焊缝的电磁超声Lamb波检测.pdf

无损检测2023年第45卷第5期16试验研究DOI:10.11973/wsjc202305004焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，黄凯华，周昌智，黄黄斐（上海船舶工艺研究所，上海2 0 0 0 32）摘要：基于CIVA仿真平台，以常用金属薄板焊缝为研究对象，优化EMAT（电磁超声技术）参数，对材料中Lamb波声场分布和人工缺陷的检测效果开展了建模仿真分析和试验验证，并对比了自发自收式和一发一收式EMAT检测焊缝缺陷的效果。结果表明，仿真优化后的EMAT对缺陷具有较高的分辨能力，对几种厚为3一6 mm的船舶常用金属材料对接焊缝缺陷较敏感；一发一收式的EMAT检测方法稳定性更强，检测效率和分辨力更高，适用于薄板焊缝的快速检测。关键词：电磁超声；Lamb波；薄板焊缝；CIVA仿真中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3）0 5-0 0 16-0 7Electromagnetic ultrasonic Lamb wave detection of weldYIN Jiawen,HUANG Kaihua,ZHOU Changzhi,HUANG Fei(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032,China)Abstract:Based on the CIVA simulation platform,the common metal sheet welds were taken as the researchobject,the EMAT parameters were optimized,modeling,simulation analysis and experimental research on thedistribution of Lamb wave sound field in materials and the detection effect of artificial defects were carried out,andthe effects of pulse-echo mode pitch-catch mode by using EMAT in detecting weld defects were compared.Theresults show that the EMAT optimized by simulation has high resolution ability to defects,and is very sensitive tothe defects of butt welding of several common metal materials of 3-6mm ships.The EMAT detection method basedon pitch-catch mode has stronger stability,higher detection efficiency and resolution,it is suitable for rapiddetection of thin plate welds.Key words:electromagnetic ultrasound;Lamb wave;thin plate weld;CIVA simulation船舶服役期往往航行在远离陆地的深海区域，若因疲劳或焊接质量问题出现结构断裂等事故，后果将不堪设想。焊接是重要的材料加工成型方法，在焊接过程中，爱人员操作不当、热应力、环境等因素影响，焊缝中会出现裂纹，夹渣，气孔等缺陷，降低焊缝使用过程中的安全性及可靠性。因此，评估和检验焊接质量对于保障船舶使用周期和人员安全是非常重要的 1-2 目前常用的焊缝检测方法有射线、超声、渗透检测等，超声检测主要利用压电超声技术（包括常规超声检测、相控阵超声、超声衍射时差法等），虽然压电收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 8作者简介：尹嘉雯（19 9 6 一），女，助理工程师，主要从事无损检测新技术开发工作通信作者：尹嘉雯，512 18 38 9 4 超声在传感器结构及激发效率上具有优势，但其稳定性和可靠性受制于试件表面的粗糙度、探头接触压力、耦合条件等因素，且存在一定的表面探测盲区，对薄板结构的检测存在较大局限性。电磁超声(EMAT)是一种快速有效的联合型无损检测方法，可进行非接触检测，薄板中激发的超声波模态单一且纯净，在实际检测中的摆放位置也更加灵活，适用于高温与移动的检测对象和薄板结构的快速扫查 3-1。使用EMAT技术对焊缝开展工艺仿真检测并针对几种常用船用钢焊接结构的人工缺陷开展检测试验1EMAT激发的Lamb波EMAT的激发机制是在金属材料中产生洛伦兹力或磁致伸缩力。EMAT探头发射出的电磁场与待测试件相互作用产生力场，使得试件中的质点无损检测2023年第45卷第5期17焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：振动形成超声波声场 6-8 。对于厚度为几个波长的薄板，由于超声波在薄板上下表面不断反射，在传播一定距离后，超声波形成导波形式，即Lamb波 。在铁磁性材料中，交变磁场会引起材料磁化强度的变化，导致材料晶格的长度、体积和形状发生改变，从而产生磁致伸缩力。对于非铁磁性材料，洛伦兹力是激发Lamb波的主要原因。根据安培定律，激励线圈加载的交变电流在金属板内产生交变磁场，磁感应强度为BA，并在薄板集肤深度内感应出涡流JE，洛伦兹力F表达式为 1F=JE(Bs+BA)=Fs+FA感应涡流与静磁场（磁感应强度为Bs）相互作用产生面内力Fs，面内力在板中表现为对称Lamb波（S模态波）；感应涡流与动态磁场（磁感应强度为BA)作用产生面外力FA，面外力在板中表现为反对称Lamb波（A模态波），磁场方向的设置有助于在板中产生单一模态波（见图1）。动态磁场的竖直分量同样可以产生面内力，该面内力与其他力相比很小，一般不予考虑 7Lamb波对板件表面及内部的缺陷都比较敏感，可以有效检出板件中的不连续。EMAT常用的Lamb波检测方法有自发自收法和一发一收法两种，接下来将比较两种方法的效果。NSS模态波A模态波(a)S模态波(b)A模态波图1磁场方向与激发的模态波关系示意2焊缝的EMAT仿真模型2.1模型建立采用CIVA软件来探究EMAT检测效果的影响因素，实体模型包括曲折线圈、永磁体和薄板3部分。工件尺寸设置为40 0 mmX400mmX5mm（长X宽高），材料为30 4不锈钢，纵波声速和横波声速分别为56 50 ms-1和3150 ms-1,密度为8 gcm-3,电导率和相对磁导率为1.39 MSm-1和1。利用MATLAB软件绘制了5mm不锈钢板中Lamb波相速度和群速度频散曲线，如图2 所示。5.5一对称模态10一对称模态5.0反对称模态9一反对称模态G-S.u)/率4.584.0(-S.U)/单73.563.052.542.01.531.020.51004008001200160020002400280032003600400040080012001600200024002800320036004000频率/kHz频率/kHz(a)群速度(b)相速度图2 5mm不锈钢板中的Lamb波频散曲线从图2 可以看出，随着激励频率的增加，同一频率下的模态数量随之增加，每一种模式相速度和群速度随着频率的增加而改变,Lamb波的这种多模和频散特性会使激励的超声波变得更加复杂。因此激励信号频率的选取十分重要，会直接决定激发Lamb波的种类和传播特性 10-12 O为了在板内取得单一模态的波形，根据频散曲线，选择低频进行激发，先将信号改为谐波模式，频率设置为50 0 12 0 0 kHz（以2 0 kHz为间隔），共设置36 组。从响应较好的频率（8 0 0 9 0 0 kHz)中选出2 1组，令提离距离为0.11mm（步进为0.1mm）,得到对应的频率和提离距离响应如图3所示，可见，频率为8 55kHz，提离距离为0.1mm时，接收信号的幅值最强。2.2EMAT仿真分析在焊缝深为2 mm处设置10 mmX2mm（长宽)的矩形垂直裂纹缺陷，由激励探头激发汉宁窗调制的五周期脉冲波在薄板中产生8 55kHz的Sl型Lamb波，通过缺陷后由接收探头采集缺陷信号。为了探究影响信号的因素，分别对不同线圈参数、探头间距、线圈电流等建立了多个模型，参数如表1所示。不同探头间距、不同线圈长度，不同线圈宽度时，缺陷基于Lamb波幅值的B扫图像如图46 所示。分析可知，探头间距为50 6 0 mm时，缺陷边缘较清晰，能量相对集中，但是测得的缺陷深度较实际深度小；探头间距为8 0 10 0 mm时，检测效果较好，应当在该范围选择探头间距；当线圈长度大于无损检测2023年第45卷第5期18焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：0.019k0.01880.015(855,0.018 8)娱0.0186(0.6,0.005)0.0100.01840.0050.0020.01820.10.20.30.4 0.5 0.60.70.80.91.0800810820830840850860870880890900提离距离/mm频率/kHz（a）提离距离响应函数实部变化曲线（b）频率响应函数实部变化曲线-0.005(0.6,0.009)0.724-0.006(855,0.715)0.720-0.0090.0120.715-0.0150.710-0.0170.70710.10.2 0.30.40.50.60.70.80.91.0800810820830840850860870880890900提离距离/mm频率/kHz（c）提离距离响应函数虚部变化曲线（d）频率响应函数虚部变化曲线图3不锈钢板中的频率响应和提离距离响应表1EMAT模型仿真参数序号探头间距/mm线圈长度/mm线圈宽度/mm线圈高度/mm线圈厚度/mm线圈电流/mA15012100.10.1126015150.20.5537020200.50.81048025250.81.05059030301.01.22006100351.51000(a)50 mm(b)60 mm(c)70 mm(d)80 mm(e)90 mm(f)100mm图4不同探头间距时缺陷的Lamb波检测结果(a)12 mm(b)15 mm(c)20 mm(d)25 mm(e)30 mm图5不同线圈长度时缺陷的Lamb波检测结果无损检测2023年第45卷第5期19焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：(a)10 mm(b)15 mm(c)20 mm(d)25 mm(e)30 mm(f)35 mm图6不同线圈宽度时缺陷的Lamb波检测结果25mm时，图像出现了较多旁瓣，成像质量较差，相比之下152 0 mm的检测效果较好，缺陷处能量较集中；线圈宽度为10 mm时，检测图像质量最好，随着宽度增大，能量呈现分散的趋势，宽度大于25mm后，图像不能很好地体现缺陷的量化信息，因此认为，检测图像质量可能和线圈宽度与缺陷长度的一致性有关。采用相同的方法确定线圈的最优高度、厚度和电流，相较于其他因素，这些因素的影响不大，但综合检测范围考虑，做出以下分析：过高的线圈高度可能造成检测深度范围缩小，不利于缺陷的发现；线圈厚度过小或过大都会影响EMAT的洛伦兹力和涡流的强度，厚为1mm时结果最好，能量相对集中，旁瓣较少，是理想且合适的线圈厚度；电流越大，检测结果幅值越大，更有助于缺陷信号的识别与提取。5mm厚30 4不锈钢的最佳检测参数为：频率855kHz；提离高度0.1mm；线圈电流10 0 0 mA；探头距离8 0 10 0 mm；线圈尺寸（长宽高）1520mmX10mmX0.2mm;线圈厚度1mm。用以上参数测试EMAT的分辨率和分辨力。建立缺陷间距分别为1,5，10，50 mm的5个缺陷，其分辨率和分辨力测试结果如图7 所示，可见，间距为1mm的两个缺陷难以区分，间距大于5mm的缺陷可以清晰辨别。图7(b)中的缺陷长度分别为1，2,5,810mm，一6 dB法测长的结果表明长1mm和2 mm的缺陷测长误差达到了50%，而长5mm及以上的缺陷测长误差均在6.2 5%以下，且在其他厚为36 mm的对接焊模型中均显示出相同的结果。以上测试表明仿真优化后的检测参数对于厚为50mm(a)分辨率长mm长un(b)分辨力图7 不锈钢板的EMAT分辨率和分辨力测试结果36 m m 的不锈钢焊缝具有良好的检测效果。3焊缝的EMAT检测试验在5块不同尺寸和材料的激光焊薄板上预先机加工刻槽和孔两种人工缺陷以测试EMAT的薄板焊缝检测能力，其参数如表2 所示表2薄板人工缺陷试块参数编号尺寸（长宽高）材料缺陷类型1200X240X5304平底孔2400X300X.5EH36通孔/刻槽3400X150X.3316L未焊透4200X300X3416通孔/刻槽5294X178X6Nitronic50通孔/刻槽使用便携式EMAT检测仪（型号为PowerBoxH)装载信号采集器及调谐模块，配合专用永磁型多功能探头和射频线圈，组成的EMAT检测系统，如图8 所示。无损检测2023年第45卷第5期20焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：1号3号4号2号5号(a)试验仪器(b)射频线圈(c)焊接试板图8薄板EMAT检测系统组成部件该系统通过EMAT检测仪激发电脉冲信号，经由收发一体的信号采集器模块，配合调谐模块，在多功能探头上施加电信号，利用洛伦兹效应在被测材料上直接产生和接收超声波信号，接收信号可以A扫描幅值变化所对应的包络线的形式读取。试验对比了自发自收与一发一收两种模式的检测效果。1号焊板材料为30 4不锈钢，其焊缝中心线处设置了孔深为1,2,3,4mm的2 mm平底孔，根据仿真结果使用9 0 0 kHz的Si型Lamb波进行检测，自发自收与一发一收的检测结果如图9 所示。从图9 可以发现两种方法都能清晰分辨出孔深为2mm及以上的2 mm平底孔缺陷，但EMAT激发时向两个方向同时发射超声波，在工件尺寸较小的情况下极易使得自发自收模式的边界回波与缺陷反射波重叠，影响结果评判，而一发一收模式下，焊缝透射波率先到达接收探头且强度大，容易识别，可分辨出深为1mm的g2mm平底孔。孔（a）接收信号波形（自发自收）(b）缺陷波幅（自发自收）1孔2孔礼3(c）接收信号波形(一发一收）(d)缺陷波幅(一发一收)图91号对接焊板的EMAT检测结果2号焊板材料为EH36，其焊缝中心线处设置了孔径为0.5，1,2，4,5mm的通孔和长为5，10 mm的线刻槽，使用9 0 0 kHz的Si型Lamb波进行检测，结果如图10 所示。从图10 可以发现，两种方法均能检测出2 mm及以上的通孔及两个线刻槽缺陷，但采用自收自发模式时，辩认焊缝反射波与调整闸门通常占用大量时间，相比之下一发一收模式的检测速度更快且检测稳定性更高，检测效率更高。3号焊板是由两块厚为1.5mm的316 L板搭接焊而成，焊缝处设置了长为1,5，7,10,15,2 2 mm的未焊透缺陷。由于该试板较薄，故采用高频以提升检测分辨力，使用17 0 0 kHz的Si型Lamb波进行检测，检测结果如图11所示，可见，两种方法均可检测出长5mm及以上的未焊透缺陷，与仿真结果一致。无损检测2023年第45卷第5期21焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：1omm5mml刻槽刻槽?5001200.0m1300.0W1400:01500.0m1600.017000（a）接收信号波形（自发自收）（b）缺陷波幅（自发自收）10mn刻楼5mm5刻槽(c）接收信号波形(一发一收）(d)缺陷波幅(一发一收)图10 2 号对接焊板的EMAT检测结果10:mm15num22m71m51n1（a）接收信号波形（自发自收）（b）缺陷波幅（自发自收）22mm5mni15mmTmn10m（c）接收信号波形（一发一收）(d）缺陷波幅（一发一收）图113号搭接焊板的EMAT检测结果4号和5号焊板的焊缝中心线处均设置了孔径为0.5，1，2，4mm的通孔和长为5，10 mm的线刻槽，分别使用8 50 kHz的S。型和8 0 0 kHz的A。型Lamb波进行检测，结果如图12 所示。由于端面回波以及材料衰减影响较大，自发自收模式均无法准确分离出焊缝反射波，一发一收模式均可检出两块试板中2 mm及以上的通孔和长5mm以上的刻槽。4丝结论（1）EM A T 适用于快速扫查，无需耦合剂，对工件表面要求低，在薄板中激发的超声波模态单一且纯净，可检出几种厚36 mm的船舶常用金属薄板焊缝中g2mm，深2 mm的平底孔、g2mm通孔和长5mm刻槽型人工缺陷。（2）EM A T 自发自收法连接方便，操作简单，但针对焊缝类产品，其接收回波信号较多，极大增加了缺陷信号的识别难度，不利于缺陷的判读。相比之下，一发一收法波形清晰，分辨率高，受工件形状以及衰减的影响较小，检测效率高。（3）EM A T 进行缺陷定量和定性仍存在较大的困难。无损检测2023年第45卷第5期22欢迎网刊登欢迎订阅欢迎订投稿焊缝的电磁超声Lamb波检测尹嘉雯，等：5mm刻博?10mm刻槽5mm10mm刻槽刻槽(a)4号(b)5号图124号和5号对接焊板的EMAT检测结果参考文献：1何健鹏，徐科，任威平.基于宽频兰姆波的钢板缺陷检测 J.仪表技术与传感器，2 0 17（1）：17 3-17 6.2高会栋.电磁超声技术在焊缝检测中的应用.无损检测，2 0 10,32(11)：8 50-8 53,8 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