CN110530978B - 高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法，铸锻件电磁超声探头包括探头外壳，设置于探头外壳的腔体内的永磁体，设置于探头外壳外底部下方的激励/接收线圈，激励/接收线圈均为导线绕制的与探头外壳底部平行的螺旋线圈，导线由多根均匀涂抹陶瓷涂层的银线捆绑成一簇而成；永磁体下方设置有磁座，磁座的中轴线与激励线圈所在平面垂直；探头外壳侧壁靠近底部设置有若干抽水口，探头外壳顶部设置有进水口，探头外壳与永磁体及磁座之间的空腔构成水循环冷却通道。多股均匀涂抹陶瓷层的银线制成导线及其布置、磁座及水冷三种设计，使得其能实现650℃高温铸锻件持续检测，且提高换能效率、降低提离敏感性和减小探测盲区。

Description

高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法

技术领域

本发明涉及利用电磁超声体波持续探测高温金属铸锻件内部缺陷技术领域，具体是一种高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法。

背景技术

随着中国工业的加速发展，我国对大型铸锻件的需求与日俱增，对大型铸锻件的质量要求也在不断提高。对高温状态下的铸锻件进行无损检测，可以尽早发现缺陷，实时监测并控制缺陷，并根据缺陷信息，实时改进加工工艺，通过提高锻压变形程度实现缺陷的消除和抑制。对通过提高锻压形变仍无法消除的缺陷可及时回炉二次锻造，避免再次加热时的能源消耗和人员浪费，能大幅度地提高成品率和生产效率，实现绿色制造和环保制造。

常规压电超声检测方法需要在表面光滑，涂有机油、水等耦合剂的条件下才能达到较好检测效果。在高温条件下，压电晶片的压电效应急剧退化，耦合剂不稳定易挥发或耦合效率低，因此，传统压电超声检测技术几乎无法实现300℃以上高温铸锻件持续检测。

电磁超声检测技术作为一种新型无损检测技术，适合在高温、表面粗糙环境下工作，它具有非接触、无需耦合剂、易激发各种超声波形、安全、可靠、便捷等特点。电磁超声探头具有易设计、制作成本低等特点，其换能机理为洛伦兹力、磁致伸缩和磁化力三种。高温条件下，对于钢铁等铁磁性铸锻件，通常洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用；对于铜、铝等非铁磁性铸锻件，通常以洛伦兹力为主导作用。

目前关于高温电磁超声体波探伤方法及其装置的专利报道主要有以下几个：

专利申请号CN105758938A授权了“550℃高温金属材料电磁超声体波探伤方法及其装置”，该专利使用收发一体的陶瓷银线圈和耐高温N～AH SmCo永磁体实现了550℃高温金属材料内部缺陷的长时间检测。

专利申请号CN205538843U公开了“一种耐高温脉冲电磁铁式电磁超声探头”，通过设计不同的电磁铁结构能够实现横波、纵波检测，提升对缺陷的检测能力，并且采用“下进下出”的水循环通道，能够对高温、大型铁磁性锻件进行长时间检测。

专利申请号CN108088907A授权了“一种基于电磁超声的高温管线伤损在线监测***”，该***能够快速扫查较长距离的管道中缺陷的分布情况，将探头及硬件电路***长期安装在管道上，可采集并存储大量的数据，通过对数据的综合分析，提高***灵敏度和检测结果的可靠性。

专利申请号CN105571708A设计了“超声高温检测声速校准设备”，该装置可以在预设温度范围内，对检测对象中的超声波传播速度进行校正，解决了超声波在高温设备检测时，其精度较低的问题。

专利申请号CN108872401A授权了“一种抗高温、耐磨的电磁超声横波探头及其制作方法”，该装置配备“下进上出水”的水循环冷却***，线圈下端面具有防护耐磨涂层。在高温下检测铁磁性材料时，既可以提高换能效率也可使线圈组件免受损坏，可延长其使用寿命。

以上专利虽然可以应用在高温检测领域，但相对来说，它们仅考虑了探头设计的局部优化，并未从探头的提离敏感性、提高探头的换能效率和减小快速回复时间、高温状态下水循环冷却效果、偏置磁场聚集效果等进行整体性和集成性设计，特别是在降低探头的提离敏感性、提高探头的换能效率方面，现有的技术其提离敏感性高，换能效率较低，而且现有的技术中也难以实现高温下持续检测。

发明内容

本发明提出一种高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法，以解决相关技术中提离敏感性高，电磁超声探头的换能效率较低及不能实现650℃高温下持续检测的问题。

本发明的第一方面，提供了一种铸锻件电磁超声探头，包括探头外壳，设置于所述探头外壳的腔体内的永磁体，设置于所述探头外壳外底部下方的激励线圈和接收线圈，所述激励线圈和接收线圈均为导线绕制的与所述探头外壳底部平行的螺旋线圈结构，所述导线由3～35根均匀涂抹陶瓷涂层的银线捆绑成一簇而成；所述永磁体下方设置有耐高温磁座，所述磁座的中轴线与所述激励线圈所在平面垂直；所述探头外壳侧壁靠近底部设置有若干抽水口，所述探头外壳的顶部设置有进水口，所述探头外壳与所述永磁体及所述磁座之间的空腔构成水循环冷却通道。

由多股均匀涂抹陶瓷涂层的银线捆绑成一簇绕制而成的螺旋线圈具有以下优点：在高温环境中，陶瓷绝缘可靠，不易击穿而形成噪音；银线表面不容易形成氧化层，螺旋线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，电磁超声激励电路和接收电路的功率分配不受影响；由多股陶瓷银线圈绕制而成的螺旋线圈直接放置在高温电磁超声探头的底部，一方面可以减小提离距离，另一方面陶瓷涂层耐磨、隔热效果好，适合表面粗糙高温铸锻件。采用水循环冷却***对耐高温电磁超声探头中的永磁体进行强制冷却，并采用高磁导率低电导率材料制成的耐高温磁座，在不严重减弱偏置磁感应强度的同时，尽可能增加永磁体距离高温铸锻件的距离，可以保证永磁体在高温环境中依然能够提供较强的偏置磁场。

磁座通过增加永磁体距离高温铸锻件的距离，可以保证永磁体在高温环境中依然能够提供较强的偏置磁场，而水循环冷却***可持续对磁座和永磁体进行强制降温，从而实现永磁体在高温环境中能够持续提供较强的偏置磁场；由多股陶瓷银线圈绕制而成的螺旋线圈直接放置在高温电磁超声探头的底部，陶瓷涂层耐磨、隔热效果好，在高温环境中，陶瓷绝缘可靠，不易击穿而形成噪音，银线表面不容易形成氧化层，螺旋线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，电磁超声激励电路和接收电路的功率分配不受影响，故而能实现高温环境下激励线圈和接收线圈能够持续正常工作，持续产生和接收超声波。因而在高温环境下，该探头的永磁体能够持续提供较强的偏置磁场，激励线圈和接收线圈能够持续产生和接收超声波，即实现了该探头能够实现对高温铸锻件的持续检测，经实验证明，该电磁超声探头可以实现在650℃的高温铸锻件中持续检测。而现有的电磁超声探头设计，永磁体在高温环境下只能实现短时间内的提供稳定偏置磁场，激励线圈和接收线圈在高温环境下也只能短时间内产生和接收超声波，现有电磁超声探头抗高温能力差，无法实现在高温环境下进行持续的检测。

另外，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。当将一根直径较大的导线改为多股陶瓷银线圈捆绑的形式，可以保证电流通过多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面电流密度接近于均匀，从而提高多股陶瓷银线圈的导线横截面利用率，进一步能够提高电磁超声探头的换能效率。当电流在多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面接近均匀分布时，这时候线圈的阻抗比较稳定，当电磁超声探头与高温铸锻件的提离距离改变时，由于提离距离变化带来的阻抗变化相对于线圈的阻抗影响较小，从而能够降低电磁超声探头的提离敏感性。

进一步地，所述银线线径为0.015mm～0.08mm，所述银线表面涂抹的陶瓷涂层的厚度为0.03mm～0.07mm，所述导线外层涂覆有0.05mm～0.1mm厚的耐高温胶。根据特定的频率，设置陶瓷层的厚度与银导线直径满足的比例，可是电磁超声探头的换能效率最高。

进一步地，所述接收线圈由多个螺旋线圈首尾串联而成，且所述接收线圈的多个螺旋线圈绕所述激励线圈一周。

接收线圈的多个螺旋线圈绕所述激励线圈一周的设计，不仅可以增加接收线圈接收超声波的面积，而且可以满足减小激励线圈的阻抗和增大接收线圈的阻抗的要求，从而提高电磁超声探头的激励电流和接收线圈的有效接收导线长度，从而提高电磁超声探头的换能效率，另一方面，激励线圈和接收线圈采用水平放置形式而不是垂直放置，能够减小激励线圈在大幅值射频电流激励时所形成的电磁串扰对接收线圈的干扰影响，避免在前置放大器输入端形成大强度的脉冲电磁冲击，导致前置放大器很难快速回复，能够减小探测盲区，同时能够减小电磁超声功放的内部振荡衰减电压信号在接收线圈中形成的噪音，从而提高信噪比。

进一步地，所述磁座底部为内凹球面结构，该内凹球面结构可将所述永磁体提供的发散式偏置磁场聚焦使其垂直于所述激励线圈。磁座底部为内凹球面结构可将原本发散式偏置磁场聚焦，使其尽可能垂直于激励线圈和接收线圈，可大幅度提高横波纯度，避免了纵波及其模式转换波对接收横波信号的干扰，同时避免在永磁体内部形成超声波，提高了横波纯度和信噪比。

进一步地，所述进水口连接水管用于进水，所述若干抽水口连接抽水水泵进行抽水式出水。采用抽水式水循环方式，可以形成负压，可以降低耐高温电磁超声探头对高温环境中密封的要求，避免由于高温密封性较差而引起的漏水问题。

进一步地，所述探头外壳包括主壳体和位于所述主壳体顶部的上盖，所述上盖底部设置有用于固定所述永磁体的定位支架。通过定位支架固定好永磁体，可避免探头出现振动时永磁体偏离或永磁体被冷却用的水流冲击而偏离，确保工作时的稳定性。

进一步地，所述探头外壳由黄铜制成，且所述探头外壳底部厚度为0.2mm～1mm。根据不同的超声波频率选择不同的厚度，可以消除探头外壳底部中产生超声波的可能，减小干扰。

进一步地，所述永磁体为圆柱体的钕铁硼永磁体或钐钴永磁体，所述磁座为坡莫合金、铁镍合金、MnZn铁氧体中的一种材料制成。钕铁硼永磁体或钐钴永磁体可提供静态偏置磁场，偏置磁场可分为垂直于线圈的Bz分量和平行于线圈的Br分量，Bz/Br比值越大，电磁超声探头所激发的横波越纯，即横波相对于纵波的比例更大；坡莫合金、铁镍合金或MnZn铁氧体磁座具有聚磁、绝缘、耐高温的功能。

本发明的第二方面，提供了一种铸锻件电磁超声探伤装置，包括上述的探头，以及PC机、激励电路和接收电路；

所述激励电路包括依次连接的DA信号发生器、功率放大器、激励端阻抗匹配电路，所述探头的激励线圈的两端均与所述激励端阻抗匹配电路连接；

所述接收电路包括依次连接的接收端阻抗匹配电路、前置放大器、滤波器和AD信号采集卡，所述探头的接收线圈的两端均与所述接收端阻抗匹配电路连接；

所述DA信号发生器、AD信号采集卡均与所述PC机连接。

DA信号发生器接收PC机的数字信号后产生高频正弦脉冲信号并通过功率放大器以及阻抗匹配实现电磁超声探头激励线圈的输入功率最大化，激发横波超声，在测试样上表面从上往下传播，进行探测，超声信号经过逆洛伦兹力效应或逆磁致伸缩效应后转化为电信号被接收线圈接收，经过前置放大器放大、滤波器滤波后，通过AD信号采集卡转换为数字信号显示在PC机上，得到始波与缺陷回波之间的时间差，并依此计算得到缺陷位置和确定缺陷的当量直径。该装置提离敏感性低、换能效率高、信噪比高。

本发明的第三方面，提供了一种利用上述铸锻件电磁超声探伤装置的探伤方法，包括如下步骤：

在激励线圈内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播；

接收线圈接收超声波转化为的电信号，经过放大、滤波后，转换为数字信号传至PC机，读取始波与缺陷回波之间的时间差t；

按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析，v为超声在被测试样材料内的传播速度；根据被测试样的温度进行修正并与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。

具体的，在激励线圈内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，该高频、大功率正弦脉冲串电流信号在被测试样中产生脉冲电涡流，在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，或者该种正弦脉冲电流信号在被测试样中产生高频交变磁场信号，使被测试样表面产生洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播；

当横波超声遇到内部缺陷会产生缺陷回波，并且在底波之前到达被测试样的表面，超声波信号经过逆洛伦兹力效应或逆磁致伸缩效应后转化为电流信号被接收线圈接收，经过前置放大器放大、滤波器滤波后，通过AD信号采集卡转换为数字信号显示在PC机上，读取始波与缺陷回波之间的时间差t；

按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析，v为超声在被测试样材料内的传播速度；根据被测试样的温度进行修正并与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。

其中，高频、大功率正弦脉冲串电流为0.5MHz～5MHz、10周期～20周期正弦脉冲串、电流10A～100A。

有益效果

本发明提出了一种高温铸锻件持续检测电磁超声探头、探伤装置及探伤方法，由多股均匀涂抹陶瓷层的银线捆绑成一簇绕制而成的螺旋线圈具有以下优点：在高温环境中，陶瓷绝缘可靠，不易击穿而形成噪音；银线表面不容易形成氧化层，螺旋线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，电磁超声激励电路和接收电路的功率分配不受影响；由多股陶瓷银线圈绕制而成的螺旋线圈直接放置在高温电磁超声探头的底部，一方面可以减小提离距离，另一方面陶瓷层耐磨、隔热效果好，适合表面粗糙高温铸锻件。采用水循环冷却***对耐高温电磁超声探头中的永磁体进行强制冷却，并采用高磁导率低电导率材料制成的耐高温磁座，在不严重减弱偏置磁感应强度的同时，尽可能增加永磁体距离高温铸锻件的距离，可以保证永磁体在高温环境中依然能够提供较强的偏置磁场。

磁座通过增加永磁体距离高温铸锻件的距离，可以保证永磁体在高温环境中依然能够提供较强的偏置磁场，而水循环冷却***可持续对磁座和永磁体进行强制降温，从而实现永磁体在高温环境中能够持续提供较强的偏置磁场；由多股陶瓷银线圈绕制而成的螺旋线圈直接放置在高温电磁超声探头的底部，陶瓷涂层耐磨、隔热效果好，在高温环境中，陶瓷绝缘可靠，不易击穿而形成噪音，银线表面不容易形成氧化层，螺旋线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，电磁超声激励电路和接收电路的功率分配不受影响，故而能实现高温环境下激励线圈和接收线圈能够持续正常工作，持续产生和接收超声波。因而在高温环境下，该探头的永磁体能够持续提供较强的偏置磁场，激励线圈和接收线圈能够持续产生和接收超声波，即实现了该探头能够实现对高温铸锻件的持续检测，经实验证明，该电磁超声探头可以实现在650℃的高温铸锻件中持续检测。而现有的电磁超声探头设计，永磁体在高温环境下只能实现短时间内的提供稳定偏置磁场，激励线圈和接收线圈在高温环境下也只能短时间内产生和接收超声波，现有电磁超声探头抗高温能力差，无法实现在高温环境下进行持续的检测。

另外，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。当将一根直径较大的导线改为多股陶瓷银线圈捆绑的形式，可以保证电流通过多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面电流密度接近于均匀，从而提高多股陶瓷银线圈的导线横截面利用率，进一步能够提高电磁超声探头的换能效率。当电流在多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面接近均匀分布时，这时候线圈的阻抗比较稳定，当电磁超声探头与高温铸锻件的提离距离改变时，由于提离距离变化带来的阻抗变化相对于线圈的阻抗影响较小，从而能够降低电磁超声探头的提离敏感性。

附图说明

图1是本发明实施方式中铸锻件电磁超声探头的结构示意图；

图2是图1中A-A线剖视图；

图3是图1中B-B线剖视图；

图4是本发明实施方式中激励线圈与接收线圈配置结构示意图；

图5是本发明实施方式中导线结构示意图；

图6是本发明实施方式中磁座对磁路的聚焦效果图示意图；

图7是本发明实施方式中激励线圈电磁超声探头横波激发原理图；

图8是本发明实施方式中铸锻件电磁超声探伤装置结构示意框图；

图9是本发明实施方式中检测有缺陷时探头波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明具体实施方式提供了一种铸锻件电磁超声探头，如图1至图6所示，包括探头外壳9，设置于探头外壳9的腔体内的永磁体1，设置于探头外壳9外底部下方的激励线圈3和接收线圈4，所述激励线圈3和接收线圈4均为导线绕制的与所述探头外壳9底部平行的螺旋线圈结构，所述导线由3～35根均匀涂抹陶瓷涂层10的银线11捆绑成一簇而成；所述永磁体1下方设置有耐高温磁座2，所述磁座2的中轴线与所述激励线圈3所在平面垂直；所述探头外壳9侧壁靠近底部设置有若干抽水口6，本实施例中优选两个抽水口，所述探头外壳9的顶部设置有出水口7，所述探头外壳9与所述永磁体1之间的空腔构成水循环冷却通道5。

所述进水口(7)连接水管用于进水，所述若干抽水口(6)连接抽水水泵进行抽水式出水。采用抽水式水循环方式，可以形成负压，可以降低耐高温电磁超声探头对高温环境中密封的要求，避免由于高温密封性较差而引起的漏水问题。采取了“下抽水上进水”的水冷却模式，可使水流充分流动地接触永磁体1，增强冷却效果，适用于650℃高温环境中进行长时间、可靠的缺陷无损检测。磁座2居中位于探头外壳内底部，且位于永磁体1正下方，可起到对永磁体1隔热保护的作用。

其中，所述银线11线径为0.015mm～0.08mm，所述银线11表面涂抹的陶瓷涂层10的厚度为0.03mm～0.07mm，所述导线外层涂覆有0.05mm～0.1mm厚的耐高温胶12。

具体的，激励线圈3和接收线圈4的制作方法如下：1)采用0.015mm～0.08mm的银线11的表面涂覆0.03mm～0.07mm厚度的陶瓷涂层10；银线11的线径可以是0.015mm、0.08mm或0.015mm至0.08mm区域内的任一值，陶瓷涂层10厚度可以是0.03mm、0.07mm或0.03mm至0.07mm区域内的任一值；2)将3～35根涂覆好陶瓷涂层10的银线11摞成一簇，一簇的线径为0.21mm～1.25mm，再在整簇导线外层涂覆0.05mm～0.1mm厚度的耐高温胶12；耐高温胶12厚度可以是0.05mm、0.1mm或0.05mm至0.1mm区域内的任一值；3)将涂有耐高温胶12的一簇耐高温导线在一定温度下，采用模具绕制成螺旋线圈；4)将绕制后的螺旋线圈用陶瓷粘合剂13固定成型并放入电阻炉中按照一定的加热时序进行烘烤成型，本实施例中加热时序为80℃加热2小时，150℃加热2小时。采用该种制作工艺制作的陶瓷螺旋线圈(包括激励线圈3和接收线圈4)的外径为5mm～20mm，经过实验能在650℃电阻炉中24小时可靠工作。

由多股均匀涂抹陶瓷层10的银线11捆绑成一簇绕制而成的螺旋线圈具有以下优点：在高温环境中，陶瓷绝缘可靠，不易电击穿形成噪音；银线11表面不容易形成氧化层，螺旋线圈阻抗在高温环境中不会急剧变化，电磁超声激励电路和接收电路的功率分配不受影响；由多股均匀涂抹陶瓷层10的银线11圈绕制而成的螺旋线圈直接放置在高温电磁超声探头的底部，一方面可以减小提离距离，另一方面陶瓷层耐磨、隔热效果好，适合表面粗糙高温铸锻件。采用水循环冷却***对耐高温电磁超声探头中的永磁体1进行强制冷却，并采用高磁导率低电导率材料制成的耐高温磁座2，在不严重减弱偏置磁感应强度的同时，尽可能增加永磁体1距离高温铸锻件的距离，可以保证永磁体在高温环境中依然能够提供较强的偏置磁场。上述设计经实验可以实现电磁超声探头在650℃的高温铸锻件中持续检测。

另外，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。当将一根直径较大的导线改为多股陶瓷银线圈捆绑的形式，可以保证电流通过多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面电流密度接近于均匀，从而提高多股陶瓷银线圈的导线横截面利用率，进一步能够提高电磁超声探头的换能效率。当电流在多股陶瓷银线圈的每一根小导线的横截面接近均匀分布时，这时候线圈的阻抗比较稳定，当电磁超声探头与高温铸锻件的提离距离改变时，由于提离距离变化带来的阻抗变化相对于线圈的阻抗影响较小，从而能够降低电磁超声探头的提离敏感性。

本实施例中，所述接收线圈4由多个螺旋线圈首尾串联而成，且所述接收线圈4的多个螺旋线圈绕所述激励线圈3一周，优选所述接收线圈4由6个螺旋线圈首尾串联而成。

接收线圈4的多个螺旋线圈绕所述激励线圈3一周的设计，不仅可以增加接收线圈4接收超声波的面积，而且可以满足减小激励线圈3的阻抗和增大接收线圈4的阻抗的要求，从而提高电磁超声探头的激励电流和接收线圈4的有效接收导线长度，从而提高电磁超声探头的换能效率，另一方面，激励线圈3和接收线圈4采用水平放置形式而不是垂直放置，能够减小激励线圈3在大幅值射频电流激励时所形成的电磁串扰对接收线圈4的干扰影响，避免在前置放大器输入端形成大强度的脉冲电磁冲击，导致前置放大器很难快速回复，能够减小探测盲区，同时能够减小电磁超声功放的内部振荡衰减电压信号在接收线圈中形成的噪音，从而提高信噪比。

优选地，所述磁座2底部为内凹球面结构，该内凹球面结构可将所述永磁体1提供的发散式偏置磁场聚焦使其垂直于所述激励线圈3。磁座2底部为内凹球面结构可将原本发散式偏置磁场聚焦，使其尽可能垂直于激励线圈和接收线圈，可大幅度提高横波纯度，避免了纵波及其模式转换波对接收横波信号的干扰，同时避免在永磁体内部形成超声波，提高了横波纯度和信噪比，从而提高电磁超声探头的性能。

本实施例中，所述探头外壳9包括主壳体和位于所述主壳体顶部的上盖，所述上盖底部设置有用于固定所述永磁体1的定位支架8。通过定位支架固定好永磁体，可避免探头出现振动时永磁体偏离或永磁体被冷却用的水流冲击而偏离，确保工作时的稳定性。

本实施例中，所述探头外壳9由黄铜制成，且所述探头外壳9底部厚度为0.2mm～1mm。根据不同的超声波频率选择不同的厚度，可以消除探头外壳9底部中产生超声波的可能，减小干扰。所述探头外壳9底部厚度要求小于0.5倍的超声波波长或为集肤深度的1-2倍，可以避免在底板中形成超声波谐振从而干扰到正常的超声波信号。

具体实施时，所述永磁体1为圆柱体的钕铁硼永磁体或钐钴永磁体，本实施例中，所述永磁体1优选圆柱体的钕铁硼永磁体，所述磁座2为坡莫合金、铁镍合金、MnZn铁氧体中一种材料制成，所述磁座2优选MnZn铁氧体磁座。如图7所示，钕铁硼永磁体或钐钴永磁体可提供静态偏置磁场，偏置磁场可分为垂直于线圈的Bz分量和平行于线圈的Br分量，Bz/Br比值越大，电磁超声探头所激发的横波越纯，即横波相对于纵波的比例更大；MnZn铁氧体磁座具有聚磁、绝缘、耐高温的功能。更具体的，本实施例中，磁铁1为圆柱体N52钕铁硼永磁体，尺寸可以为直径60mm，高度50mm；MnZn铁氧体磁座2高5mm，上底面直径60mm,下底面直径55mm，下底面内凹球面曲率半径100mm，球截面直径50mm。

参见图1至图6，本实施例中，高温电磁超声探头主要基于洛伦兹力机理设计，但是对于铁磁性金属材料还存在磁致伸缩力机制的作用。激励线圈3和6个首尾串联的螺旋线圈构成的接收线圈4通过陶瓷粘合剂13浇筑在黄铜探头外壳9外底部。激励线圈3居中布置在黄铜探头外壳9外底部，用以激发超声波。为了提高接收信号幅值，减少快速回复时间，采用6个螺旋线圈构成接收线圈4围绕激励线圈3紧密排列在同一平面的线圈配置方式，用以接收超声信号。MnZn铁氧体磁座2下底面为内凹球面状，可将原本发散式偏置磁场聚焦，使其完全垂直于激励线圈线圈和接收线圈，可大幅度提高横波纯度，避免纵波及其模式转换波对接收横波信号的干扰。永磁体1与MnZn铁氧体磁座2吸附贴合处于黄铜探头外壳9内底部和焊有定位支架8的外壳之间，在黄铜探头外壳9和永磁体1与MnZn铁氧体磁座2之间的空腔为水循环冷却通道5，MnZn铁氧体磁座2下方还加工有四个水通道，可充分对MnZn铁氧体磁座进行水冷。

实施例2

如图8所示，本发明具体实施方式提供了一种高温铸锻件持续检测电磁超声探伤装置，包括上述的探头，以及PC机、激励电路和接收电路；

所述激励电路包括依次连接的DA信号发生器、功率放大器、激励端阻抗匹配电路，所述探头的激励线圈3的两端均与所述激励端阻抗匹配电路连接；

所述接收电路包括依次连接的接收端阻抗匹配电路、前置放大器、滤波器和AD信号采集卡，所述探头的接收线圈4的两端均与所述接收端阻抗匹配电路连接；

所述DA信号发生器、AD信号采集卡均与所述PC机连接。

DA信号发生器接收PC机的数字信号后产生高频正弦脉冲信号并通过功率放大器以及阻抗匹配实现电磁超声探头激励线圈的输入功率最大化，激发横波超声，在测试样上表面从上往下传播，进行探测，超声信号经过逆洛伦兹力效应或逆磁致伸缩效应后转化为电信号被接收线圈接收，经过前置放大器放大、滤波器滤波后，通过AD信号采集卡转换为数字信号显示在PC机上，得到始波与缺陷回波之间的时间差，并依此计算得到缺陷位置和确定缺陷的当量直径。该装置提离敏感性低、换能效率高、信噪比高。

实施例3

本发明具体实施方式提供了一种利用上述高温铸锻件持续检测电磁超声探伤装置的探伤方法，包括如下步骤：

在激励线圈3内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，该高频、大功率正弦脉冲串电流信号在被测试样中产生脉冲电涡流，在偏置磁场作用下产生洛伦兹力，或者该种正弦脉冲电流信号在被测试样中产生高频交变磁场信号，使被测试样表面产生洛伦兹力或磁致伸缩变形，引起被测试样表面振动，从而激发出横波超声，在被测试样上表面从上往下传播，即沿被测试样厚度方向传播；

当横波超声遇到内部缺陷会产生缺陷回波，并且在底波之前到达被测试样的表面，超声波信号经过逆洛伦兹力效应或逆磁致伸缩效应后转化为电流信号被接收线圈4接收，经过前置放大器放大、滤波器滤波后，通过AD信号采集卡转换为数字信号显示在PC机上，读取始波与缺陷回波之间的时间差t；

按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析，v为超声在被测试样材料内的传播速度；根据被测试样的温度进行修正并与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。

其中，高频、大功率正弦脉冲串电流为0.5MHz～5MHz、10周期～20周期正弦脉冲串、电流10A～100A。

参见图1至图9，在激励线圈3中通过(0.5MHz～5MHz)正弦脉冲串(10周期～20周期)电流(10A～100A)，此高频电流在被测试样表面感生出脉冲电涡流，在永磁体的偏置磁场作用下产生洛伦兹力，从而在试样表面激励超声波。而对于铁磁性金属材料，除了洛伦兹力外，还有磁致伸缩力，描述如下：高频电流在被测试样表面感应出高频交流磁场，该交变磁场与永磁体提供的偏置磁场相叠加，形成合成的交变磁场，使铁磁性金属材料磁化，并发生伸长或缩短的尺寸变化，从而激励出超声波。超声波在被测试样内向下表面传播，遇到缺陷后发生反射，反射波到达被测试样上表面并使其发生振动。根据逆磁致伸缩效应或逆洛伦兹力效应，该试样上表面振动导致其周围磁场发生变化，从而在线圈中感应出电压信号。线圈接收到的超声回波信号在两级放大器以后，能通过AD信号采集卡采集输入到计算机中。利用LabVIEW软件开发平台，对采集后的信号进行降噪处理，准确测量发射超声波从被测试样上表面传播到缺陷和从缺陷传播到上表面时间之和。由于被测试样在某温度下的传播速度v是已知的(不同的金属材料体波声速不同，同种金属材料在不同温度下的体波声速也不同，需要事先测量。)，则被测试样中缺陷离上表面的距离d为d＝1/2*v*t，从而完成缺陷的定位分析。将缺陷回波幅值与预制不同直径的平底孔缺陷对比试样的缺陷回波幅值对比，从而实现缺陷的定量分析。

下面结合附图详细描述本发明的原理

高温电磁超声探头的组合形式如图1所示。电磁超声的产生原理如图7所示。陶瓷激励线圈3居中位于黄铜探头外壳9外底部，6个陶瓷螺旋线圈组成的接收线圈4围绕陶瓷激励线圈3紧密排列在同一水平面，圆柱形状永磁体1置于MnZn铁氧体磁座2之上，且两者作为一个整体居中位于黄铜探头外壳9内底部，用于产生垂直方向的恒定磁场Bz，MnZn铁氧体磁座2对永磁体产生的偏置磁场进行聚焦，对永磁体起到隔热以及避免在永磁体内部形成超声波，旨在提高横波纯度和信噪比。当陶瓷激励线圈3通过高频脉冲激励电流Ie，会在被测高温铸锻件14的表面产生脉冲电涡流Je，脉冲电涡流在恒定磁场Bz的作用下，会在被测高温铸锻件14的表面产生向左或向右的洛伦兹力FLr，从而在被测高温铸锻件14表面产生超声横波15。在铁磁性金属材料中，除了洛伦兹力力外，还有磁致伸缩力或应变。高频脉冲激励电流Ie在被测高温铸锻件14中感应出高频交变磁场Bdr，使铁磁性金属材料磁化，产生磁致伸缩力FMZr，并发生伸长或缩短的尺寸变化，从而在被测高温铸锻件14表面产生周期性振动，形成超声波。超声波在被测高温铸锻件14表面产生，并沿着厚度方向向下传播，当遇到缺陷后，会发生反射。根据逆洛伦兹力或逆磁致伸缩效应，反射回来的超声波在被测高温铸锻件14表面振动，引起周围磁场的变化，在陶瓷接收线圈4中感生出电压信号，经过几次放大滤波后，通过AD信号采集卡输入到计算机中，通过LabVIEW软件中的信号分析处理模块，获取始波和缺陷回波信号的时间差。如图9所示，由于被测试样在某温度下的传播速度v是已知的(不同的金属材料体波声速不同，同种金属材料在不同温度下的体波声速也不同，需要事先测量。)，则被测高温铸锻件14中缺陷离上表面的距离d为d＝1/2*v*t，从而完成缺陷的定位分析。将缺陷回波幅值与预制不同直径的平底孔缺陷对比试样的缺陷回波幅值对比，从而实现缺陷的定量分析。

本专利采用多股陶瓷层银导线制成激励线圈和接收线圈，以及多个螺旋线圈首尾串联构成接收线圈并且绕激励线圈一周的两种设计，都可以尽可能地抑制激励线圈的集肤效应，同时满足减小激励线圈的阻抗和增大接收线圈的阻抗的要求，能够尽可能降低提离敏感性、提高换能效率和减小探测盲区，并可以实现650℃高温持续检测。现有专利很少涉及有关650℃高温持续和低提离敏感性的铸锻件电磁超声探伤方法及其装置，而国内外的高温电磁超声探头多采用水循环冷却或者空气冷却方式或者是在线圈下端设置耐高温绝缘材料，它们仅考虑了对探头中线圈设计或水冷效果的局部优化，并未从高温状态下水循环冷却效果、线圈的提离敏感性、偏置磁场聚集效果、线圈接收幅值及快速回复时间进行整体性和***性设计，很难保证在高温条件下电磁超声探头的缺陷检测灵敏度和探测盲区。

本专利从水冷效果上进行了综合考虑，采取了“下抽水上进水”的水冷却模式，可充分对永磁体进行充分冷却，同时永磁体下方放置的耐高温MnZn铁氧体磁座可进一步起到对永磁体隔热保护的作用；另外将磁座下表面加工成内凹球面状，可将原本发散式偏置磁场聚焦，使其完全垂直于线圈，可大幅度提高横波纯度，避免了纵波及其模式波对接收横波信号的影响。本专利还从提高接收信号幅值的角度考虑，采用单线圈激励、多线圈串联接收的配置方式，可加大接收线圈阻抗，提高换能效率；同时，接收线圈环绕激励线圈水平布置的方式可减少快速回复时间；保证了探头在高温下实现持续时间长、低提离敏感性、换能效率高、信噪比高、安全可靠的缺陷无损检测。本发明是基于抽水式水循环冷却方式、多根绝缘陶瓷线绕制方式、单线圈激励多线圈接收配置方式和MnZn铁氧体磁座内凹球面状设计方式，适用于650℃高温环境中进行持续时间长、低提离敏感性、换能效率高、信噪比高、安全可靠的缺陷无损检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温铸锻件持续检测电磁超声探头，包括探头外壳(9)，设置于所述探头外壳(9)的腔体内的永磁体(1)，设置于所述探头外壳(9)外底部下方的激励线圈(3)和接收线圈(4)，其特征在于，所述激励线圈(3)和接收线圈(4)均为导线绕制的与所述探头外壳(9)底部平行的螺旋线圈结构，所述导线由3～35根均匀涂抹陶瓷涂层(10)的银线(11)捆绑成一簇而成；所述永磁体(1)下方设置有耐高温磁座(2)，所述磁座(2)的中轴线与所述激励线圈(3)所在平面垂直；所述探头外壳(9)侧壁靠近底部设置有若干抽水口(6)，所述探头外壳(9)的顶部设置有进水口(7)，所述探头外壳(9)与所述永磁体(1)及所述磁座(2)之间的空腔构成水循环冷却通道(5)；

所述接收线圈(4)由多个螺旋线圈首尾串联而成，且所述接收线圈(4)的多个螺旋线圈绕所述激励线圈(3)一周。

2.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述银线(11)线径为0.015mm～0.08mm，所述银线(11)表面涂抹的陶瓷涂层(10)的厚度为0.03mm～0.07mm，所述导线外层涂覆有0.05mm～0.1mm厚的耐高温胶(12)。

3.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述磁座(2)底部为内凹球面结构，该内凹球面结构可将所述永磁体(1)提供的发散式偏置磁场聚焦使其垂直于所述激励线圈(3)。

4.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述进水口(7)连接水管用于进水，所述若干抽水口(6)连接抽水水泵进行抽水式出水。

5.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述探头外壳(9)包括主壳体和位于所述主壳体顶部的上盖，所述上盖底部设置有用于固定所述永磁体(1)的定位支架(8)。

6.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述探头外壳(9)由黄铜制成，且所述探头外壳(9)底部厚度为0.2mm～1mm。

7.根据权利要求1所述的高温铸锻件持续检测电磁超声探头，其特征在于，所述永磁体(1)为圆柱体的钕铁硼永磁体或钐钴永磁体，所述磁座(2)为坡莫合金、铁镍合金、MnZn铁氧体中的一种材料制成。

8.一种高温铸锻件持续检测电磁超声探伤装置，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的探头，以及PC机、激励电路和接收电路；

所述激励电路包括依次连接的DA信号发生器、功率放大器、激励端阻抗匹配电路，所述探头的激励线圈(3)的两端均与所述激励端阻抗匹配电路连接；

所述接收电路包括依次连接的接收端阻抗匹配电路、前置放大器、滤波器和AD信号采集卡，所述探头的接收线圈(4)的两端均与所述接收端阻抗匹配电路连接；

所述DA信号发生器、AD信号采集卡均与所述PC机连接。

9.一种利用权利要求8所述高温铸锻件持续检测电磁超声探伤装置的探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：

在激励线圈(3)内通入高频、大功率正弦脉冲串电流，从而激发出横波超声，沿被测试样厚度方向传播；

接收线圈(4)接收超声波转化为的电信号，经过放大、滤波后，转换为数字信号传至PC机，读取始波与缺陷回波之间的时间差t；

按照公式d＝1/2*v*t计算缺陷到试样表面的距离d，从而完成缺陷的定位分析，v为超声在被测试样材料内的传播速度；根据被测试样的温度进行修正并与事先预制平底孔的金属试样进行缺陷回波信号对比，确定缺陷的当量直径。

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