[发明专利]一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置和方法

说明书

本发明公开一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置和方法，脉冲发生器(1)发射脉冲信号驱动多匝线圈(2)在金属试样(4)中基于洛伦兹力机制产生超声波，被接收探头(3)接收并转换为电信号，电信号经过信号放大器(5)放大，然后通过信号记录和分析模块(6)记录下超声波的峰峰值。在标定阶段，对没有缺陷的标准试样进行测量，记录S0兰姆波峰峰值为A₀，然后在标准试样上人工制作不同深度h的刻槽，得到刻槽深度为h时的S0兰姆波峰峰值为A_h，计算S0兰姆波的增强系数E＝A_h/A₀，绘制(h,E)曲线图。在实测阶段，将与待测金属材料作为金属试样(4)，得到S0兰姆波的峰峰值为A_d，计算E＝A_d/A₀，通过(h,E)曲线图可以得到裂纹型缺陷的深度h。

技术领域

本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种通过洛伦兹力机制在金属材料中激发超声波，当线圈在裂纹型缺陷正上方的时候，远端的接收换能器接收到的超声信号在幅值上有所提升，称为近场增强，利用S0兰姆波的增强系数和裂纹型缺陷深度的关系来进行金属材料裂纹型缺陷深度的无损检测。

背景技术

裂纹是一种危险性缺陷，它不仅严重地削弱了工件的承载能力和抗腐蚀能力，在裂纹末端还易造成应力集中，成为各种断裂的源头。在实际检测中，裂纹往往出现于工件几何、结构和载荷不连续处，如焊缝融合线、热影响区等，应用渗透和磁粉检测方法能够有效发现表面裂纹并测量其长度，但是对其深度测量难度较大，而射线检测对体积缺陷灵敏度较高，平面缺陷灵敏度低，当裂纹与射线方向不完全平行时不易检测。

目前，超声检测技术是对裂纹深度进行定量测量的重要技术手段，主要包括端点衍射法、爬波检测法、衍射时差法、相控阵检测法等，这些检测方法往往或精度不足难以实现深度小于1mm的裂纹型缺陷的定量检测，或检测系统比较复杂难以进行在线检测。

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种通过电磁声耦合的方式激励和接收超声波的装置，常用于金属材料的缺陷检测。在铁磁性材料中，电磁超声的换能机制包括洛伦兹力机制、磁致伸缩力机制和磁化力机制，而在非铁磁性材料中，洛伦兹力机制是唯一的换能机制。在金属材料中，由于裂纹型缺陷的存在，一方面使得超声波在裂纹附近会产生干涉现象，另一方面使得裂纹开口处由原本的连续性边界条件变成了自由边界条件从而加强了金属表面的局部振动，因此通过测量接收换能器接收到的信号峰峰值的大小可以实现金属材料裂纹型缺陷深度的非接触快速测量。

发明内容

在金属材料中，通过洛伦兹力机制激发超声波，当线圈在裂纹型缺陷正上方的时候，远端的接收换能器接收到的超声信号在幅值上有所提升，称为近场增强。对于相同的金属材料，在有裂纹型缺陷情况下的S0兰姆波峰峰值和无缺陷情况下的S0兰姆波峰峰值的比值E称为S0兰姆波的增强系数，该比值受到裂纹型缺陷深度的影响，可以反映出裂纹型缺陷的深度，本发明利用基于洛伦兹力机制的电磁超声实现对裂纹型缺陷深度的测量。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种金属材料裂纹型缺陷深度测量装置，包括脉冲发生器(1)、多匝线圈(2)、超声波接收探头(3)、待测试样(4)、信号放大器(5)、信号记录和分析模块(6)。多匝线圈(2)放置于待测试样(4)裂纹型缺陷的正上方，保持提离距离为0mm–5mm之间的某个固定值，线圈主平面与待测试样(4)表面垂直，多匝线圈(2)的输入与脉冲发生器(1)的输出采用导线连接；超声波接收探头(3)放置于多匝线圈(2)的轴线方向上，与多匝线圈(2)的距离保持在大于检测盲区150mm，用于接收线圈在试样中产生的超声波；信号放大器(5)的输入与超声波接收探头(3)的输出采用导线连接，信号放大器的输出与信号记录与分析模块(6)的输入相连接。

所述脉冲发生器(1)产生的脉冲电流信号为宽频脉冲信号，可选地使用窄带脉冲信号。