姜 穎，郭新峰，項(xiàng)延訓(xùn)

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

超聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、機(jī)械裝備等工業(yè)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)狀態(tài)的無損檢測與表征。一般基于壓電超聲換能器的超聲檢測需要用耦合劑來實(shí)現(xiàn)超聲在不同介質(zhì)中的連續(xù)傳播，這也會(huì)限制其在粗糙或高溫試件表面進(jìn)行有效測量?；诜墙佑|式的電磁超聲檢測技術(shù)較好地彌補(bǔ)了上述缺陷。然而，電磁超聲的換能機(jī)理復(fù)雜，換能效率低，其靈敏度通常比常用的壓電陶瓷激勵(lì)的超聲信號低40 dB左右[1]。研究表明，通過優(yōu)化電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)換能器的結(jié)構(gòu)或尺寸可以有效提高其換能效率和信號幅度[2-7]。

粘接作為機(jī)械構(gòu)件連接的一種方式，其粘接結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度與比模量高、應(yīng)力分布均勻、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。粘接界面在很大程度上決定著粘接復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能或強(qiáng)度。因此，開展粘接界面的檢測對于獲取粘接強(qiáng)度信息，保障粘接結(jié)構(gòu)服役安全具有至關(guān)重要的工程意義?？紤]到SH導(dǎo)波對界面特性變化的敏感性，結(jié)合電磁超聲的測量便捷性，本文采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的電磁超聲換能器激勵(lì)SH0導(dǎo)波，對粘接結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行表征，為粘接結(jié)構(gòu)件的長期在線監(jiān)測提供了一種解決手段。

1 SH波EMAT換能機(jī)理

EMAT中的作用力與被檢試件導(dǎo)磁性能相關(guān)。在非鐵磁性材料中，電磁超聲的換能機(jī)理以洛倫茲力為主；在鐵磁性材料中，電磁超聲由磁致伸縮力、洛倫茲力與磁化力共同作用產(chǎn)生。而洛倫茲力和磁致伸縮力往往比磁化力大幾個(gè)數(shù)量級，因此實(shí)際換能過程中一般忽略磁化力的貢獻(xiàn)。

周期性永磁鐵陣列電磁超聲換能器(Periodic Permanent Magnet Electromagnetic Acoustic Transducer, PPM-EMAT)由周期性永磁鐵陣列、跑道線圈和被檢試件三部分組成。實(shí)驗(yàn)所用鋁板中，SH波的產(chǎn)生主要由洛倫茲力提供作用力。如圖1所示，PPM-EMAT的跑道線圈內(nèi)通有頻率為f的高頻脈沖電流，并在試件表面感應(yīng)產(chǎn)生與線圈內(nèi)電流方向相反的渦流場。在感應(yīng)電流與永磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場共同作用下，試件內(nèi)質(zhì)點(diǎn)主要受到與鋁板表面平行的y軸方向上的洛倫茲力，進(jìn)而產(chǎn)生頻率為f的周期性振動(dòng)并向換能器兩側(cè)傳播，此時(shí)鋁板內(nèi)產(chǎn)生的波即為做剪切運(yùn)動(dòng)的SH導(dǎo)波。圖1中，λ為SH波的波長、a為單個(gè)磁鐵的寬度、d為線圈中相鄰兩導(dǎo)線的間距、J0為感應(yīng)電流密度、FL為板內(nèi)質(zhì)子收到的洛倫茲力、B0為靜態(tài)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 PPM-EMAT結(jié)構(gòu)俯視圖及其換能原理示意圖Fig.1 Top view of PPM-EMAT structure and the schematic diagram of its energy conversion principle

2 SH波電磁超聲換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)

EMAT由永磁鐵、線圈和被檢試件三個(gè)部分組成，因此其換能效率的影響因素是多方面的。鋁板中質(zhì)點(diǎn)所受洛倫茲力大小與感應(yīng)電流密度、靜態(tài)磁場強(qiáng)度和通電線圈感應(yīng)產(chǎn)生的交變磁場強(qiáng)度直接相關(guān)。

為激勵(lì)純凈的SH0導(dǎo)波模式，實(shí)驗(yàn)需要選用低頻信號進(jìn)行激發(fā)。而激勵(lì)頻率與激勵(lì)波形決定導(dǎo)波波長，這限制了換能器中永磁鐵的厚度a(如圖1所示)，進(jìn)而在一定程度上限制靜態(tài)磁場的大小。因而在此重點(diǎn)探究跑道線圈及磁致伸縮貼片參數(shù)對換能效率的影響，并在相同的靜態(tài)磁場條件下選定一組性能較優(yōu)的線圈參數(shù)組，完成SH0電磁超聲換能器制作，并用于對粘接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度檢測。用圖2中的超聲信號激發(fā)系統(tǒng)記錄SH導(dǎo)波EMAT接收信號。

圖2 電磁超聲換能器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system for EMAT

為獲得較好的信號，首先需對激勵(lì)信號的周期數(shù)進(jìn)行選擇。不同激勵(lì)信號周期時(shí)EMAT的接收信號如圖3所示，隨著脈沖周期數(shù)的增加，EMAT接收信號幅值逐漸增加。對比信號周期為1、5、10時(shí)得到的接收信號可知，當(dāng)激勵(lì)信號周期數(shù)為1時(shí)，接收信號幅值較小，波包不明顯；周期為10時(shí)，相鄰波包發(fā)生重疊，無法有效提取信號特征；周期為5時(shí)，接收信號的幅值較大且波包分離明顯。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選用5個(gè)周期的正弦脈沖信號進(jìn)行激發(fā)。

圖3 不同激勵(lì)信號周期時(shí)EMAT的接收信號Fig.3 EMAT received signals at different numbers of excitation signal cycles

2.1 線圈參數(shù)的優(yōu)化

選定激勵(lì)信號周期數(shù)后，對接收信號強(qiáng)度隨線圈導(dǎo)線寬度和導(dǎo)線間距的變化規(guī)律進(jìn)行分析。在保持電磁超聲檢測儀器各項(xiàng)參數(shù)不變的情況下，將激勵(lì)頻率設(shè)置為0.2 MHz。同時(shí)，為避免邊界反射帶來的影響，實(shí)驗(yàn)中提取第一個(gè)回波信號的峰峰值進(jìn)行比較，得到電磁超聲換能器的回波信號隨導(dǎo)線間距、導(dǎo)線寬度的變化曲線如圖4所示。

圖4 回波信號隨線圈導(dǎo)線寬度和間距的變化曲線Fig.4 Variation curves of the echo signal with wire width and spacing of the coil

由圖4可知，電磁超聲回波信號幅度隨著線圈間距的增大而減小，且呈指數(shù)衰減趨勢。這是由于在SH導(dǎo)波電磁超聲換能器較多采用的跑道線圈中，相鄰導(dǎo)線電流方向一致。因此，隨著線圈匝數(shù)的增加，導(dǎo)線間距減小，相鄰兩導(dǎo)線產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)磁場疊加效果增強(qiáng)，引起線圈內(nèi)感應(yīng)電流增大，鋁板內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振幅增加，所接收到的直達(dá)波信號幅值增大。

由圖4(b)可知，接收信號隨線寬的增加整體呈上升趨勢。這是由于EMAT使用電壓激勵(lì)時(shí)，當(dāng)激勵(lì)參數(shù)相同時(shí)，線寬越寬，導(dǎo)線的橫截面積越大，線圈在鋁板內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度越大，所產(chǎn)生的洛倫茲力越大，接收到的信號幅度相應(yīng)增大?？紤]PCB線圈制作時(shí)對導(dǎo)線間距和導(dǎo)線寬度的限制，實(shí)驗(yàn)制作導(dǎo)線寬度和導(dǎo)線間距一致的繞制線圈，以獲得更好的檢測信號及實(shí)驗(yàn)效果。

2.2 磁致伸縮貼片參數(shù)的優(yōu)化

在鐵磁性材料中，試件內(nèi)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)受到洛倫茲力與磁致伸縮力的作用。鐵磁性材料具有一定磁致伸縮特性，但不同材料磁致伸縮系數(shù)不同，部分工程材料磁致伸縮系數(shù)較低，飽和磁致伸縮應(yīng)變較小，對信號的增強(qiáng)效果較差，無法有效應(yīng)用于實(shí)際檢測。鎳基合金作為工業(yè)上較常見的磁致伸縮材料，具有較大的磁致伸縮系數(shù)[8]。單層鎳板和單層鋁板中的接收信號如圖5所示。電磁超聲在單層鎳板中得到的接收信號相較于鋁板可提高約12.5 dB。下文的實(shí)驗(yàn)考慮采用鎳金屬薄貼片對電磁超聲換能器接收信號進(jìn)行增強(qiáng)。

圖5 單層鎳板和單層鋁板中得到的接收信號Fig.5 Receiving signals obtained in single-layer nickel sheet and single-layer aluminum sheet

實(shí)驗(yàn)制作厚度為0.1、0.3、0.5、0.8、1 mm的鎳金屬貼片，實(shí)測厚度分別為0.15、0.4、0.6、0.8、1.2 mm。為降低粘接難度，減小粘接層對超聲信號的影響，貼片尺寸與換能器大小一致。使用環(huán)氧樹脂膠將貼片固定在鋁板一側(cè)，控制環(huán)氧樹脂膠的使用量，固化溫度和施加力的大小保持不變，固化24 h后得到的試件如圖6所示。對帶有鎳金屬貼片的鋁板進(jìn)行測量，得到電磁超聲接收信號隨貼片厚度的變化曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖6 磁致伸縮貼片粘接試件Fig.6 The specimen with magnetostrictive patch

圖7 EMAT接收信號隨貼片厚度的變化曲線Fig.7 Variation curve of EMAT received signal with patch thickness

激勵(lì)參數(shù)與前文保持一致，由圖7可以看出，在本實(shí)驗(yàn)所選的五種不同厚度鎳金屬貼片制成的試件中，接收信號隨貼片厚度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，貼片厚度為0.4 mm時(shí)激勵(lì)信號幅度達(dá)到最大。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的相關(guān)研究，對該電磁超聲換能器接收信號隨貼片厚度變化給出一種可能的影響因素分析：強(qiáng)鐵磁性材料中，換能器的工作性能可根據(jù)材料的磁致伸縮曲線[9]進(jìn)行判斷。在鎳金屬板內(nèi)偏置磁場沿板厚度方向的磁場方向和大小基本一致，且隨著鎳片厚度的增加，貼片內(nèi)最大靜態(tài)磁場逐漸減小。當(dāng)鎳片極薄時(shí)，貼片內(nèi)的磁場強(qiáng)度較大，此時(shí)由磁致伸縮力引起的振動(dòng)小。隨著貼片厚度的增加，此時(shí)貼片內(nèi)的磁場強(qiáng)度相對減小并處于磁致伸縮曲線的線性區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，鎳的磁致伸縮系數(shù)最大，在板內(nèi)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)大，信號幅值強(qiáng)；隨著偏置磁場的進(jìn)一步減小，換能器的工作點(diǎn)逐漸由磁致伸縮曲線的線性區(qū)減小到緩慢增長區(qū)，此時(shí)伴隨著磁致伸縮力減小，產(chǎn)生的超聲幅值減小。

3 基于SH波電磁超聲換能器的粘接強(qiáng)度測量實(shí)驗(yàn)研究

考慮到SH0導(dǎo)波的非頻散性以及對粘接界面的敏感性[10]，采用EMAT激勵(lì)SH0超聲導(dǎo)波對粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)采用頻率為0.2 MHz、周期數(shù)為5的正弦脈沖信號作為激勵(lì)信號進(jìn)行信號激發(fā)。為確保接收信號完全穿透粘接層，有效提取可表征粘接強(qiáng)度的信號，將換能器按照圖8放置。

圖8 換能器放置示意圖Fig.8 Schematic diagram of transducer placement

3.1 粘接結(jié)構(gòu)制作和強(qiáng)度測量

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)所制作的鋁板粘接試件尺寸為300 mm×50 mm的矩形，厚度d為2 mm。使用環(huán)氧樹脂膠對鋁板進(jìn)行粘接，粘接層的厚度約為0.2 mm，粘接完成后試件的總厚度約為4.2 mm。膠的具體參數(shù)指標(biāo)詳如表1所示。記錄電磁超聲在固化溫度為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃五組試樣中的接收信號。以固化溫度45℃下?lián)Q能器的接收信號為例，如圖10所示，第一個(gè)波包為信號直達(dá)波，第二個(gè)波包為換能器接收到的邊界反射波。由于SH波EMAT為雙向激發(fā)換能器，當(dāng)激發(fā)與接收換能器在試件上對稱放置時(shí)，接收端換能器會(huì)同時(shí)收到超聲導(dǎo)波在兩側(cè)邊界反射產(chǎn)生的回波信號。為減少邊界反射的影響，選擇直達(dá)波信號進(jìn)行分析，得到波包幅值隨固化溫度的變化情況。

表1 環(huán)氧樹脂膠的詳細(xì)參數(shù)Table 1 Detailed parameters of the epoxy resin adhesive

圖9 EMAT粘接實(shí)驗(yàn)試件Fig.9 Specimens for EMAT bonding tests

圖10 固化溫度45℃時(shí)的超聲接收信號Fig.10 Ultrasonic signals received at the curing temperature of 45℃

此外，實(shí)驗(yàn)將該組試樣分別截取一部分進(jìn)行粘接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的測量。檢測依據(jù)復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能實(shí)驗(yàn)方法[11]，通過實(shí)驗(yàn)室微機(jī)控制電子式萬能機(jī)進(jìn)行，拉伸強(qiáng)度測量過程如圖11所示。得到粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的實(shí)測值后分別將兩組數(shù)據(jù)做歸一化處理并進(jìn)行比較，得到圖12。

圖11 粘接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度測量Fig.11 Tensile strength measurement of bonded structures

圖12 接收的超聲信號幅度和拉伸強(qiáng)度隨固化溫度的變化曲線Fig.12 Variation curves of the received ultrasonic signal amplitude and tensile strength with curing temperature

分析圖12可知，隨粘接固化溫度增加，換能器的接收信號變化趨勢與粘接結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度變化基本一致，呈先上升后下降趨勢。該結(jié)果說明由電磁超聲激發(fā)的SH0導(dǎo)波對粘接固化溫度引起的弱粘接現(xiàn)象具有較強(qiáng)的敏感性，在粘接結(jié)構(gòu)的超聲測量中，換能器所接收到的信號幅度越大，粘接強(qiáng)度相對越大。

3.2 測量結(jié)果分析

SH0導(dǎo)波的振動(dòng)方向與試件表面平行，在粘接界面處做剪切運(yùn)動(dòng)，并對材料剪切模量敏感[12]。剪切模量作為粘接層的重要表征參數(shù)，與拉伸強(qiáng)度具有一致的變化趨勢。對于環(huán)氧樹脂膠水，固化溫度是影響其粘接強(qiáng)度的重要因素之一。固化溫度的提升一般會(huì)在一定程度上提升粘接強(qiáng)度，溫度太低將導(dǎo)致粘接劑固化不足或不固化，粘接強(qiáng)度相對較弱。但是過高的固化溫度則會(huì)影響粘接劑中相應(yīng)成分的性能，甚至?xí)?dǎo)致粘接層變脆，出現(xiàn)過固化現(xiàn)象，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度大大降低。因此，當(dāng)遠(yuǎn)離固化溫度最佳值時(shí)，粘接結(jié)構(gòu)的粘接強(qiáng)度減小，電磁超聲換能器接收到的信號幅值減小。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用電磁超聲激勵(lì)的SH0導(dǎo)波對多層鋁板粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測具有較好的可行性。

4 結(jié) 論

本文研究了SH波EMAT電磁超聲換能器中跑道線圈幾何參數(shù)、磁致伸縮貼片對EMAT換能效率的影響。并采用優(yōu)化后的換能器對粘接強(qiáng)度進(jìn)行測量，得到結(jié)論如下：

(1) 在跑道線圈和周期陣列永磁鐵構(gòu)成的SH波EMAT中，適當(dāng)增加激勵(lì)信號周期數(shù)、減小線圈間距能有效增強(qiáng)超聲接收信號幅度。

(2) 將鎳金屬作為磁致伸縮貼片材料可以較大地增強(qiáng)超聲信號，提高信噪比。在本文實(shí)驗(yàn)條件下得到對信號增強(qiáng)效果最佳的鎳金屬貼片的厚度約為0.4 mm，表明適當(dāng)厚度的磁致伸縮貼片對EMAT的換能效率有明顯的增強(qiáng)作用。

(3) SH波EMAT激勵(lì)產(chǎn)生的SH0導(dǎo)波可實(shí)現(xiàn)對粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的測量，波包幅度的變化可有效反映粘接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化，為粘接結(jié)構(gòu)老化狀態(tài)的在線監(jiān)測提供了一種可行方法。