基于磁致伸缩电磁超声导波的钢板焊缝缺陷检测.pdf

书书书装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）测控技术年 第卷 第期收 稿 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（）引 用 格 式：刘 明 远，姚 恩 涛，王 平，等基 于 磁 致 伸 缩 电 磁 超 声 导 波 的 钢 板 焊 缝 缺 陷 检 测测 控 技 术，（）：，（）：基于磁致伸缩电磁超声导波的钢板焊缝缺陷检测刘 明 远，姚 恩 涛，王平，石玉（南 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 学 院，江 苏 南 京）摘 要：针 对 工 业 现 场 使 用 压 电 超 声 波 检 测 焊 缝 缺 陷 时 需 使 用 耦 合 剂 的 问 题，研 究 了 通 过 无 须 耦 合 剂 的 基于 磁 致 伸 缩 电 磁 超 声 对 薄 钢 板 焊 缝 中 缺 陷 进 行 检 测 的 方 法，并 且 针 对 电 磁 超 声 换 能 效 率 低、信 号 微 弱 的问 题，通 过 仿 真 优 化 了 回 折 线 圈 结 构 参 数，选 择 了 三 分 裂 回 折 线 圈，并 探 究 了 导 波 频 率 对 缺 陷 检 测 灵 敏度 的 影 响。仿 真 结 果 表 明：相 比 于 无 分 裂 线 圈，选 择 三 分 裂 回 折 线 圈 后 激 励 信 号 面 内 位 移 幅 值 提 高 了，随 着 导 波 频 率 增 加，缺 陷 反 射 回 波 幅 值 表 现 出 先 增 大 再 减 小 的 变 化 规 律。实 验 结 果 表 明：模态波 垂 直 入 射 焊 缝 时，焊 缝 本 身 产 生 的 回 波 与 缺 陷 信 号 相 比 相 对 较 小，缺 陷 检 测 阈 值 达 到，缺 陷 定 位 误 差 小 于，证 明 了 电 磁 超 声 导 波 具 备 检 测 焊 缝 中 毫 米 级 缺 陷 的 能 力。关 键 词：磁 致 伸 缩；电 磁 超 声 导 波；焊 缝；缺 陷 检 测中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶牷 牷 牷 焊 接 是 现 代 制 造 业 中 极 为 重 要 的 材 料 成 形 和 加 工技 术 之 一。在 焊 接 过 程 中，由 于 焊 接 参 数（焊 接 功 率、保 护 气 体 流 量、焊 接 速 度 等）调 节 不 当 和 焊 接 环 境 复杂 等 不 确 定 因 素，焊 缝 表 面 和 内 部 会 出 现 裂 纹、气 孔、夹 渣、过 烧、凹 坑 等 缺 陷，这 些 缺 陷 不 仅 影 响 焊 缝 外 观形 貌，而 且 会 影 响 焊 接 构 件 产 品 质 量，如 果 发 生 断 带 就会 影 响 生 产 节 奏。因 此 需 要 设 计 一 种 适 用 于 焊 缝 缺 陷检 测 的 实 时 非 接 触 的 无 损 检 测 方 法。对 于 焊 缝 缺 陷 的 无 损 检 测，国 内 外 学 者 使 用 不 同方 法 进 行 了 深 入 研 究。等针 对 螺 旋 管 焊 接 焊缝，提 出 了 一 种 通 过 焊 缝 实 时 射 线 图 像 序 列 自 动 检 测焊 缝 缺 陷 的 自 适 应 方 法，但 射 线 检 测 焊 缝 中 的 微 小 型和 紧 贴 型 缺 陷 较 为 困 难。等提 出 了 通 过一 种 均 匀 涡 流 探 头 结 构 检 测 导 电 板 焊 接 区 的 缺 陷，这种 方 法 可 以 检 测 平 行 和 垂 直 于 焊 缝 的 缺 陷，但 是 涡 流主 要 用 于 检 测 近 表 面 缺 陷。等使 用 超 声 波技 术 对 建 筑 钢 结 构 中 的 焊 缝 进 行 检 测，对 气 孔、夹 渣、未 熔 合、未 焊 透 和 裂 纹 这种 常 见 的 焊 接 缺 陷 进行 了 识 别 和 分 类。等利 用 超 声 相 控 阵 的方 法 对 多 道 次 焊 缝 进 行 检 测。相 比 于 前 面 几 种 检 测 焊缝 的 方 法，基 于 电 磁 耦 合 方 式 的 电 磁 超 声 检 测 方 法 具有 非 接 触、适 用 于 高 温 环 境 和 设 计 灵 活 等 特 点，是 一 种新 兴 的 无 损 检 测 技 术，对 于 无 法 使 用 耦 合 剂 的 场 合，传统 的 超 声 检 测 方 式 不 再 适 用，因 此 基 于 电 磁 超 声 的 检测 方 法 更 适 用 于 工 业 现 场。杨 理 践 等使 用 电 磁 超声 导 波 的 方 式 检 测 铝 板 中 存 在 的 斜 向 裂 纹 缺 陷，为 铝板 中 全 方 位 裂 纹 缺 陷 检 测 提 供 了 理 论 依 据 和 应 用 基础。王 杜 等使 用 电 磁 超 声 兰 姆 波 检 测 钢 板 中 存 在的 分 层 缺 陷，确 定 了 特 定 缺 陷 形 态 对 兰 姆 波 在 板 中 传播 的 影 响。然 而 电 磁 超 声 的 方 式 多 被 用 于 检 测 构 件 本身 的 缺 陷，对 于 钢 板 焊 缝 缺 陷 的 检 测 国 内 外 研 究 少 有涉 及。因 此，为 设 计 出 一 种 可 用 于 无 法 使 用 耦 合 剂 的工 业 现 场 的 焊 缝 缺 陷 非 接 触 无 损 检 测 方 式，提 出 了 一种 基 于 磁 致 伸 缩 效 应 电 磁 超 声模 态 导 波 的 焊 缝 缺陷 检 测 方 法，为 工 业 现 场 检 测 钢 板 焊 缝 缺 陷 提 供 了 一种 新 的 无 损 检 测 方 式。电 磁 超 声 检 测 方 式 存 在 换 能 效率 低 的 问 题，为 提 高 电 磁 超 声 效 率，采 用 增 加 回 折 线 圈分 裂 根 数 的 方 式，并 仿 真 增 加 分 裂 根 数 对 换 能 效 率 的影 响。为 选 择 合 适 的 激 励 频 率，仿 真 研 究 超 声 导 波 频率 对 缺 陷 检 测 灵 敏 度 的 影 响。由 仿 真 结 果 最 终 选 择 线圈 分 裂 根 数 为根，激 励 频 率 为 。实 验 所 用焊 缝 样 件 为 电 阻 拼 接 焊 钢 板 焊 缝，为 探 究 电 磁 超 声 导波 对 毫 米 级 缺 陷 的 检 测 能 力，在 焊 缝 中 人 为 设 置 刻 槽缺 陷 和 通 孔 缺 陷 模 拟 焊 接 过 程 中 产 生 的 典 型 缺 陷。通过 使 用 脉 冲 反 射 的 方 法，利 用 电 磁 超 声波 进 行研 究，实 验 验 证 了模 态波 对 不 同 类 型 和 不 同大 小 毫 米 级 缺 陷 的 检 测 能 力。综 上 所 述，基 于 电 磁 超 声 原 理 的 检 测 方 法 与 传 统超 声 检 测 方 法 相 比，具 有 非 接 触、可 应 用 于 更 多 工 业 场合 的 优 势，并 且 将 电 磁 超 声 技 术 应 用 于 钢 板 焊 缝 缺 陷检 测 的 研 究 在 国 内 外 少 有 涉 及，因 此 本 文 具 有 重 要 的研 究 意 义。检 测 原 理 电 磁 超 声 原 理一 般 认 为 电 磁 声 换 能 器（，）换 能 机 理 包 括 洛 伦 兹 力 机 理 和 磁 致伸 缩 机 理、磁 化 力 机 理。磁 化 力 相 比 于 其 他种机 理，对 产 生 超 声 波 的 贡 献 十 分 微 弱，可 忽 略 不 计。因 此，产 生 超 声 波 的 机 理 主 要 有 两 种：对 于 非 铁磁 性 材 料，以 洛 伦 兹 力 为 主；对 于 铁 磁 性 材 料，磁 致 伸缩 力 与 洛 伦 兹 力 共 同 作 用，产 生 超 声 波。相 关 研 究 表明，在 铁 磁 性 材 料 中，磁 致 伸 缩 效 应 的 换 能 效 率 远 高 于洛 伦 兹 力 效 应，因 此，在 铁 磁 性 材 料 中 激 发 超 声 波主 要 应 考 虑 磁 致 伸 缩 力 的 作 用。磁 致 伸 缩 机 理 的 数 学 形 式 表 示 为 （）（）式 中：为 动 态 磁 场 强 度 矢 量；为 动 态 磁 场 与 静 态磁 场 共 同 作 用 产 生 的 磁 致 伸 缩 力；为 磁 应 力 系 数 矩阵。缺 陷 检 测 原 理取 钢 板 横 波 速 度 为 ，纵 波 速 度 为。利 用软 件 绘 制 出波 在 钢 板 中 的群 速 度 频 散 曲 线 和 相 速 度 频 散 曲 线，如 图所 示。图钢 板 中波 频 散 曲 线从 图可 以 看 出，波 的 频 散 特 性 和 多 模 态 特性 会 导 致 回 波 信 号 难 以 识 别，不 利 于 后 期 的 处 理 和 分析，因 此 应 避 免波 多 模 态，并 选 择 低 频 厚 积 下 的模 态 对 焊 缝 进 行 检 测。波 在 钢 板 中 传 播 时 遇 到 缺 陷，会 发 生 反 射、透 射、散 射 和 模 态 转 换 现 象。反 射 回 波 中 会 携 带 缺 陷信 息，通 过 分 析 反 射 信 号，即 可 判 断 缺 陷 位 置 和 大 小，测 控 技 术年 第卷 第期利 用 该 原 理 可 识 别 焊 缝 中 存 在 的 缺 陷。通 过 沿 焊 缝 平行 方 向 移 动 探 头，并 记 录 下 探 头 移 动 距 离 和 反 射 回 波信 号 幅 值，可 得 出 缺 陷 沿 与 焊 缝 平 行 方 向 的 位 置 和 大小。电 磁 超 声 导 波设 计 线 圈 的 设 计 与 选 择利 用 回 折 线 圈 与 马 蹄 形 永 磁 铁 在 钢 板 中 激 励 超 声导 波。回 折 线 圈 相 邻 导 线 间 距对 超 声 导 波 激 励 有 很大 影 响，导 线 间 距应 按 照 导 波 波 长 的制 作（如 式（）所 示），使 线 圈 各 匝 导 线 所 激 发 的 超 声 波 发生 相 长 干 涉，从 而 产 生 幅 值 较 大、指 向 性 较 强 的 电 磁 超声 导 波。（）式 中：为 回 折 线 圈 相 邻 导 线 间 距；为 导 波 波 长。因换 能 效 率 低，本 文 采 取 一 种 增 加 回 折 线圈 导 线 分 裂 根 数 的 方 法 提 高 换 能 效 率。为 选 择 合理 的 回 折 线 圈 分 裂 根 数，利 用有 限 元 仿 真 软件 进 行 仿 真。选 择 线 圈 回 折 数 为，钢 板 厚 度 为，保 证 永 磁 铁 大 小、激 励 频 率 和 钢 板 厚 度 不 变，分 别对 无 分 裂 到 四 分 裂 回 折 线 圈 进 行 仿 真。用个 方 形 永磁 铁 代 替 马 蹄 形 永 磁 铁 提 供 水 平 方 向 磁 场，回 折 线 圈仿 真 模 型 如 图所 示。图回 折 线 圈 仿 真 模 型不 同 分 裂 根 数 回 折 线 圈 对 超 声 波 幅 值 的 影 响 可 通过 钢 板 内 质 点 面 内 位 移 反 映 出 来，产 生 面 内 位移，如 图（）所 示。取 钢 板 内 固 定 的 一 点，绘 制点处 面 内 位 移 曲 线 图，如 图（）所 示。从 图（）可 以看 出，回 折 线 圈 分 裂 根 数 增 加，激 励 的 超 声 波 幅 值 增大，当 分 裂 根 数 增 加 到根 时，此 时 面 内 位 移 比 三 分 裂线 圈 小。这 是 因 为 随 着 分 裂 根 数 增 加，线 圈 单 位 截 面积 通 过 的 电 流 增 大，试 件 表 面 感 应 涡 流 增 大，因 此 回 折线 圈换 能 效 率 随 之 增 加，受 导 线 宽 度 影 响，当分 裂 根 数 增 加 时，电 流 流 向 相 反 的 相 邻匝 导 线 之 间距 离 逐 渐 减 小，这 时 线 圈 的 邻 近 效 应 会 使 导 线 有 效 截面 积 减 小，电 流 难 以 通 过，电 阻 增 大，损 耗 变 大，导 致 激励 出 的 超 声 波 幅 值 减 小。因 此，在 设 计 线 圈 分 裂 根 数时，