车轮电磁超声探伤技术的研究

1　引　言

    六十年代末期,无损检测领域中各种新方法相继问世,其中最引人注目的就是声发射、声全息以及电磁超声技术等。无损检测技术中对于金属的常规探伤方法主要采用压电超声探伤和磁粉探伤,这两种方法虽然简单,但是它们在运用到车轮探伤时都存在一些局限。首先,它们都无法探测到车轮踏面表面和近表面连续壳层内的缺陷。而踏面表面和近表面的擦伤、剥离、裂纹等缺陷恰恰是危及行车安全的重大因素;其次,它们在探伤时需要对车轮解体状态下,沿表面连续扫查才能实现车轮的连续探伤,这样就无法实现动态检测。因此,需要寻找一种新的轮对的探伤方法来实现探伤的要求。

    到了八十年代,电磁超声技术比其它两项技术发展迅速的多。国际也掀起了利用电磁超声技术进行无损检测的热潮。德国、美国在利用电磁超声技术对车轮踏面裂纹动态探伤方面取得了重要的工业性的成果。之所以如此,是由于经分析后,电磁超声技术不需要声耦合介质,这一特色适用于实现车轮在高速运行下进行检测,并且利用电磁超声表面波可以实现对车轮踏面表面以及近表面探测的要求。

2　电磁超声表面波的探伤原理

2·1　电磁超声波的激发与接收原理

    利用洛伦兹力原理激发的超声波叫做涡流超声。当高频电流流入放在金属表面的线圈时,在金属表面的趋肤效应将会感应出相应的涡流来,此涡流方向与线圈中电流方向相反。若同时在金属表面上加上一个磁场,那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力,这样就在金属中产生了超声波。通过改变磁铁、线圈的结构和磁场在线圈中的位置可以得到不同的波(包括纵波、横波、表面波等等),还可以通过改变激励电信号的频率改变超声波的不同的传播方向,这样可以实现波的自由选择。

    电磁超声技术的优点就是采用不同的磁铁和线圈结构很方便的激发和接收各种波形的超声波,如果采用图2所示的线圈结构,作用在图1所示的试样上,将产生如图3所示的表面波。表面波的波长λ是由图2中导线之间的距离d决定的。

    d=λ/2

得表面波的频率f为:

     f=V/2d　(V为表面波的波速)

    电磁超声表面波的激发和接收的效应是可逆的,我们正是利用这一点实现对表面波的接收。

2·2　利用电磁超声表面波对车轮探伤原理及分析

    利用洛伦兹力原理激发出超声波使电磁声换能器(EMAT)直接在车轮的踏面表面上激发出超声表面波,所激发出的超声表面波束将沿着车轮踏面表面及近表面内周向自行传播,从而形成对被检表面及近表面的全覆盖检测。超声表面波在不同位置遇到缺陷时形成不同特性的缺陷回波,通过对缺陷回波信号的分析就能探测出车轮表面缺陷位置。由于表面波的传播速度远远大于车轮前进的速度,车轮通过电磁声换能器的瞬间,表面波已沿车轮的表面传播数周,因此电磁声换能器不需在踏面上扫查即可探测到整个踏面及近踏面区域的裂纹状缺陷。图4为检测原理图。