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1、超声导波在线材检测中的技术研究童凯张建卫刘涛张伟代(钢恢硏究总院测试所北京100081)摘要：本文介绍了应用电磁超声(EMA)技术在线材中激发导波的原理和方法，以及适于高速线材在线检测的试验装置和实验结果。关键词：超声检测导波电磁超声换能器ResearchofUltrasonicGuidedWavesforTestingofWiresTONGKaiZHANGJanweiLIUTaoZHANGWeidai(DivisionofAnalysisandTesting,CISRI,Beijing,10081)Abstract:Thispaperintroduc
2、estheprincipleandmethodofexcitingultrasonicguidedwavesinwireswithEMATtechnique,andtheon-linetestingequipmentforhigh-speedwiresanditsexperimentalresults.Keywords:ultrasonictesting,guidedwave,EMAT(electromagneticacoustictransducer)线材是工程结构、机械零件制造的主耍用材，其品种规格多、应用广泛，约占我国钢产量的10%。山于现代制造
3、业和建筑业对线材的质量要求愈来愈臥尤其是铁路桥梁、大跨度斜拉桥、核工业建筑、人型建筑结构所用的高强度预应力钢筋、钢绞线以及大量用于汽车工业、机械行业的各类专用钢丝的原材料等。日前对于优质线材我国仍需人最进口，其原因主要在于质量可靠性方面的差距，而冇效的无损检测恰是解决此问题的重要手段Z—。因此，对于重要应用冃的的高速线材进行无损检测(NDT)是非常必要的。另外，以在线检测的方式，即在高温状态下的轧制过程屮，及时获取线材的质量信息，可及时地发现生产过程屮产生的缺陷、并及时合理调整和改善轧钢工艺，对确保线材产品质量和节约能源具有重要的价值。FI前线材热态在
4、线NDT己是国际上非常关注并致力于研究的重婆的前沿技术课题，也是我国急需发展的检测技术Z-o由于超声导波相对于传统的超声波检测技术，具有传播距离远和速度快的特点，因此，在线材的无损检测中有良好的应用而景。1・导波概述导波是由于声波在介质屮的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。导波主要分为鬪柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波和漏兰姆波⑴等。根据Silk和Bainton的理论⑵,圆柱体中的导波分为:①轴对称纵向模式L(0,m),(其小m二1,2,3,——)；②轴对称扭转模式T(0,m),(其屮m=l,2,3,
5、——)；③非轴对称弯1111模式F(n,m),(n,m=l,2,3,)。各模式中整数m是计数变量,反映该模式在工件径向上的振动形态；整数n反映该模式绕工件螺旋式传播形态。其中，L(0,m)和T(0,m)模式是F(n,m)模式在n=()时的特例。导波的检测灵敏度与被检测物体的尺寸有关(直径、板厚等)，这一点有别于体波(纵波、横波)的检测灵敏度仅与检测波的波长冇关。导波在声波传播途径上能够冇效检出的缺陷的最小横截面积T=S/1000(S为被检T件的横截面积)。2.导波的激发2.1压电超声与电磁超声（EMA）的比较通常通过调整压电探头的频率和入射角，可在工件
6、（如板材、棒材、管材）中激发出导波,但其激发的波模相对较杂，探头的调整也很困难，再加上其声波的传播需要借助藕合介质，因此,压电超声并不适于高速、高温的在线检测。在冃前诸多的NDT方法中，电磁超芦（EMA）法以其非接触式的独特工作方式更适用于各类线材的NDT的髙速、高温的检测现场条件。电磁超声换能器（EMAT）包括一个磁铁和一个高频线圈，依靠在被检工件表面的电、磁相互作用，可在工件内激发出超声波。由于被检工件是其换能器的一部分，因此，其声波的传播无需借助耦合介质。图1是两种检测方式的比较。压电超声—■耦禅剂ENATUYEMAT线圈•B超声波图1两种检测方
7、式的比较2.2电磁超声（EMA）的激发机理利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩（Magnetostriction）力,EMAT与被检工件表面的相互作用激发出超声波。图2揭示了洛仑兹力的工作机理。洛仑兹力是指带电质点在磁场中所受的电动力。当鬲频电流加到靠近金属表而的线圈上时，在金属表而的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流来，此涡流方向与线圈屮电流方向相反。若同时在金属表面上加一个磁场，那么涡流在磁场作用下就会产住一个与涡流频率相同的力，即洛仑兹力。它在工件内传播就形成了声波。B0白二咕Bq+Br图3磁致伸缩力图3揭示了磁致伸缩的工作机理。磁致伸缩是指磁
8、畴在交变磁场的作用下产牛•壁移和旋转。众所周知，铁磁性材料是由许多口发磁化的磁畴组成，在无外磁
