[發(fā)明專(zhuān)利]一種金屬材料裂紋型缺陷深度測(cè)量裝置和方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910070532.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109737899A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐科;張初;周鵬;任威平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B17/00
• 分類(lèi)號(hào): G01B17/00;G01N29/04
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發(fā)明公開(kāi)一種金屬材料裂紋型缺陷深度測(cè)量裝置和方法，脈沖發(fā)生器(1)發(fā)射脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)多匝線圈(2)在金屬試樣(4)中基于洛倫茲力機(jī)制產(chǎn)生超聲波，被接收探頭(3)接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器(5)放大，然后通過(guò)信號(hào)記錄和分析模塊(6)記錄下超聲波的峰峰值。在標(biāo)定階段，對(duì)沒(méi)有缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)量，記錄S0蘭姆波峰峰值為A₀，然后在標(biāo)準(zhǔn)試樣上人工制作不同深度h的刻槽，得到刻槽深度為h時(shí)的S0蘭姆波峰峰值為A_h，計(jì)算S0蘭姆波的增強(qiáng)系數(shù)E＝A_h/A₀，繪制(h,E)曲線圖。在實(shí)測(cè)階段，將與待測(cè)金屬材料作為金屬試樣(4)，得到S0蘭姆波的峰峰值為A_d，計(jì)算E＝A_d/A₀，通過(guò)(h,E)曲線圖可以得到裂紋型缺陷的深度h。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具體為一種通過(guò)洛倫茲力機(jī)制在金屬材料中激發(fā)超聲波，當(dāng)線圈在裂紋型缺陷正上方的時(shí)候，遠(yuǎn)端的接收換能器接收到的超聲信號(hào)在幅值上有所提升，稱為近場(chǎng)增強(qiáng)，利用S0蘭姆波的增強(qiáng)系數(shù)和裂紋型缺陷深度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行金屬材料裂紋型缺陷深度的無(wú)損檢測(cè)。

背景技術(shù)

裂紋是一種危險(xiǎn)性缺陷，它不僅嚴(yán)重地削弱了工件的承載能力和抗腐蝕能力，在裂紋末端還易造成應(yīng)力集中，成為各種斷裂的源頭。在實(shí)際檢測(cè)中，裂紋往往出現(xiàn)于工件幾何、結(jié)構(gòu)和載荷不連續(xù)處，如焊縫融合線、熱影響區(qū)等，應(yīng)用滲透和磁粉檢測(cè)方法能夠有效發(fā)現(xiàn)表面裂紋并測(cè)量其長(zhǎng)度，但是對(duì)其深度測(cè)量難度較大，而射線檢測(cè)對(duì)體積缺陷靈敏度較高，平面缺陷靈敏度低，當(dāng)裂紋與射線方向不完全平行時(shí)不易檢測(cè)。

目前，超聲檢測(cè)技術(shù)是對(duì)裂紋深度進(jìn)行定量測(cè)量的重要技術(shù)手段，主要包括端點(diǎn)衍射法、爬波檢測(cè)法、衍射時(shí)差法、相控陣檢測(cè)法等，這些檢測(cè)方法往往或精度不足難以實(shí)現(xiàn)深度小于1mm的裂紋型缺陷的定量檢測(cè)，或檢測(cè)系統(tǒng)比較復(fù)雜難以進(jìn)行在線檢測(cè)。

電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，簡(jiǎn)稱EMAT)是一種通過(guò)電磁聲耦合的方式激勵(lì)和接收超聲波的裝置，常用于金屬材料的缺陷檢測(cè)。在鐵磁性材料中，電磁超聲的換能機(jī)制包括洛倫茲力機(jī)制、磁致伸縮力機(jī)制和磁化力機(jī)制，而在非鐵磁性材料中，洛倫茲力機(jī)制是唯一的換能機(jī)制。在金屬材料中，由于裂紋型缺陷的存在，一方面使得超聲波在裂紋附近會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，另一方面使得裂紋開(kāi)口處由原本的連續(xù)性邊界條件變成了自由邊界條件從而加強(qiáng)了金屬表面的局部振動(dòng)，因此通過(guò)測(cè)量接收換能器接收到的信號(hào)峰峰值的大小可以實(shí)現(xiàn)金屬材料裂紋型缺陷深度的非接觸快速測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

在金屬材料中，通過(guò)洛倫茲力機(jī)制激發(fā)超聲波，當(dāng)線圈在裂紋型缺陷正上方的時(shí)候，遠(yuǎn)端的接收換能器接收到的超聲信號(hào)在幅值上有所提升，稱為近場(chǎng)增強(qiáng)。對(duì)于相同的金屬材料，在有裂紋型缺陷情況下的S0蘭姆波峰峰值和無(wú)缺陷情況下的S0蘭姆波峰峰值的比值E稱為S0蘭姆波的增強(qiáng)系數(shù)，該比值受到裂紋型缺陷深度的影響，可以反映出裂紋型缺陷的深度，本發(fā)明利用基于洛倫茲力機(jī)制的電磁超聲實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋型缺陷深度的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種金屬材料裂紋型缺陷深度測(cè)量裝置，包括脈沖發(fā)生器(1)、多匝線圈(2)、超聲波接收探頭(3)、待測(cè)試樣(4)、信號(hào)放大器(5)、信號(hào)記錄和分析模塊(6)。多匝線圈(2)放置于待測(cè)試樣(4)裂紋型缺陷的正上方，保持提離距離為0mm–5mm之間的某個(gè)固定值，線圈主平面與待測(cè)試樣(4)表面垂直，多匝線圈(2)的輸入與脈沖發(fā)生器(1)的輸出采用導(dǎo)線連接；超聲波接收探頭(3)放置于多匝線圈(2)的軸線方向上，與多匝線圈(2)的距離保持在大于檢測(cè)盲區(qū)150mm，用于接收線圈在試樣中產(chǎn)生的超聲波；信號(hào)放大器(5)的輸入與超聲波接收探頭(3)的輸出采用導(dǎo)線連接，信號(hào)放大器的輸出與信號(hào)記錄與分析模塊(6)的輸入相連接。

所述脈沖發(fā)生器(1)產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)為寬頻脈沖信號(hào)，可選地使用窄帶脈沖信號(hào)。