摘要:电磁超声-涡流复合检测技术既能克服电磁超声检测存在近表面的盲区缺陷,又能弥补涡流检测对内部深层缺陷灵敏度不高的不足。介绍了电磁超声、涡流以及电磁超声-涡流复合检测技术的特点与原理,分析了电磁超声-涡流复合检测技术在铁道车辆上的应用前景以及复合检测技术的未来研究方向。
关键词:电磁超声;涡流检测;复合检测技术
0 引言
现代工业对重要设备的安全性要求越来越高,在机械设备、电气设备、管道设备以及铁路运输、液压系统等开发和使用过程中,其钢制、铝制等材料会出现各种各样的缺陷,这些缺陷的出现,可能会带来人员伤亡和经济损失。无损检测技术(NonDestructiveTesting,NDT)用于金属工业和科学领域,是在不破坏测试材料的完整性和结构,并对测试材料后续应用不进行破坏的条件下,对测试材料的几何特征进行测量、定位,验证检测信息属于伪缺陷、相关缺陷或非相关缺陷的类型,最后对此构件是不是符合工作标准进行评估,从而帮助检测人员在不同的环境下检测各种材料不同类型的缺陷[1]。目前无损检测技术主要有:超声、涡流、射线、渗透、漏磁、磁记忆、激光、红外和微波等[2]。本文将介绍电磁超声检测技术、涡流检测技术、电磁超声-涡流复合式无损检测技术,并详细介绍电磁超声-涡流复合检测技术在铁道车辆上的应用前景。
1 电磁超声无损检测技术
对于电磁超声无损检测技术的研究始于20世纪30年代,发展至60年代出现了电磁超声换能器(Elec-tromagneticAcousticTransducer,EMAT)。它是一种非接触式超声换能器,是物体无损检测的重要方法之一,几乎应用于所有工业部门。EMAT是通过使用电磁机制来生成和检测超声波,主要由两个部分组成:一是交流脉冲供电线圈;二是设计在EMAT下方,在试件表皮深度内感应出强大静态磁通量的磁体。同时,试件也是EMAT检测的重要的一部分,必须具有导电性或者铁磁性,才能使线圈在试件表面产生涡流。EMAT的工作过程分为两个部分:发射过程和接收过程。发射过程即是当导线被放置在导电物体表面附近,并被当前所需超声频率的电流驱动时,在近表面区域将会产生与之相反的涡流,同时提供了一个偏置静磁场,交变涡流在静磁场的作用下,会收到两个相反的机械力的作用而产生振动,形成超声波的波源。而超声波接收过程即发射过程的逆过程。EMAT激发低频引导超声,无需紧密接触即可直接在金属表面上建立波源,这种超声波可以沿轴向或周向传播很长的距离,并将相关信息反馈到远程传感器;同时降低了传播损耗并在较低频率下具有相对较高的转换效率。超声波的频率特性和超声波产生的效率会受到脉冲发生器以及待检测试件的影响。在设计线圈时,需要充分考虑脉冲发生器与被测试件的关系,以达到所需的频率特性和优化发电效率。超声无损检测具有以下优点:近距离特性意味着在零件表面附近有一个气隙,没有耦合液或润滑脂层的限制,可以提高检测速度以及应用在较广的温度范围内;超声传导过程发生在零件表面薄层内,使超声波的传播时间(或阶段)得以精确测量,从而不损害或不影响被检测对象的使用性能;线圈形状和磁场方向允许波的类型(剪切或纵向)和传播方向由传感器设计控制;特殊波型可以满足多种材料和构造的工件进行全面快速检测的需求,例如剪切水平波、兰姆波、瑞利波;大线圈或线圈形状更容易满足多种待检测物体形状,并扩大了可用于检测零件的几何范围。基于EMAT的优点,超声无损检测在偏远环境中具有较高的检测速度和耐高温工作能力,会激发出不容易被流体耦合压电激发的极化,从而产生高强度的测量结果[3]。文献[4]研究了具有非均匀线圈的RW-EMAT的空间脉冲压缩现象,分析空间脉冲压缩的机制,提出了一种设计RW-EMAT的新方法,建立了RW-EMAT的有限元模型,并模拟了超声波的传播过程和空间脉冲压缩过程。文献[5]通过仿真和实验研究了通过使用周期性永磁体进行点聚焦剪切水平导波EMAT来检测不同形状和大小的缺陷的方法,并从散点图中提取有效的缺陷特征,从而在聚焦换能器的影响下实现缺陷的高精度分类和高精度量化。
2 涡流检测技术
涡流检测技术的原理是基于一个磁场源和测试材料之间的相互作用(见图1)。这种相互作用在试件中产生涡流,并且可以通过监测涡流流量变化来检测出非常小裂缝的存在。涡流无损检测技术可以使用在恶劣环境下,其缺陷检测速度可以高达150m/s[6]。该技术尤其适用于生产线中线材、棒材、管材、型材等半成品的自动检测。实际上,涡流检测是瞬间完成的;而其他技术,如液体渗透检测或光学检测需要耗费一定时间。涡流检测可以在各种导电材料中检测裂纹,无论是铁磁性的还是非铁磁性的都可适用;而其他无损技术,如磁颗粒法,仅限于铁磁性金属。涡流检测的另一个优点是检测可以在传感器和待检测件之间没有任何直接物理接触情况下进行,这与电磁超声检测类似。绝大多数的检查和测量作业可以用涡流检测进行,比如可以测量非导电涂层的厚度和电导率,这超出了其他检测技术的工作范围[7]。电导率与试件成分和热处理有关,因此涡流检测还可用于区分纯材料和合金成分,并可用于测定热处理后试件的硬度[8]。图1 涡流检测原理图自20世纪50年代以来,在航空航天和核工业领域,涡流检测技术在缺陷检测方面发展迅速。近年来,高灵敏度涡流传感器和探头的广泛研究和发展表明,涡流检测也是目前广泛应用的检测技术之一。涡流检测可以在多种材料中进行非导电涂层厚度、合金成分和硬度等技术范围之外的裂纹检测和测量,其前提条件是被测试材料必须能产生涡电流。同时,涡流检测传感器不受灰尘、湿度、油或介质材料的影响,并已被证明在一定温度范围内应用是可靠的。涡流检测技术可以为各个行业提供可靠的质量控制系统,相信在未来,对于涡流检测技术的研究会在传感器、设备和信号处理方面更进一步。文献[9]使用脉冲涡流测试检测换热管中圆周裂纹,强调新型探头的研究,旨在提高圆周裂纹的检测灵敏度。该研究设计的横向探头是为了使涡流垂直于圆周裂纹,以提高检测灵敏度;提出了使用相互垂直放置的两个探头来完成整个圆周的检测;通过数值模拟明确两个探头可以覆盖整个管圆周,从而实现更经济的检测。同时文献[9]还提出了一种针对多频涡流测试的剥离不变电感的特性,该特性仅针对铁磁钢,并在一定工作频率下发现测得的电感信号几乎不受传感器检测距离的影响。文献[10]提出了一种使用机器学习方法对来自涡流无损检测传感器的响应信号进行反演,通过机器学习方法检测和确定导电材料的不同缺陷,并获得其几何特征;利用3D有限元模拟构建了一个包含传感器裂纹零件系统阻抗(构成裂纹特征)的数据库,并通过实验进行了验证。结果表明,可以使用这些已开发的方法对缺陷进行量化。数值方法可以代替昂贵的实验研究或计算时间长的优化算法。
3 电磁超声-涡流复合检测技术
近些年,各种无损检测技术的使用已得到了很好验证并提供了解决问题的方法。当检测范围很简单时,使用单一测试方法是可以的;但有时单个测试方法无法提供有关该问题的足够信息,因此结合使用不同的检测方法是必不可少的。在工业领域,涡流检测(ECT)和超声波检测(UT)已经被证明能够很好地互补。ECT可以有效地确定物体表面浅部缺陷的大小,但由于集肤效应,较深区域的裂缝难以被检测。相比之下,UT超声检测体波则有探测深层裂缝而不是表面或浅层裂缝的能力。同时检测深度在一定范围内随激励频率的变化而变化,合理选择检测频率可以使涡流检测范围与电磁超声检测范围重合,使试件能够在更大的区域进行检测,以提高重合检测精度。不同的无损检测技术存在各自的优缺点,如果合理地将不同检测技术结合在一起,不同的技术之间进行互补,就可以大大提高检测工作的质量和检测结果的准确性。涡流与电磁超声的复合方式分为两种:机理层复合和系统层复合。复合检测技术的关键在于两种检测方式的探头是否合理结合。对于两种探头集成方式,涡流探头与电磁超声探头的放置方向应与扫描方向一致,这样涡流和电磁超声波将对同一区域进行缺陷检测[11]。同时,检测数据融合也是非常重要的组成部分。数据融合把多源数据信息通过合适方法结合起来以达到更好结果。复合式检测方法可以获得比单一检测方法更宽的范围和更高的检测精度。
4 复合检测技术在铁道车辆上的应用前景
铁道车辆重载、高速的发展方向对铁道车辆的运行安全提出了更为严苛的要求,因而运用多种无损探伤方法对车辆轮轴、车钩、摇枕、钩尾框等重要部件进行检测以保证其运行安全至关重要。列车重载和高速运行是影响钢轨、车辆部件使用寿命的关键因素。轮对是铁道车辆上最重要的部件之一,但在高载荷和高速的情况下,轮对会产生应力变化甚至缺陷,一旦出现缺陷,将直接危害铁路交通安全,甚至导致车辆脱轨和颠覆。因轮对缺陷而引起轨道交通事故的主要原因:一是冶金缺陷,即在内部孔隙冶炼和加工时,在车轮表面和内部产生砂眼、气孔和划痕等缺陷;二是疲劳缺陷。车辆在行驶过程中会产生强烈的动载荷冲击,可能会在车轴表面产生疲劳裂纹。静载荷和疲劳载荷都会导致较大扭转应力和弯曲应力,后者会产生横向表面开裂的裂纹,可能在车轴的特定部分(发生直径减小的部分)引起应力增强(即缺口效应),从而触发疲劳裂纹的产生和扩展。在运用超声波无损检测技术检测钢轨等铁路设备时,检出的主要是器件的体积缺陷,可以使用剪切和纵向波探头检查横截面大缺陷。图2为铁路探伤工利用钢轨超声波探伤仪检查辨别出钢轨顶面擦伤、接缝处裂纹、接头处螺孔裂纹等缺陷。如果工件表面或近表面的缺陷增加,其识别就比较困难。近年来,需要具有高检测和定型潜力的检测技术来改变这种表面缺陷识别困难的问题,而涡流检测技术被证明是最合适的检测手段之一。当检测钢轨表面距离在几毫米范围内时,涡流探头具有高分辨率。与超声波检测相反,涡流检测是一种表面检查技术,适用于钢轨头表面和近表面区域的检测,因此这是一种有用的附加方法,是对超声波轨道检测的补充[12]。由此可见,利用传统单一的无损检测技术,只能对部件的一种参数进行检测,无法实现对铁道车辆部件质量的全面检测。从实际生产过程来看,为了达到全面检测,应将多种无损检测技术结合在一起,实现对多种参数的检测。例如,可以采用超声探伤手段对车辆部件的气孔和砂眼进行检测,采用涡流探伤对裂纹进行检测,以此满足铁道车辆部件实际应用的需要。由于电磁超声-涡流复合检测技术有着更宽的检测范围以及更准的检测精度,用此技术在铁道车辆上进行复合无损检测将成为检测的重要手段之一。电磁超声检测技术和涡流检测技术复合可以很好地实现功能互补,极大地提高了探伤工作效率,在很大程度上避免错探、漏探现象。EMAT在激发超声波的过程中,也会在检测部件表面产生涡流,通过对部件表面涡流变化时反映在检测线圈上的电势进行测量,从而得到检测结果。复合检测探头中获取的检测信号包含了涡流检测信息和电磁超声检测信息,通过一定的方式同时将两个信号进行采集、处理,再通过数据分析技术对信号进行有效分析。检测铁道车辆上的部件及钢轨采用复合无损检测技术,并结合人工进行抽检,基本保证无漏检现象出现。复合无损检测技术用于设备检测中,一般检测速度为1.52m/s,最高可达到3m/s,既能满足检测速度上的实际需求,也可满足器件的性能要求与质量要求,可以实现检测的完全自动化[13]。为确保铁道车辆安全运行,复合无损检测是必不可少的工序。针对因铁路相关部件缺陷而导致交通运输中断、列车脱轨等严重事故频发的问题,铁路部门投入了大量人力、物力对运行的铁路设备进行检测,以达到缺陷早发现、早修复的目的,从而减少乃至杜绝铁路安全事故的发生,确保铁路交通运输安全。由此可见,合理地使用复合无损检测技术可以及时、高效、精准地发现运行的铁路设备的疲劳损伤情况,提前做好养护检修工作,以提高设备的利用率,从而避免铁路交通事故的发生。
5 总结
综上所述,本文分析了电磁超声、涡流及电磁超声-涡流复合式无损检测技术。从理论上讲,电磁、超声波、涡流等方法都能实现对铁道车辆部件及附属部件的检测,但在实际应用中,上述方法都存在明显的局限性。电磁超声-涡流复合检测技术弥补了以上各种单一检测方法的局限性,是检测铁道车辆部件及附属部件缺陷、提高其检修效率以及检修精度的重要技术手段之一,也是保证铁路交通运输安全的重要保障措施。同时,本文也论述了复合无损检测技术在铁道车辆的应用前景。在未来,电磁超声-涡流复合检测技术应在探头处理以及检测数据分析等方面得到进一步的改进。
作者：刘志运 周芸悦 袁泉 马冬 单位：广州铁路职业技术学院 机车车辆学院
