EMAT检测技术的研究
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EMAT检测技术的研究
技术的意义
随着火车速度的不断提高,火车运输的风险性越来越太,尤其是1998年6月德国ICE高速列
车灾难性事故之后,车轮的检测问题受到各国高度重视.我国正处在列车不断提速的过程中.对车
轮的安全性提出了更高的要求,迫切需要研究一种既能在车轮出厂时对车轮全面检测,也能对正在
运行中的车轮进行检测的方法和设施.目前采用的压电式超声波探伤,只能检测出车轮轮辋内部
的缺陷,而对车轮踏面近表面(距踏面lOrmn以内)的检测因存在探伤盲区而难以准确检测,而车轮
近表面的疲劳裂纹和其他冶金缺陷对车轮的安全运行又起着关键性作用.另外,目前使用的超声
波探伤只能在生产厂静态检测车轮,不能用于正在运行中车轮的在线动态检测.为此我们与钢铁
研究总院合作,用EMAT技术检测车轮踏面近表面的缺陷,从而为高速车轮的安全运行找到一种科
学,安全,可行的检测方法.EMAT技术是当今世界车轮元损检测技术中刚刚兴起的一门崭新技
术,由于它的可靠性,安全性与经济性决定了它在车轮无损检测中占有重要的地位和具有强大的生
命力.
2EMAT检测原理
EMAT是Electro—magnetic&埘ctrall~ucex的英文缩写.所谓EMAT技术,实质上就是电磁超
声换能器技术.它主要有三个部分组成:高频线圈,外磁场和试样本身.图l是一种激发横波的
EMAT抉能器示意图.图中置于磁铁N及S极之下的高频线圈两部分绕线方向相反,所以在试样
中感应出的棍巍也相反.那么,用右手矢量法可以翔断出产生h∞l乜力F的方向都平行于试样
的水平面.所以使表面趋肤层内质点产生切向位移,向试样内传播而形成横波.如果高频线圈不
是置于两个磁极之下,而是置于两个磁板之间,那么很容易判断出会使趋肤层内质点产生与传播方
向平行的振动而形成纵波.
如果将高颡线圈制成如图2(a)所示的蛇形,使相临两部分绕组的电流方向相反,并使其间距
等于,那么,在表面上就会产生如图2(b)所示的表面波;如改变激励电流频率,表面波束就会向
作者筒介:季怀患,男(I~55一).马铜科技部经理.高彀工程师.
收藕日期:∞0D?0B一苗
总第l0期季怀忠:日肼_T控疆l技术的研兜?9?
试样内偏斜,用此可以激发出h呷渡;如果使高频电流方向平行于外磁场来摆放线圈,在铁磁性
材料中借助于磁致伸缩效应产生出sH渡.由此可见,用EMAT技术可以很方便地激发出各种渡型
来.
0@试样
J
j=L波传
田1横波E蛐换能器
(a)
圈
(b)
田2表面波EhtAT换能器
由于EMAT技术还处在研究开发之中,虽然据有关报导EMAT技术已在检测钢板,钢坯,钢棒
和钢管近表面缺陷方面获得成功,但由于车轮形状复杂,尤其对处于运动中的车轮检测一直是一十
技术难题.实验设计的该技术的关键环节——螺头的工作原理如图3所示.高频电流在工件表面
感应的涡流”l”与”2”方向相反.此时外磁场B垂直作用在涡流”1”与…2上的方向也相反,产生的力
F1与砣方向相同,所以线圈轴线上的合力不为0,轴线上声压最强,能获得较高的探伤灵敏度,声
场指向性也优于目前国外设计的”反向激励”探头,我们把如图3所示的探头定义为”同向激励”探
头.～
-
10?季怀忠:EMAT~技术的研究总第10期
声传播方向
固3同向激励探头固4电磁超声原理方框图
车轮踏面近表面探伤,特别是车轮轮缘和喉部的探伤涉及到复杂的声学问题,因而EMAT的设
计也非常复杂.如果EMAT设计合理,则对车轮踏面近表面,轮缘和喉部存在的缺陷都可获得较高
的信噪比.
研究设计的EMAT装置是一种紧凑轻便型装譬,葛原理方框图如图4所示.该装置由一台计
算机,一个用强磁体固定的换能器罩和一个包括前置放大器及偏振开关的专用件组成.把EMAT
换能器置于罩内,使其可重复地在轮辋上精确楚位.EMAT换能器可
使声波从两个垂直方向穿过
轮辋.强电流脉冲穿过紧靠轮辋面的线圈而产生声波,并在车轮表面感应出涡流.车轮表面的这
些据流与外磁场相互作用产生超声波.EMAT装置的特点是在垂直叠层线圈中产生频率为2MHz
的电流,使之不移动换能器也可以在正交方向产生偏振超声波.
与传统装置相比,EMAT装置的一个特点是换能器和测试材料之间不需要耦合剂.根据电磁
学原理,带电质点在磁场中要受到一个电磁力的作用,当把高频电流加到靠近金属表面的电感线圈
上时,在金属表面的趋肤深度内将感应出相应频率的涡流来.其方向与线圈内高频电流方向相反.
如果同时在金属表面上加一个外部静磁场,那么涡流在外磁场作用下便会产生一个与涡流频率相
同的力,传人工件中去而产生超声波.由于此效应的可逆性,反射回声在磁场的作用下也会产生涡
流.涡流的磁场使线圈端电压发生变化,从而检测出超声信号来.用此法同样也可激发出纵波,
横波及其他各样波型来.如图5所示.
在金属中产生涡流超声需要三个条件:(1)通以高频电流的涡流线圈,(2)外磁场,(3)导电的被
探件本身.该技术能够将工件本身的趋肤深度层作为超声声源,当然
也就不需要声耦合剂了.不
用耦台剂就消除了因台全不良而造成的误差,从而能倔证检测的精度.
与传统的压电超声换能器(PET)相比,EMAT装置的另一个特点是检测完全自动化.操作人员
只需要启动车轮滚动并接通EMAT装置,就可在15—20s内得出无偏差的检测结果.如果车轮踏
面近表面存在危害性缺陷,计算机就会通知操作人员.
总第10期季怀忠:I~fAI”检刺技术的研克
3试验研究
图5用电磁超声波激发纵,横波示意圈
3.1实验室试验研究:用15车轮
踏面制造人工缺陷,其尺寸为:长30mm,
深lama.用EMAT装置对其进行检测试
验.经过反复试验,对该装置中的仪器
和探头进行逐步改进,使之达到了较高
的探伤灵敏度,且对人工缺陷的检测重
复性好,可探出表面下10mm内的研究
缺陷.
图6探头布置示意田
3.2生产现场试验:试验路线:试验车轮选择+检测危害性缺陷+检测
灵敏度调整+缺陷定
位+缺陷的解剖验证.
试验车轮选择.本次试验选择了一批93个o8柏皿S车轮,进行现场实验研究.
检测危害性缺陷.首先用电磁超声探伤方法对所选择的93个o{加衄S车轮逐个进行踏面近
表面检测.检测工作频率定在0.75MHz,可检测深度定在0—8nnn.探头布置在圆周某一点踏面中
心位置,如图6所示.
检测灵敏度调整.检测过程中,白大到小不断调整探伤当量,逐步提高检测灵敏度,在噪声不
影响观察的情况下尽可能提高检测灵敏度.超声信号被激发后沿工件踏面近表面(约08mm范
围)传播,显示屏上可见3次底波,声波传播长度达工件3周,相邻底波幅度衰减约6dB,如图7所
示.
缺陷定位.对选择的93个∞40皿S车轮进行检测后,仅发现其中1个车轮上有一微弱反射
信号.根据信号显示对缺陷定位:
P=1/2S=1/2vt
——
缺陷位置;
s_——缺陷离探头的双倍距离;
r—-渡传播速度;
?l2?季怀忠:西【捡曩l技术的研克恙第10期
r～波传播时阃.
计算得p:l/2(300000Orn/Bx160us)=240mm
A
一
砍透过波二次透过渡
图7屏幕显示示意圈
缺陷的解剖验证.为了验证EblAT拄术的检测精度,我们用低倍方法对检测认为有缺陷的车
轮进行了实验验证.在离电磁超声检测方法探头周向约24Omm处(即定位缺陷处)取一横向低倍
试样,进行酸洗腐蚀观察.余下试样在踏面部位进行多次铣削并酸洗腐蚀观察.横向试样面束发
现缺陷.踏面在切削约3r址Il和约3.5n珈时,在酸洗面上发现点状微小缺陷,最长的在0.5叫I左
右,数量25点.同样我们也用低倍方法对检测认为无缺陷的92个车轮抽样验证了24个低倍试
样,均未发现缺陷.试样编号如图8所示.
被检横藏面被检踏面
田8解剖簟号示意田
编号3,4,5,6试样作横剖面观察,l一1,l一2,2一l,2—2试样作踏面观察.在编号3,4,5,6试
样上分别取一个横截面经铣削加工,然后进行酸洗腐蚀观察,每块试样连续进行3次铣削和酸洗腐
蚀观察,每次铣削量lⅡⅡn左右,共观察l2个横向解剖面.在编号l—l,1—2,2一l,2—2试样踏面
进行铣削加工,然后进行酸洗腐蚀观察,每块试样连续进行3次铣削和酸洗腐蚀观察,第一刁铣削
量(试样中心位置)3mt左右,第二,第三刀铣削量分别l删n左右,共观察l2个踏面解剖面o8块试
样共24个解剖面的低倍观察均未发现低倍缺陷以及值得怀疑的疑点.
4结论
4.1咖装置体积小便于安装.应用技术检测车轮踏面对,探头当量.该技术能适用于快速客车轮,提速货车轮和我们正在设计研究的高速客车
轮的检测.
4.4该技术可用于正在行使列车上安装的车轮检测.
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