張 佳,楊理踐,邢燕好,高松巍,謝 哲,付宏文
( 1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽 110870;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201108 )
鋼板是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)原材料,其應(yīng)用過程中受各種因素影響,不可避免的產(chǎn)生裂紋損傷。超聲導(dǎo)波是無損檢測技術(shù)的一種,適合對板、管、桿等[1-3]型材進(jìn)行遠(yuǎn)距離大范圍檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。導(dǎo)波檢測方法包括壓電超聲、電磁超聲、空氣耦合超聲、激光超聲、壓電薄膜、磁致伸縮等[4-9]。其中,電磁超聲檢測方法以其非接觸、無需耦合、具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)于超聲聲場與檢測結(jié)合的研究中,X. Zhang[10]等設(shè)計(jì)螺旋梳磁致伸縮貼片螺旋電磁超聲換能器,計(jì)算彎曲模態(tài)下螺旋角的表達(dá)式,給出了彎曲模態(tài)頻散曲線,提出該貼片具有導(dǎo)波方向控制能力。Y. Xie[11]等利用全解析法分析曲折形線圈的輻射和指向性,對非鐵磁性材料采用洛倫茲力密度的模型計(jì)算方法,驗(yàn)證了指向性研究的正確性。楊理踐[12-14]等通過理論、實(shí)驗(yàn)及仿真等工作,研究了超聲導(dǎo)波傳播過程等,得到鋁板中與管道中電磁超聲導(dǎo)波方向控制。S. Hill[15]等通過對激勵(lì)頻率與周期永磁鐵關(guān)系,得到激勵(lì)頻率與主聲束傳播角度的關(guān)系。C. Thring[16-17]等設(shè)計(jì)多線圈幾何聚焦換能器,實(shí)現(xiàn)換能器法線及法線偏移方向一定范圍內(nèi)缺陷檢測。H. Seung[18]提出非鐵磁性材料中全向剪切-水平導(dǎo)波EMAT,激勵(lì)出全向的SH波。N. Nakamura[19]等設(shè)計(jì)新點(diǎn)聚焦電磁超聲換能器,實(shí)現(xiàn)應(yīng)力開裂狀態(tài)下超聲波聚焦于缺陷處的精準(zhǔn)檢測。O. Putkis[20]等通過復(fù)合各向異性材料中超聲導(dǎo)波傳播與衰減性質(zhì),量化各向異性材料中超聲導(dǎo)波傳播特性。
本文針對鋼板裂紋檢測,分析電磁超聲換能原理中動(dòng)態(tài)磁場參數(shù)的函數(shù)關(guān)系;建立基于畢奧-薩伐爾定律的換能器線圈等效閉合回路模型,進(jìn)行傳播方向分析;引入線圈工作導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)角,構(gòu)建傳播方向控制模型,研究其與傳播方向關(guān)系;驗(yàn)證導(dǎo)波主聲束在鋼板中傳播方向可控及其裂紋檢測能力。
電磁超聲波動(dòng)位移由動(dòng)、靜態(tài)磁場共同作用產(chǎn)生,因靜態(tài)偏置磁場為常數(shù)不變,僅對動(dòng)態(tài)磁場進(jìn)行建模分析,研究電磁超聲波動(dòng)傳播特性,實(shí)現(xiàn)電磁超聲傳播方向的分析與控制[21-24]。
應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律對線圈中動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度建立電磁超聲導(dǎo)波傳播方向分析模型,計(jì)算線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量式,得到主聲束傳播特性。
1.1.1 模型原理
線圈中通入瞬時(shí)有效電流dIm,導(dǎo)線lAB等效為瞬時(shí)閉合矩形回路,矩形長邊定義為工作導(dǎo)線,短邊定義為端線,傳播方向分析模型如圖1所示。
圖1 傳播方向分析模型圖
圖1中,閉合通電線圈在工件內(nèi)P(x,y,z)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為線電流瞬時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度在P點(diǎn)處產(chǎn)生磁場的疊加。建立通電直導(dǎo)線lAB傳播方向分析模型,定義線圈x軸方向長度為2a,y軸方向長度為2b,線圈所在平面建立xoy直角坐標(biāo)系,A點(diǎn)坐標(biāo)為(a,b,0),B點(diǎn)坐標(biāo)為(a,-b,0)。
1.1.2 模型建立
根據(jù)畢奧-薩伐爾定律[25-26],導(dǎo)線lAB在P點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(1)
式中:μ0為真空中磁導(dǎo)率;dl為導(dǎo)線lAB上Q點(diǎn)的線電流;θ1為AP與導(dǎo)線lAB的夾角;θ2為BP與導(dǎo)線BA夾角。
根據(jù)微分原理,導(dǎo)線lAB在被測試件上的P點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為靜磁場。在時(shí)域內(nèi)對瞬時(shí)靜磁感應(yīng)強(qiáng)度求積分,得到等效閉合線圈中導(dǎo)線lAB在P點(diǎn)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度:
(2)
式中:dt為瞬時(shí)時(shí)間間隔;θ為QP與dl的夾角。
則存在如下關(guān)系式:
l=Ltanθ
(3)
(4)
式中L為P點(diǎn)到導(dǎo)線lAB所在直線的距離。
將式(3)、式(4)帶入式(2),可得:
(5)
導(dǎo)線lAB的動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直于y軸方向,當(dāng)且僅當(dāng)cosθ2=cosθ1時(shí),式(5)中導(dǎo)線lAB的動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度存在最大值,即P點(diǎn)在導(dǎo)線lAB垂直平分線上取得最大值。線圈與被測試件存在提離,P點(diǎn)為平面上場點(diǎn),則L、θ1、θ2間數(shù)學(xué)關(guān)系為:
(6)
(7)
(8)
根據(jù)右手定則,導(dǎo)線lAB在被測試件上一定距離處P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場垂直于ABP平面,導(dǎo)線lAB在P點(diǎn)沿z軸方向產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為:
(9)
式中d為被測試件上一定距離的P點(diǎn)所在的xoy平面到導(dǎo)線lAB的距離。
P點(diǎn)在導(dǎo)線lAB上時(shí),式(9)成立且達(dá)到最大值,式(7)與式(8)相等,存在x=a,y=0,P點(diǎn)在導(dǎo)線lAB的中垂線上;P點(diǎn)在導(dǎo)線lAB外時(shí),式(9)成立且得到最大值,存在x=a,0 根據(jù)電磁超聲導(dǎo)波傳播方向分析模型,沿EMAT線圈工作導(dǎo)線垂直方向磁感應(yīng)強(qiáng)度最大,即該方向?yàn)槌晫?dǎo)波主聲束傳播方向。引入工作導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)角,改變EMAT線圈結(jié)構(gòu)參數(shù),建立傳播方向控制模型并分析,實(shí)現(xiàn)主聲束傳播方向控制。 1.2.1 模型原理 線圈工作導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)角φ,線圈端線不變,工作導(dǎo)線偏轉(zhuǎn),所得傳播方向控制模型如圖2所示。 圖2 傳播方向控制模型圖 圖2中,換能器線圈端線保持不變,豎直方向?qū)Ь€lAB沿B點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度φ,A點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)锳′。 1.2.2 模型建立 P點(diǎn)位置不變,A點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)锳′(xa′,ya′,0)。dl′為導(dǎo)線lA′B上Q′點(diǎn)的線電流;θ′為QP′與線電流dl′夾角;θ1′為A′P與導(dǎo)線lA′B夾角;θ2′為BP與導(dǎo)線BA′夾角,L′為P(x,y,z)點(diǎn)到線段A′B距離。 傳播方向控制模型與傳播方向分析模型的線圈參數(shù)關(guān)系為: xa′=2acosφ+a (10) ya′=2asinφ-b (11) θ2′-θ2+φ=90° (12) cosθ2′=cos(θ2-φ+90°) (13) l′=L′tanθ′ (14) (15) 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律,導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)后控制模型中,導(dǎo)線lA′B在工件內(nèi)P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 (16) 當(dāng)且僅當(dāng)θ1′=θ2′時(shí),式(16)取得最大值,即: cosθ1′=cosθ2′=cos(θ2-φ+90°) (17) 式中cosθ1′與cosθ2′的表達(dá)式可通過θ1、θ2以及偏轉(zhuǎn)角度表示。 磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)不受偏轉(zhuǎn)角φ影響,調(diào)整θ1′、θ2′以及φ,偏轉(zhuǎn)線圈在垂直于導(dǎo)線方向上取得磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。 控制偏轉(zhuǎn)線圈的不同偏轉(zhuǎn)角度,可產(chǎn)生始終與偏轉(zhuǎn)線圈工作導(dǎo)線方向垂直的超聲導(dǎo)波主聲束,實(shí)現(xiàn)不同擴(kuò)展方向的裂紋檢測。 針對電磁超聲導(dǎo)波傳播方向分析模型和傳播方向控制模型的建模、計(jì)算、分析結(jié)果,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),驗(yàn)證線圈不同偏轉(zhuǎn)角度的EMAT傳播特性和缺陷檢測能力。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高頻脈沖發(fā)生器RETIC-4000、雙工器、阻抗匹配、前置放大、示波器等組成。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,換能器磁源采用單極型永磁鐵,尺寸為長50 mm、寬50 mm、高30 mm;換能器線圈相鄰工作導(dǎo)線間距為3 mm,導(dǎo)線寬度為0.5 mm;工件鋼板長1 500 mm、寬1 500 mm,高30 mm。激勵(lì)EMAT信號頻率為f=0.67 MHz,接收EMAT的高通濾波器截止頻率為0.1 MHz,低通濾波器截止頻率為20 MHz,回波信號增益為53 dB。傳播特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。 圖3 EMAT實(shí)驗(yàn)裝置圖 激勵(lì)EMAT置于圓心位置保持不變,接收EMAT與激勵(lì)EMAT線圈保持平行,沿圓周順時(shí)針圍繞激勵(lì)EMAT轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)角為3°,記錄不同轉(zhuǎn)動(dòng)角對應(yīng)的接收回波信號幅值。對0°、30°、45°、60°不同偏轉(zhuǎn)角度線圈的EMAT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。圖4為回波信號峰峰值歸一化與角度的關(guān)系圖。 圖4 回波峰峰值歸一化圖 圖4中,線圈偏轉(zhuǎn)角分別為0°、30°、45°、60°,通過實(shí)驗(yàn)得到其接收EMAT圓周轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的回波信號。0°線圈分別在180°與360°(0°)位置得到回波信號最大峰峰值,30°線圈分別在150°與330°位置得到回波信號最大峰峰值,45°線圈分別在135°與315°位置得到回波信號最大峰峰值,60°線圈分別在120°與300°位置得到回波信號最大峰峰值。電磁超聲換能器回波信號沿工作導(dǎo)線中垂線方向傳播。 為了增強(qiáng)線圈不同偏轉(zhuǎn)角EMAT主聲束傳播特性的對比效果,在回波峰峰值歸一化的基礎(chǔ)上,分別對回波信號進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)角度歸一化處理。將各線圈EMAT沿圓形路徑半周轉(zhuǎn)動(dòng)所得回波信號最大峰峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)置為相對0°,轉(zhuǎn)角歸一化數(shù)據(jù)如表1所示。 表1 轉(zhuǎn)角歸一化數(shù)據(jù)表 線圈偏轉(zhuǎn)角度分別為0°、30°、45°、60°時(shí),EMAT接收回波信號轉(zhuǎn)角歸一化數(shù)據(jù)繪制的聲束分布對比如圖5所示。 圖5 聲束分布對比圖 圖5中,0°線圈EMAT回波信號電壓峰峰值以相對0°為軸,呈對稱分布;30°、45°、60°線圈EMAT回波信號電壓峰峰值以相對0°為軸,呈非對稱分布。偏轉(zhuǎn)線圈EMAT產(chǎn)生的非對稱回波信號,隨著偏轉(zhuǎn)線圈傾斜角度的增加,非對稱性逐漸明顯,聲場指向性分布范圍逐漸增大。電磁超聲導(dǎo)波主聲束傳播特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳播方向分析和傳播方向控制理論的正確性。 采用不同線圈偏轉(zhuǎn)角度EMAT對分別包含不同擴(kuò)展方向裂紋的鋼板進(jìn)行檢測。4組鋼板的裂紋擴(kuò)展方向所在直線與x軸的夾角分別為0°、30°、45°、60°,裂紋長5 mm、寬2 mm、深3 mm;選取線圈偏轉(zhuǎn)角度分別為0°、30°、45°、60°的EMAT對4組鋼板進(jìn)行裂紋檢測。裂紋檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖6所示。 圖6 裂紋檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 定義裂紋缺陷中心點(diǎn)為鋼板xy平面坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0),EMAT沿與x軸平行的直線從左至右連續(xù)移動(dòng),平行線間距為500 mm,記錄移動(dòng)過程中峰峰值最大回波信號波形圖。EMAT線圈偏轉(zhuǎn)角度為0°、30°、45°、60°,分別對裂紋擴(kuò)展方向夾角為0°、30°、45°、60°的鋼板檢測回波信號波形如圖7~圖10所示。 圖7 0°裂紋檢測回波 圖8 30°裂紋檢測回波 圖9 45°裂紋檢測回波 圖10 60°裂紋檢測回波 圖10中,0°線圈EMAT對含有擴(kuò)展方向0°裂紋的鋼板進(jìn)行掃查檢測時(shí)有缺陷回波信號;30°線圈EMAT對含有擴(kuò)展方向30°裂紋的鋼板進(jìn)行掃查檢測時(shí)有缺陷回波信號;45°線圈EMAT對含有擴(kuò)展方向45°裂紋的鋼板進(jìn)行掃查檢測時(shí)有缺陷回波信號;60°線圈EMAT對含有擴(kuò)展方向60°裂紋的鋼板進(jìn)行掃查檢測時(shí)有缺陷回波信號。 裂紋檢測實(shí)驗(yàn)表明,針對不同擴(kuò)展方向的裂紋可選用相應(yīng)偏轉(zhuǎn)角度線圈的EMAT完成缺陷檢測。 針對鋼板中裂紋擴(kuò)展方向不確定且受超聲導(dǎo)波主聲束傳播特性及其指向性制約而無法實(shí)現(xiàn)任意擴(kuò)展方向裂紋檢測的問題,建立了EMAT線圈工作導(dǎo)線與導(dǎo)波主聲束傳播方向關(guān)系;分析了換能器線圈工作導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)角對導(dǎo)波傳播方向控制的可行性,實(shí)驗(yàn)對電磁超聲導(dǎo)波主聲束在鋼板中的傳播方向及其裂紋檢測能力進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明: (1)基于畢奧-薩伐爾定律的EMAT等效閉合線圈模型可用于鋼板中電磁超聲導(dǎo)波主聲束傳播方向的分析和控制。 (2)偏轉(zhuǎn)線圈EMAT主聲束傳播方向所在直線與線圈工作導(dǎo)線垂直,與線圈的偏轉(zhuǎn)角度值無關(guān);偏轉(zhuǎn)線圈EMAT主聲束存在非對稱分布。 (3)不同線圈偏轉(zhuǎn)角度的EMAT能檢測相應(yīng)擴(kuò)展方向的裂紋缺陷;多種線圈偏轉(zhuǎn)角度的EMAT可實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展方向的裂紋缺陷檢測;采用多通道EMAT檢測系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)鋼板中的全方位裂紋缺陷檢測。1.2 傳播方向控制模型
2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
2.1 傳播特性實(shí)驗(yàn)
2.2 裂紋檢測實(shí)驗(yàn)
3 結(jié)束語