激光-环型电磁超声方法检测表面裂纹

弋东驰，裴翠祥，陈振茂

(机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术中心，西安交通大学， 西安 710049)



激光-环型电磁超声方法检测表面裂纹

弋东驰，裴翠祥，陈振茂

(机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术中心，西安交通大学， 西安 710049)

传统激光-电磁超声对表面裂纹检测的灵敏度受表面裂纹方向的影响，为解决这一问题，提出了一种基于环形电磁超声探头的激光-电磁超声无损检测方法。 相比于传统的激光-电磁超声表面裂纹检测方法，该方法不但具有更高的灵敏度，而且不受裂纹方向的影响。为了验证该方法的有效性，设计了一种环形电磁超声探头，并对其线圈参数进行了优化，提高了检出信号的信噪比；进而利用该环形探头有效检出了试件中的不同方向表面裂纹。

激光超声；电磁超声；无损检测；表面裂纹

电磁超声(EMAT)探头可作为一种非接触的超声波探头应用于超声检测中，它由提供磁场的永久磁体和检出线圈组成，利用电磁感应原理将试件内的超声波转化为电信号进行检测。传统的EMAT探头根据永久磁体和线圈的相对位置，分为便于检测横波的面内EMAT探头和便于检测纵波的面外EMAT探头[1]。然而传统EMAT在对试件表面裂纹的检测时，检出信号的信噪比与探头和裂纹的相对位置有关，这会导致某些角度的表面裂纹检出效果不佳。因此文中提出一种环形EMAT探头(结构见图1，2)，激光作用于环形探头中心。基于此探头提出了一种激光-环型电磁超声表面裂纹检测方法，相对于传统EMAT探头，不仅提高了信噪比，还解决了传统EMAT探头对表面裂纹方向性敏感的不足。

图1 传统与环形EMAT探头结构示意

图2 环形EMAT探头外观

1 三维激光超声数值模拟

1.1 三维激光超声数值方法

能量低于材料熔融阈值的激光照射在试件表面，会在照射区域附近产生一个瞬态、不均匀的温度场，可用热传导方程描述：

(1)

式中：T为温度分布场；κ为热传导系数；ρ为材料密度；c为热容；q为激光热源。

基于热弹理论，线性应变张量可以看做是应力场(S)和热场(T)分别产生应变的叠加，即：

(2)

热场产生的应变为：

(3)

式中：α为材料热膨胀系数。

则应力场产生的应变可以表述为：

(4)

将式(2)代入广义胡克定律则可得热弹本构方程：

(5)

在弹性材料中，弹性波的控制方程为：

(6)

式中：{f}为体力向量；γ为声阻尼系数。

根据有限元加权残数法，可将热传导方程(1)和弹性波控制方程(6)进行离散：

(7)

(8)

式中：[K]为热传导率矩阵；[C]为热容矩阵；[T]为温度向量；{Q}为热源向量；[M]为质量矩阵；[D]为阻尼矩阵；[G]为刚度矩阵；{U}为位移向量；{F}为热弹性力向量。

1.2 仿真模型

三维模型几何尺寸为：长20 mm，宽20 mm，高3 mm，三维仿真模型如图3所示。模型材料设置为铝，材料参数见表1。由于激光对模型中远离作用点的区域的热效应可以忽略不计，故计算模型中热区域只考虑图3中的黄色区域。根据不同的仿真需求，可设置不同尺寸和形式的缺陷。

表1 仿真模型材料参数

图3 三维仿真模型示意

1.3 仿真结果

对无缺陷模型分别用环形和传统两种EMAT探头进行检测。其中环形探头的线圈半径设置为6 mm，传统探头和激光作用点的距离设置为6 mm。用三维模型程序进行仿真，比较传统与环形EMAT探头的检测信号如图4所示，检测结果表明:环形EMAT探头的检出信号强度远远大于传统EMAT探头，环形探头的信噪比也大大提高。

图4 传统、环形EMAT探头仿真检出信号对比结果

对图5中的两个模型，分别用环形探头进行检测，观察模型内的超声传播过程。

图5 三维仿真模型俯视图

无缺陷模型在不同时刻的超声速度场如图6所示。由超声速度场可以清晰地辨识出Lamb波(La波)和Rayleigh波(R波)的传播过程。

图6 无缺陷模型在不同时刻的超声速度场

有缺陷模型在不同时刻的超声速度场如图7所示。由超声速度场可以看到La波遇到缺陷后，从接触点开始沿着缺陷表面传播，最后在缺陷两个端点散射；R波遇到缺陷的一部分被反射，在1.5 μs的超声图中可以明显地看到其反射波。

图7 有缺陷模型在不同时刻的超声速度场

图8 三维表面缺陷超声扫描仿真模型

图9 三维表面缺陷仿真模型的环形探头扫描信号

对图8中带缺陷模型用环形EMAT探头进行扫描，以激光作用点(即环形探头中心)到缺陷的垂直距离为自变量，所得信号R波峰-峰值为因变量，得出扫描信号如图9所示。由图可以看到，随着激光作用点逐渐靠近缺陷，越来越多的能量被其反射，接收信号幅值降低；当激光作用点进一步靠近缺陷时，缺陷反射的能量与直接传播的能量几乎同时到达探头线圈，故信号幅值有所回升；当激光正好作用于缺陷上时，探头接收到的信号幅值最低。这一表面缺陷扫描仿真结果符合预期。

2 检测结果

2.1 激光电磁超声检测系统

为验证三维表面缺陷模型中扫描信号仿真所得结果，搭建了激光电磁超声检测系统，如图10所示。

图10 激光电磁超声检测系统示意

图11 检测试件外观

试件为100 mm×100 mm×5 mm的铝板，表面缺陷尺寸为：长10 mm，宽0.5 mm，深3 mm。检测试件外观如图11所示。

保证激光作用点在环形EMAT探头的中心，适当地调节聚焦透镜，即可在示波器上观察到检出信号，如图12所示。可以看出环形EMAT探头具有较高的信噪比。

图12 环形探头检出信号

2.2 表面缺陷试件扫描结果

保持脉冲激光输出能量不变，对图11中做好标记的试件用环形EMAT探头进行扫描,扫描结果如图13所示。对比仿真模型的扫描结果图9可以看出，试验所得扫描信号的趋势与仿真结果一致，利用环形探头能有效地检测出试件的表面缺陷。

3 结语

针对传统EMAT探头在检测不同方向表面裂纹时的不足，提出了一种环形EMAT探头，有效地提高了信噪比。还提出了一种激光-环型电磁超声表面裂纹检测方法，并对具有表面裂纹的试件进行了扫描。结果表明，基于环形EMAT探头的新型表面裂纹检测方法能够有效地检出不同方向的表面裂纹。

图13 三维表面缺陷试件的环形探头扫描信号

[1] PEI Cui-xiang, DEMACHI K, ZHU Hai-tao, et al. Inspection of cracks using laser-induced ultrasound with shadow method: modeling and validation[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(4): 860-865.

The Method of Surface Cracks Testing with Laser/Ring-EMAT

YI Dong-chi, PEI Cui-xiang, CHEN Zhen-mao

(Shaanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

With using pulsed laser to excite electromagnetic acoustic transducers (EMATs) and generate ultrasonic waves, laser-EMAT can provide a noncontact ultrasonic testing (UT) method. To overcome the drawback that sensitivity of traditional laser-EMAT UT method is dependent on the direction of defect to be measured, a modified laser-EMAT UT method with using a ring EMAT is proposed in this work. Compared to the traditional laser-EMAT method, the sensitivity of the laser-ring EMATUT is much higher, and independent to the crack orientation. To validate the feasibility of this method, a ring EMAT is firstly designed and optimized to improve the sensitivity for laser ultrasound detection. Then, the laser-ring EMAT system is applied to scan a specimen with a normal surface crack.

Laser ultrasound; EMAT; Nondestructive testing; Surface crack

2016-06-22

弋东驰(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为激光超声无损检测。

弋东驰，E-mail:willandway@foxmail.com。

10.11973/wsjc201611016

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0070-04

导师简介：裴翠祥，男，副教授。