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氣墊式電磁超聲探頭初探
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
1前言
近年來一種新的探傷方法―電磁超聲(EMAT)方法逐步得到應(yīng)用和發(fā)展,電磁超聲探傷方法將有可能成為未來鋼材原料及成品探傷的首選方法。然而由于現(xiàn)行的接觸式電磁超聲探頭有著很多無法逾越的弊端,人們正在尋求一種新的解決方法。用氣墊式探頭代替原有的接觸式探頭,有望解決探頭磨損問題,還為電磁超聲方法應(yīng)用于高溫坯料探傷提供了前所未有的良機(jī)。
氣墊式探頭是原有接觸式探頭的發(fā)展和革新,只要電磁超聲探傷方法適用的場(chǎng)合(除非一些不適合用氣體的地方),一般均可以采用氣墊式探頭。它可以廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)當(dāng)中的原材料、半成品和成品的檢測(cè)。對(duì)于冶金行業(yè)當(dāng)中的鋼板、棒料、無縫鋼管、連鑄鋼坯、螺旋焊管等均適用。
2電磁超聲探傷方法的特點(diǎn)
電磁超聲探傷的特點(diǎn)為:
1)電磁超聲波借電磁場(chǎng)作為發(fā)送和接收超聲波的介質(zhì),所以不需要油、水之類的耦合劑。
2)如果改變電磁鐵的結(jié)構(gòu)和形狀,改變發(fā)信收信線圈的排列方式,就可以分別產(chǎn)生縱波、橫波和表面波等不同模式的超聲波。
3)可對(duì)高溫物體和表面有銹垢及油漆層的物體直接檢測(cè),因而可減輕工作量,節(jié)約能源。相反,超聲檢測(cè)方法做不到這一點(diǎn)。
4)由于不需要耦合劑,不存在接觸壓力變化問題,探傷靈敏度穩(wěn)定。
5)EMAT在750℃高溫下檢測(cè)也很容易實(shí)現(xiàn),甚至更高溫度下也是可能的。
6)電磁超聲波不能用于對(duì)非金屬材料探傷,因?yàn)榉墙饘僦胁荒墚a(chǎn)生渦流。這是其不足之處。
3氣墊式探頭的提出
3.1研究?jī)r(jià)值
隨著電磁超聲探傷機(jī)理的不斷完善,加之其他探傷方法無與倫比的優(yōu)勢(shì),將可能成為板材、管材、鋼棒、連鑄坯的主要探傷手段。而氣墊式電磁超聲探頭得以開發(fā)應(yīng)用,無疑對(duì)于電磁超聲的發(fā)展與推廣將起到推波助瀾的作用。
(1)對(duì)于板材來說,目前國際上常用的探傷方法是超聲檢測(cè)(UT)法。但是,UT方法存在三大問題:一是要有水耦合,水在高溫下會(huì)汽化,零度以下會(huì)結(jié)冰;二是機(jī)械跟蹤問題不好解決;三是不能達(dá)到100%掃查。而電磁超聲(EMAT)方法使得這些問題迎刃而解。
(2)對(duì)于管材及鋼棒來說,通用的渦流或超聲法必須要求探頭旋轉(zhuǎn)或是被檢的管棒旋轉(zhuǎn),而且要求兩者必須同心,這使得機(jī)械跟蹤問題難以解決。而使用EMAT方法不需要探頭或被測(cè)物旋轉(zhuǎn),只需要保證探頭與被測(cè)物的間隙即可。
(3)對(duì)于連鑄坯來說,EMAT方法更是其他方法不可代替的。專業(yè)人士分析,若將EMAT用于在線鑄坯探傷,可以實(shí)現(xiàn)連鑄參數(shù)的適時(shí)調(diào)整,降低產(chǎn)品的不合格率,提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是,目前的接觸式探頭又有許多致命問題不能解決,因此氣墊式探頭的研制意義重大。首先,磨損問題影響了探頭的使用壽命,用氣墊將探頭和被測(cè)物隔開,幾乎不存在磨損問題;其次,直接接觸導(dǎo)致探頭升溫,氣墊式探頭不與被測(cè)物接觸,中間不斷通入冷空氣,起到了冷卻的作用;另外,直接接觸使得跟蹤裝置的動(dòng)態(tài)特性不佳,機(jī)械振動(dòng)影響很大,而使用氣墊式探頭將可能使探傷設(shè)備的跟蹤特性會(huì)有質(zhì)的改善。
3.2氣墊式探頭的特點(diǎn)
(1)采用空氣作為介質(zhì),不需任何成本,氣體直接從探頭排出,不再循環(huán)使用,且無污染、無噪聲。
(2)壓縮空氣壓力僅為3～5個(gè)大氣壓,使用起來比較安全可靠。
(3)探頭裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工、安裝、拆卸均較方便。
(4)氣墊剛度大,使得探頭跟蹤效果好、探傷結(jié)果準(zhǔn)確高效。
(5)和接觸式探頭相比,探頭的磨損大大減小,提高了探頭的使用壽命,從而降低了生產(chǎn)成本。
3.3氣墊式探頭的研究現(xiàn)狀與前景
目前,僅有俄羅斯生產(chǎn)出裝有氣墊式探頭的板材電磁超聲設(shè)備,國內(nèi)尚無此方面的任何信息。無論是從事此類產(chǎn)品的開發(fā),還是從事這方面的研究,都將具有重要的意義。若能成功研制出用于工業(yè)生產(chǎn),而且使用效果好的氣墊式探頭,其科研價(jià)值以及經(jīng)濟(jì)效益將是可觀的。
4氣墊式探頭設(shè)計(jì)方法初探
4.1理論基礎(chǔ)
鑒于氣墊式電磁超聲探頭屬創(chuàng)新性課題,所以在設(shè)計(jì)過程中基本沒有同類產(chǎn)品可以借鑒,可以參考的就是氣體靜壓軸承和氣墊帶式運(yùn)輸機(jī)。但是它與氣體靜壓軸承有著明顯的區(qū)別:首先,它的氣墊間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)厚于靜壓軸承;其次,目前對(duì)于靜壓軸承的設(shè)計(jì)主要是參考有關(guān)手冊(cè),按照一定的尺寸比例進(jìn)行設(shè)計(jì),但本系統(tǒng)受到整個(gè)探傷設(shè)備的制約,設(shè)計(jì)尺寸不可隨意選擇,所以現(xiàn)成的手冊(cè)和圖表無法套用。氣膜性能的計(jì)算是氣墊式探頭研究工作的一個(gè)基礎(chǔ)。在理論計(jì)算過程中,首先要建立氣墊場(chǎng)的氣流及壓力場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型,在提出一系列假設(shè)的前提下,應(yīng)用雷諾方程、氣體連續(xù)性方程及連界條件,再用差分法或有限單元法求解出氣墊場(chǎng)的壓力分布值、氣膜承載能力、氣膜高度、氣膜剛度等一系列氣膜性能值。
4.2實(shí)驗(yàn)
以理論計(jì)算為基礎(chǔ),我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室階段的研究。在測(cè)量氣膜間隙時(shí),可采用電測(cè)法或用千分表進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果精度要求很高。考慮到氣膜厚度可能不均勻,我們采用三點(diǎn)測(cè)量法,即通過測(cè)量一個(gè)面上的三個(gè)點(diǎn)的高度,來確定這個(gè)面的高度。通過大量反復(fù)的測(cè)量,得到的結(jié)論是:實(shí)驗(yàn)的氣膜厚度基本均勻,誤差極小。同時(shí)還進(jìn)行了氣膜剛度的探討,通過對(duì)承重進(jìn)行加載來改變氣膜厚度,測(cè)量出氣膜厚度的變化,計(jì)算出氣膜的剛度。
5結(jié)語
經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析,得出如下結(jié)論:
(1)氣墊式電磁超聲探頭屬于發(fā)明研制,根據(jù)其工作原理,設(shè)計(jì)時(shí)可以參考靜壓氣體支承和氣墊帶式運(yùn)輸機(jī)。但氣墊式電磁超聲探頭的氣墊間隙和這二者都不屬于一個(gè)數(shù)量級(jí),并且它們的結(jié)構(gòu)有所不同。所以現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)公式和圖表都不能直接套用。
(2)設(shè)計(jì)時(shí),氣墊的尺寸和形狀不同,設(shè)計(jì)和計(jì)算的方法也會(huì)不同。如果對(duì)外形和尺寸沒有限制,最好將氣墊設(shè)計(jì)成圓形,加工時(shí)會(huì)更方便,同時(shí)在計(jì)算氣墊性能時(shí),也可以和氣體靜壓推力軸承靠攏,所以設(shè)計(jì)起來也會(huì)方便很多。
(3)在選定供氣壓力時(shí),應(yīng)考慮節(jié)流比β。對(duì)于小孔節(jié)流來說,節(jié)流比的選擇應(yīng)考慮受到氣體阻塞的限制。
摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
