SH電磁超聲換能器優化設計及粘接強度測量

姜 穎，郭新峰，項延訓

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引 言

超聲檢測技術廣泛應用于航空航天、石油化工、機械裝備等工業領域結構狀態的無損檢測與表征。一般基于壓電超聲換能器的超聲檢測需要用耦合劑來實現超聲在不同介質中的連續傳播，這也會限制其在粗糙或高溫試件表面進行有效測量。基于非接觸式的電磁超聲檢測技術較好地彌補了上述缺陷。然而，電磁超聲的換能機理復雜，換能效率低，其靈敏度通常比常用的壓電陶瓷激勵的超聲信號低40 dB左右[1]。研究表明，通過優化電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)換能器的結構或尺寸可以有效提高其換能效率和信號幅度[2-7]。

粘接作為機械構件連接的一種方式，其粘接結構具有比強度與比模量高、應力分布均勻、工藝簡單等優點。粘接界面在很大程度上決定著粘接復合結構的力學性能或強度。因此，開展粘接界面的檢測對于獲取粘接強度信息，保障粘接結構服役安全具有至關重要的工程意義。考慮到SH導波對界面特性變化的敏感性，結合電磁超聲的測量便捷性，本文采用優化設計的電磁超聲換能器激勵SH0導波，對粘接結構件的強度進行表征，為粘接結構件的長期在線監測提供了一種解決手段。

1 SH波EMAT換能機理

EMAT中的作用力與被檢試件導磁性能相關。在非鐵磁性材料中，電磁超聲的換能機理以洛倫茲力為主；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生。而洛倫茲力和磁致伸縮力往往比磁化力大幾個數量級，因此實際換能過程中一般忽略磁化力的貢獻。

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。實驗所用鋁板中，SH波的產生主要由洛倫茲力提供作用力。如圖1所示，PPM-EMAT的跑道線圈內通有頻率為f的高頻脈沖電流，并在試件表面感應產生與線圈內電流方向相反的渦流場。在感應電流與永磁鐵產生的靜態偏置磁場共同作用下，試件內質點主要受到與鋁板表面平行的y軸方向上的洛倫茲力，進而產生頻率為f的周期性振動并向換能器兩側傳播，此時鋁板內產生的波即為做剪切運動的SH導波。圖1中，λ為SH波的波長、a為單個磁鐵的寬度、d為線圈中相鄰兩導線的間距、J0為感應電流密度、FL為板內質子收到的洛倫茲力、B0為靜態磁場的磁感應強度。

圖1 PPM-EMAT結構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化設計

EMAT由永磁鐵、線圈和被檢試件三個部分組成，因此其換能效率的影響因素是多方面的。鋁板中質點所受洛倫茲力大小與感應電流密度、靜態磁場強度和通電線圈感應產生的交變磁場強度直接相關。

為激勵純凈的SH0導波模式，實驗需要選用低頻信號進行激發。而激勵頻率與激勵波形決定導波波長，這限制了換能器中永磁鐵的厚度a(如圖1所示)，進而在一定程度上限制靜態磁場的大小。因而在此重點探究跑道線圈及磁致伸縮貼片參數對換能效率的影響，并在相同的靜態磁場條件下選定一組性能較優的線圈參數組，完成SH0電磁超聲換能器制作，并用于對粘接結構的強度檢測。用圖2中的超聲信號激發系統記錄SH導波EMAT接收信號。

圖2 電磁超聲換能器實驗系統Fig.2 Experimental system for EMAT

為獲得較好的信號，首先需對激勵信號的周期數進行選擇。不同激勵信號周期時EMAT的接收信號如圖3所示，隨著脈沖周期數的增加，EMAT接收信號幅值逐漸增加。對比信號周期為1、5、10時得到的接收信號可知，當激勵信號周期數為1時，接收信號幅值較小，波包不明顯；周期為10時，相鄰波包發生重疊，無法有效提取信號特征；周期為5時，接收信號的幅值較大且波包分離明顯。因此，在后續的實驗中選用5個周期的正弦脈沖信號進行激發。

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

2.1 線圈參數的優化

選定激勵信號周期數后，對接收信號強度隨線圈導線寬度和導線間距的變化規律進行分析。在保持電磁超聲檢測儀器各項參數不變的情況下，將激勵頻率設置為0.2 MHz。同時，為避免邊界反射帶來的影響，實驗中提取第一個回波信號的峰峰值進行比較，得到電磁超聲換能器的回波信號隨導線間距、導線寬度的變化曲線如圖4所示。

圖4 回波信號隨線圈導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，且呈指數衰減趨勢。這是由于在SH導波電磁超聲換能器較多采用的跑道線圈中，相鄰導線電流方向一致。因此，隨著線圈匝數的增加，導線間距減小，相鄰兩導線產生的動態磁場疊加效果增強，引起線圈內感應電流增大，鋁板內質點的振幅增加，所接收到的直達波信號幅值增大。

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使用電壓激勵時，當激勵參數相同時，線寬越寬，導線的橫截面積越大，線圈在鋁板內產生的感應電流密度越大，所產生的洛倫茲力越大，接收到的信號幅度相應增大。考慮PCB線圈制作時對導線間距和導線寬度的限制，實驗制作導線寬度和導線間距一致的繞制線圈，以獲得更好的檢測信號及實驗效果。

2.2 磁致伸縮貼片參數的優化

在鐵磁性材料中，試件內質點同時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不同，部分工程材料磁致伸縮系數較低，飽和磁致伸縮應變較小，對信號的增強效果較差，無法有效應用于實際檢測。鎳基合金作為工業上較常見的磁致伸縮材料，具有較大的磁致伸縮系數[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。下文的實驗考慮采用鎳金屬薄貼片對電磁超聲換能器接收信號進行增強。

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

實驗制作厚度為0.1、0.3、0.5、0.8、1 mm的鎳金屬貼片，實測厚度分別為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。使用環氧樹脂膠將貼片固定在鋁板一側，控制環氧樹脂膠的使用量，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行測量，得到電磁超聲接收信號隨貼片厚度的變化曲線，結果如圖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

激勵參數與前文保持一致，由圖7可以看出，在本實驗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先增大后減小的趨勢，貼片厚度為0.4 mm時激勵信號幅度達到最大。根據文獻[8]的相關研究，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：強鐵磁性材料中，換能器的工作性能可根據材料的磁致伸縮曲線[9]進行判斷。在鎳金屬板內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，貼片內最大靜態磁場逐漸減小。當鎳片極薄時，貼片內的磁場強度較大，此時由磁致伸縮力引起的振動小。隨著貼片厚度的增加，此時貼片內的磁場強度相對減小并處于磁致伸縮曲線的線性區，在該區域內，鎳的磁致伸縮系數最大，在板內產生的機械振動大，信號幅值強；隨著偏置磁場的進一步減小，換能器的工作點逐漸由磁致伸縮曲線的線性區減小到緩慢增長區，此時伴隨著磁致伸縮力減小，產生的超聲幅值減小。

3 基于SH波電磁超聲換能器的粘接強度測量實驗研究

考慮到SH0導波的非頻散性以及對粘接界面的敏感性[10]，采用EMAT激勵SH0超聲導波對粘接結構強度進行檢測。實驗采用頻率為0.2 MHz、周期數為5的正弦脈沖信號作為激勵信號進行信號激發。為確保接收信號完全穿透粘接層，有效提取可表征粘接強度的信號，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 粘接結構制作和強度測量

如圖9所示，實驗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。使用環氧樹脂膠對鋁板進行粘接，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。膠的具體參數指標詳如表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℃下換能器的接收信號為例，如圖10所示，第一個波包為信號直達波，第二個波包為換能器接收到的邊界反射波。由于SH波EMAT為雙向激發換能器，當激發與接收換能器在試件上對稱放置時，接收端換能器會同時收到超聲導波在兩側邊界反射產生的回波信號。為減少邊界反射的影響，選擇直達波信號進行分析，得到波包幅值隨固化溫度的變化情況。

表1 環氧樹脂膠的詳細參數Table 1 Detailed parameters of the epoxy resin adhesive

圖9 EMAT粘接實驗試件Fig.9 Specimens for EMAT bonding tests

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

此外，實驗將該組試樣分別截取一部分進行粘接結構拉伸強度的測量。檢測依據復合鋼板力學及工藝性能實驗方法[11]，通過實驗室微機控制電子式萬能機進行，拉伸強度測量過程如圖11所示。得到粘接結構強度的實測值后分別將兩組數據做歸一化處理并進行比較，得到圖12。

圖11 粘接結構拉伸強度測量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構的拉伸強度變化基本一致，呈先上升后下降趨勢。該結果說明由電磁超聲激發的SH0導波對粘接固化溫度引起的弱粘接現象具有較強的敏感性，在粘接結構的超聲測量中，換能器所接收到的信號幅度越大，粘接強度相對越大。

3.2 測量結果分析

SH0導波的振動方向與試件表面平行，在粘接界面處做剪切運動，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，與拉伸強度具有一致的變化趨勢。對于環氧樹脂膠水，固化溫度是影響其粘接強度的重要因素之一。固化溫度的提升一般會在一定程度上提升粘接強度，溫度太低將導致粘接劑固化不足或不固化，粘接強度相對較弱。但是過高的固化溫度則會影響粘接劑中相應成分的性能，甚至會導致粘接層變脆，出現過固化現象，導致粘接強度大大降低。因此，當遠離固化溫度最佳值時，粘接結構的粘接強度減小，電磁超聲換能器接收到的信號幅值減小。以上實驗結果表明，采用電磁超聲激勵的SH0導波對多層鋁板粘接結構強度檢測具有較好的可行性。

4 結 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、磁致伸縮貼片對EMAT換能效率的影響。并采用優化后的換能器對粘接強度進行測量，得到結論如下：

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

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

(3) SH波EMAT激勵產生的SH0導波可實現對粘接結構強度的測量，波包幅度的變化可有效反映粘接結構的強度變化，為粘接結構老化狀態的在線監測提供了一種可行方法。