲发生器(1)的输出采用导线连接；超声波接收探头(3)放置于多匝线圈(2)的轴线方向上，与多匝线圈(2)的距离保持在大于检测盲区150mm，用于接收线圈在试样中产生的超声波；信号放大器(5)的输入与超声波接收探头(3)的输出采用导线连接，信号放大器的输出与信号记录与分析模块(6)的输入相连接。

所述脉冲发生器(1)产生的脉冲电流信号为宽频脉冲信号，可选地使用窄带脉冲信号。

所述多匝线圈(2)由金属导线绕制而成，线圈匝数影响着线圈的阻抗，线圈匝数设定原则应利于线圈与脉冲发生器的输出之间的阻抗匹配。

所述超声波接收探头(3)为电磁超声接收探头，可选地使用压电超声探头或激光超声探头。

所述待测试样，为能在动态磁场中产生涡流的金属材料。

本发明还提供一种检测方法，方法分为装置标定过程和测量过程：

在装置标定过程中，利用没有缺陷的标准试样作为金属试样(4)，脉冲发生器(1)产生脉冲电流并驱动多匝线圈(2)，通过洛伦兹力机制在金属试样(4)中产生超声波，超声波被接收探头(3)接收并转换为电信号传输给信号放大器(5)，记录下S0兰姆波的峰峰值为A₀，然后在标准试样上人工制作不同深度h的刻槽，得到刻槽深度为h时的S0兰姆波的峰峰值为A_h，计算S0兰姆波的增强系数E＝A_h/A₀，绘制(h,E)曲线图。

在测量过程中，利用需要测量的试样作为金属试样(4)，记录下超声信号的峰峰值为A_d，计算E＝A_d/A₀，通过(h,E)曲线图可以得到裂纹型缺陷的深度h，其中需要测量的试样应与标定试样相同材料相同厚度。

本发明的优点是对金属薄板上深度较浅的表面裂纹型缺陷检测灵敏度高，信号处理简单，而传统的超声方法如端点衍射法、衍射时差法等，来自缺陷的端点衍射信号本身比较微弱，且在时域上和直达波互相耦合，给信号解析带来很大的难度。另外，本发明的设备和操作简单，预先标定后即可以用于裂纹型缺陷深度测量，和超声相控阵法相比更适用于工业现场应用。

附图说明

图1为测量装置结构示意图，图1中：1为脉冲发生器，2为多匝线圈，3为超声波接收探头，4为金属试样，5为信号放大器，6为信号记录和分析模块。

图2为典型实施方法示意图。

图3为激励线圈中通入的典型激励电流。

图4为S0兰姆波的增强系数与裂纹型缺陷深度之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的典型实施方式。

待测试样是厚度为1mm铝板板，因此在激励过程中只存在洛伦兹力机制，而接收换能器采用的是基于洛伦兹力机制的电磁超声换能器。实施结构如图2所示，激励线圈采用6匝直径为1mm的矩形线圈，线圈由漆包铜线绕制而成；线圈沿y方向和z方向的尺寸分别为30mm和15mm，线圈的轴向与x轴平行，激励线圈的提离距离L₁＝1mm；激励线圈通入的脉冲电流如图3所示，最大电流约为270A，脉冲持续时间约7μs。接收探头采用的是线性线圈加垂直磁场布置的电磁超声换能器，设置在沿x轴方向距离激励线圈D＝450mm处，接收探头的提离距离为1mm。接收探头的输出与信号放大器的输入连接，信号放大器与信号存储分析设备(如示波器)连接。裂纹型缺陷深度测量的具体步骤为：

步骤1：将没有缺陷的厚度为1mm的铝板作为标准试样，激励线圈中重复通入脉冲电流，重复周期为20ms；由于试样为薄板，激励探头在试样中将产生S0兰姆波，计算S0兰姆波的峰峰值为A₀。

步骤2：在标准试样上人工制作深度为0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.9mm的刻槽来模拟裂纹型缺陷，重复步骤1，得到不同裂纹型缺陷深度h下S0兰姆波的峰峰值为A_h，计算S0兰姆波的增强系数E＝A_h/A₀，以h为横坐标，以E为纵坐标，绘制(h,E)曲线图。

步骤3：将与标准试样同样材质相同厚度的铝板为待测试样，重复步骤1，得到S0兰姆波的峰峰值为A_d，计算E＝A_d/A₀，将E作为图4的纵坐标值，从图4中寻找对应的横坐标值作为测量得到的裂纹型缺陷的深度。

上所述为本发明的典型实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，其特征在于：包括脉冲发生器(1)、多匝线圈(2)、超声波接收探头(3)、金属试样(4)、信号放大器(5)、信号记录和分析模块(6)；多匝线圈(2)放置于裂纹型缺陷的正上方，保持提离距离为0mm-5mm之间，线圈(2)的主平面与待测试样(4)表面垂直，多匝线圈(2)的输入与脉冲发生器(1)的输出采用导线连接；超声波接收探头(3)放置于多匝线圈(2)的轴线方向上，与多匝线圈(2)的距离保持在大于检测盲区150mm，用于接收线圈在试样中产生的超声波；信号放大器(5)的输入与超声波接收探头(3)的输出采用导线连接，信号放大器的输出与信号记录与分析模块(6)的输入相连接。

2.一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，其特征在于所述脉冲发生器(1)产生的脉冲电流信号为宽频脉冲信号。

3.一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，其特征在于所述多匝线圈(2)由金属导线绕制而成，线圈匝数设定应利于线圈与脉冲发生器的输出之间的阻抗匹配。

4.一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，其特征在于所述超声波接收探头(3)为电磁超声接收探头，可选地使用压电超声探头或激光超声探头。

5.利用权利要求1所述的一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置的测量方法，其特征在于：测量过程包括装置标定过程和实际测量过程；

装置标定过程中，用没有缺陷的金属材料作为标准试样，脉冲发生器(1)产生脉冲电流并驱动多匝线圈(2)，在多匝线圈(2)周围产生动态磁场，并在金属试样(4)中产生涡流，引起金属试样(4)表面局部振动，形成声源产生超声波并向远处传播，超声波被接收探头(3)接收并转换为电信号传输给信号放大器(5)中，经过放大后被记录下超声信号的峰峰值为A₀；然后在标准试样上人工制作不同深度h的刻槽，得到刻槽相对深度为h时的S0兰姆波峰峰值为A_h，并计算S0兰姆波的增强系数E＝A_h/A₀，以h为横坐标，以A_h为纵坐标，绘制(h,E)曲线图；

实际测量阶段中，将标定试样替换为与标定试样相同材料相同厚度的待测试样，进行测量，记录下超声信号的峰峰值为A_d，计算E＝A_d/A₀，通过(h,E)曲线图可以得到裂纹型缺陷的深度h。