高温铝合金电磁超声检测回波特性及因素分析

石文泽，陈巍巍，卢超, 2,*，程进杰，陈尧

1. 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063 2. 赣南师范大学 江西省数值模拟与仿真技术重点实验室，赣州 341000 3. 中国科学院 声学研究所 声场声信息国家重点实验室，北京 100190

铝合金是一种广泛应用于航空领域的关键金属材料，主要用于飞机结构件和其他高强度抗腐蚀结构件[1]。盘型铝合金碾压成型温度或者铝合金铸件的锻造温度为360～500 ℃[2]。采用高温无损检测技术，直接对锻造过程中的高温铸锻件进行缺陷检测，有利于在制造初期发现、修复和抑制缺陷，及时剔除缺陷超标残次品，避免进入下一步工序，造成巨大的人力等资源浪费[3-4]。

在航空航天工业无损检测领域中，超声检测起着越来越重要的作用，目前已经被应用于大型薄铝板的缺陷检测[5]、钛合金大厚度扩散焊的可视化检测[6]、新型复合材料的快速检测[7]、金属加筋板的兰姆波健康监测[8]。与常规压电超声相比，非接触的电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)尤其适合高温、快速、在线、表面有隔离层等恶劣检测环境[9-11]。

实现高温铝合金铸锻件无损检测的关键在于耐高温EMAT探头的设计。Cole[12]开发了水循环冷却式表面波EMAT探头，可以用于1 000 ℃高温中碳钢检测。Lee和Ahn[13]在水循环冷却的基础上，在探头前端设置Si3N4隔热挡板，实现了800 ℃高温检测。Urayama等[14]不采用循环水冷却，直接在探头前端采用玻璃纤维板隔热板，实现了300 ℃沸水反应堆缺陷检测。Hernandez和Dixon[15]则采用脉冲电磁铁和陶瓷封装铜线圈制作容易断磁EMAT探头，可以实现250 ℃高温短时间检测。Kogia等[9-10]设计了一种周期序列永磁体的SH波EMAT探头，在无水冷和隔热板的条件下，可以实现对180 ℃高温太阳能吸收管的检测；采用水冷和隔热板，则可以实现600 ℃不锈钢和碳钢检测。Lunn等[16]采用高居里温度的永磁体、陶瓷片和不锈钢外壳，设计了一种450 ℃高温螺旋线圈EMAT探头。

国内学者主要侧重于高温金属材料EMAT实验研究，但是关于高温EMAT检测的理论建模与高温影响因素分析研究不足。徐鸿和王冰[17]研究了温度对管道超声导波相速度和群速度频散特性的影响。刘会彬等[18]通过实验分析了温度对304、316、TP347H三种奥氏体不锈钢的超声声速和EMAT回波幅值的影响。邱佳明[19]开发了一套用于600 ℃高温管道测厚的脉冲电磁铁式EMAT检测系统。Wu等[20]提出了一种改进的考虑高温超声衰减的铝合金中超声传播有限元模型和高温铝合金EMAT测试系统。Ren等[21]研究了温度对EMAT在低碳钢中的磁致伸缩效应的影响。魏东等[22]采用EMAT实现了对超声传播路径上温度非均匀分布状态的测量。

在分析EMAT检测回波特性时，需要考虑温度对EMAT激励电路的功率分配特性的影响。以EMAT激励电路为例，通常包括恒压或恒定视在功率的脉冲功率放大器、阻抗匹配网络和EMAT线圈等效阻抗。由于EMAT线圈导线以及线圈附近的铜背板和待测试样的电导率/磁导率等参数随着温度的变化而改变，导致EMAT线圈阻抗特性也会发生改变，通过EMAT的激励电流的幅值和波形均会产生相应的变化[23]。另外，由于温度对待测金属材料弹性模量、泊松比、密度、声子黏滞性和热弹性松弛等因素的影响，超声波在较厚的铝合金试样传播过程中的扩散衰减系数αs、介质衰减系数αm也将受到温度的影响[24-25]。由此可见，温度对EMAT检测回波的影响需要从EMAT线圈阻抗特性、EMAT激励/接收电路的功率分配特性、EMAT激励/接收效率、高温金属材料中超声传播特性等整体体系加以研究。

然而，现有文献通常依赖于已有高温测试实验数据，实现对高温金属材料的EMAT检测回波特性及影响因素的分析。由于各种金属材料EMAT检测相关的理论模型和实验数据尚不完备，特别是针对高温金属材料的EMAT换能机理的理论研究有待进一步深入，导致高温检测过程中的超声回波特性和影响因素及其变化规律不明确，致使对不同温度下的缺陷进行准确地定量/定位分析困难，极大地限制了EMAT在不同金属材料高温检测中的广泛应用。

为此，以铝合金为研究对象，综合考虑温度对EMAT线圈阻抗特性、EMAT激励/接收电路的功率分配特性、EMAT激励/接收效率、金属材料中超声传播特性的影响，建立了高温铝合金螺旋线圈EMAT检测过程的场路耦合有限元模型，结合仿真和实验，分析了高温铝合金的电磁超声回波特性和影响因素及其变化规律。

1 高温铝合金EMAT检测过程有限元建模

1.1 螺旋线圈EMAT换能机理和控制方程

基于洛伦兹力的螺旋线圈EMAT的换能机理示意图如图1所示。当螺旋线圈通以大功率射频电流ie时，将在铝合金表层形成瞬态电涡流Jiθ。电涡流在永磁体提供的偏置磁场Bs和线圈自激形成的动态磁场Bd的共同作用下，分别形成洛伦兹力fLs和fLd。铝合金表面质点在洛伦兹力的作用下，可以形成超声波，并沿厚度方向进行传播。螺旋线圈EMAT的接收过程为其激励过程的逆过程。螺旋线圈EMAT检测过程相关的控制方程和建模方法见文献[26-29]。

图1 螺旋线圈EMAT洛伦兹力换能机理Fig.1 Conversion mechanism of spiral coil EMAT based on Lorentz forces

1.2 EMAT激励/接收等效电路模型

(1)

由图2(b)可知，EMAT接收等效电路模型主要由前置放大器输入阻抗Rp、阻抗匹配电路和接收EMAT线圈等效阻抗组成。接收EMAT线圈可以简化成内阻为Zc=Rc+jXc、开路感生电压为Vin的电压源。LC阻抗匹配电路用于将接收EMAT线圈作为“天线”所获取的功率最大程度地转移至前置放大器的输入阻抗。若用G表示前置放大器的输入电压Uout与接收EMAT的开路感生电压Vin之比，并作为EMAT接收电路的输出增益[31]：

(2)

图2 EMAT激励/接收等效电路模型[30-31]Fig.2 Excitating and receiving equivalent circuit model of EMAT[30-31]

1.3 高温EMAT检测过程场路耦合建模方法

高温铝合金EMAT检测过程的场路耦合有限元模型组成框图如图3所示。由图3可知，EMAT检测过程的场路耦合有限元模型由EMAT激励/接收等效电路、EMAT激励/接收过程有限元模型、超声波在铝合金中传播有限元模型五部分组成。EMAT激励过程有限元模型用于求解当通以激励电流时，激励EMAT在金属试样表层产生的洛伦兹力的大小及其分布，而EMAT接收过程有限元模型则用于求解当超声波引起金属试样表层质点振动时，接收EMAT所能获取的开路感生电压。

EMAT线圈的等效阻抗Rc+jXc可以通过有限元模型计算或者阻抗分析仪测量。通过式(1)可以求出恒定脉冲功率源条件下的激励电流Ie，将Ie代入EMAT激励过程有限元模型，可以求出试样表层的洛伦兹力分布。通过EMAT接收过程有限元模型，可以求出接收EMAT线圈的开路感生电压Vin，将Rc+jXc和Vin代入式(2)， 即可以求出前置放大器的输入电压Uout。

图3 基于场路耦合分析的高温EMAT检测过程有限元模型组成框图Fig.3 Composition block diagram for finite element model of high-temperature EMAT testing process based on field-circuit coupling analysis

与常温EMAT检测过程有限元模型相比，高温EMAT检测还需要考虑以下问题：① 由于温度影响EMAT线圈、待测试样等线圈附近金属材料的电导率/磁导率，因此不同温度下的EMAT线圈阻抗不同，导致EMAT激励/接收电路的功率分配特性发生改变；② 温度改变了待测试样的电导率/磁导率，导致高温时EMAT的激励/接收换能效率不同；③ 待测金属材料的弹性模量、泊松比、密度和超声衰减系数随着温度的变化而变化，导致在洛伦兹力一定的条件下，超声波的回波幅值、衰减特性和飞行时间也会发生改变。由此可见，只有采用场路耦合分析方法，才能从理论分析和数值计算的角度，准确地分析高温铝合金电磁超声检测回波特性及影响因素。

1.4 高温铝合金EMAT检测过程有限元建模

图4为二维轴对称的螺旋线圈EMAT有限元模型。如图4所示，在空气域外增加无限元域，以消除有限空气域对磁场计算精度的影响。对铜背板的下表面、线圈域和待测试样上表面进行局部网格细化，以提高电涡流计算的准确性。铜背板用于避免激励线圈在永磁体中产生超声波，防止其对接收到的铝合金传播的超声波信号产生干扰。螺旋线圈EMAT设计参数及其取值如表1所示。

图4 螺旋线圈EMAT有限元模型Fig.4 Finite element model of spiral coil EMAT

表1 螺旋线圈EMAT设计参数及其取值Table 1 Design parameters of spiral coil EMAT

在本文所设计的高温铝合金厚板持续检测EMAT探头中，最高工作温度约为300 ℃的杉钴永磁体与高温铝合金试样的距离为5 mm，并采用水循环系统对永磁体进行冷却，因此可以忽略温度对永磁体电导率、磁导率和剩余磁感应强度的影响。永磁体的电导率为7.14×105S/m，相对磁导率为1.04，剩余磁感应强度为1.24 T。铝合金为顺磁性材料，银线和铜背板均为反磁性材料，三者相对磁导率均近似为1。由于温度对铝合金、银线和铜背板的磁导率影响较小，将忽略温度对上述三者磁导率的影响。所研制的高温EMAT探头采用陶瓷层银线绕制的螺旋线圈，可以在无水冷的条件下承受持续550 ℃高温，在实际检测中，与高温铝合金直接接触，因此需要考虑温度对铝合金、银线和铜背板的电导率的影响。

在高温检测过程中，温度T对螺旋线圈所用银线、铜背板和铝试样的电导率，以及铝合金试样的弹性模量均产生影响。不同温度对应的金属电导率和弹性模量如表2所示[33-34]。由于部分温度对应的参数在文献中尚未给出，可以通过相邻温度点间线性插值获取。

表2 不同温度下的材料特性参数[33-34]

由表2可知，银、铜和铝三种金属的电导率随着温度的升高而降低。温度对铝合金试样的弹性模量、泊松比和密度均产生影响，其中对弹性模量的影响最大。本文中铝合金密度和泊松比分别设置为2.83 kg/m3、0.33。

2 高温铝合金EMAT检测回波影响因素分析

2.1 温度对EMAT激励效率的影响

当激励电流幅值不变，考虑温度对铝合金、螺旋线圈银导线和铜背板的电导率的影响，得到20 ℃时螺旋线圈EMAT在铝合金中激励的横波传播瞬态云图、电涡流和偏置磁场如图5所示，其中超声激励/接收区域和加载区域与螺旋线圈半径相同。

取超声波的r向位移和z向位移关于激励/接收区域(如图5所示)的线积分值进行分析，得到20 ℃对应的超声波位移曲线如图6所示。由图6可知，纵波主要以轴向位移为主，而横波则以径向位移为主。

由于铝合金在不同温度时对应的电导率不同，其对应的集肤深度也不同，因此不能仅用铝合金试样表面的洛伦兹力来反映EMAT的激励效率。取图6中波包“a”和波包“b”的幅值分别代表横波和纵波的幅值，且不考虑温度对铝合金试样弹性模量的影响，不同温度对应的横波和纵波幅值如图7所示。由图7可知，温度对螺旋线圈EMAT产生横波和纵波的激励效率的影响不大。

图5 铝合金螺旋线圈EMAT有限元计算结果Fig.5 Finite element analysis of spiral coil EMAT with aluminum alloy

图6 T=20 ℃时对应的超声波Fig.6 Ultrasonic waves at 20 ℃

图7 不同温度下对应的超声波幅值Fig.7 Amplitudes of ulrasonic waves at different temperature

2.2 温度对EMAT接收效率的影响

在图5所示的激励/接收区域施加线力载荷，假定瞬态径向线力载荷Fr和轴向线力载荷Fz的幅值之比为4∶1，表达式分别为

Fr=

(3)

Fz=

(4)

式中：ω=2πf。

考虑温度对铝合金、螺旋线圈银导线和铜背板的电导率的影响，得到20 ℃对应的开路感生电压信号如图8所示。取图8中横波和纵波对应的电压幅值，得到不同温度下的横波和纵波对应的开路感生电压幅值如图9所示。由图9可知，温度对螺旋线圈EMAT的接收效率影响不大。

图8 T=20 ℃时对应的开路感生电压信号Fig.8 Open-circuit induced voltage signal at 20 ℃

图9 不同温度下超声波对应的开路感生电压幅值Fig.9 Amplitudes of open-circuit induced voltages of ulrasonic waves at different temperature

2.3 温度对EMAT激励/接收电路功率分配的影响

将螺旋线圈EMAT激励过程有限元模型中涉及脉冲电涡流计算部分由瞬态求解改为频域求解，即可计算EMAT线圈等效阻抗。考虑温度对铝合金试样、螺旋线圈银导线和铜背板的电导率的影响，不同温度下，EMAT线圈等效阻抗如表3所示。由表3可知，EMAT线圈等效阻抗的实部和虚部随着温度升高而增大。当温度由20 ℃升高为500 ℃，EMAT线圈阻抗的实部和虚部分别增加66.1%和26.1%，即温度对EMAT线圈阻抗实部的影响更显著。

表3 不同温度下的EMAT线圈等效阻抗

当EMAT激励等效电路中的脉冲功率源的输出阻抗为50 Ω，根据共轭匹配原理，LC阻抗匹配电路中的一组jXa和jXb分别对应为电容15.9 nF 和电感0.7 μH。若温度超过20 ℃时仍采用20 ℃时EMAT线圈阻抗对应的阻抗匹配参数，且当脉冲功率放大器的最大输出功率为5 kW，不同温度对应的激励电流Ie如图10所示。由图10可知，当温度由20 ℃升高为500 ℃，激励电流幅值下降30.6%，相位角由82.0°增加为92.8°。

若温度超过20 ℃时仍采用20 ℃时EMAT线圈阻抗对应的阻抗匹配参数，当EMAT接收电路中前置放大器的输入阻抗为50 Ω，不同温度对应的EMAT接收等效电路的输出增益G如图11所示。由图11可知，当温度由20 ℃增加为500 ℃，输出增益幅值下降28.3%，相位角由81.9° 增加为96.4°。

将不同温度对应的激励电流代入EMAT激励过程有限元模型中，得到不同温度对应的横波幅值如图12所示。在EMAT接收过程有限元计算得到开路感生电压基础上，计入不同温度对应的输出增益，得到不同温度对应的前置放大器的输入电压Uout如图12所示。

图10 不同温度时EMAT激励电路中的激励电流Fig.10 Excitation currents from EMAT excitation circuit at different temperature

图11 不同温度时的EMAT接收电路的输出增益Fig.11 Output gain from EMAT receiving circuit at various temperature

图12 温度对前置放大器输入电压和横波幅值的影响Fig.12 Effect of temperature on input voltage from pre-amplifier and amplitude of shear wave

由图12可知，前置放大器的输入电压和所激励横波位移幅值随着温度的增加而减小。这是因为温度导致EMAT线圈的阻抗增大，从而导致EMAT激励电路的激励电流和EMAT接收电路的输出增益同时减小，而温度对EMAT激励/接收效率影响不显著。当温度由20 ℃上升为500 ℃时，横波幅值下降32%，前置放大器的输入电压下降30%。

2.4 温度对声压分布和扩散衰减系数的影响

在图5所示的加载区域施加幅值为1的径向位移，并进行频域声场仿真，其中铝合金试样厚度为150 mm。考虑温度对铝合金弹性模量的影响，得到1 MHz时横波在铝合金中的声压分布如图13所示。由图13可知：随着温度的增加，横波

图13 不同温度时的铝合金中横波声压分布Fig.13 Sound pressure distribution of shear wave in aluminum alloy at various temperature

声束的发散角β逐渐减小，近声场长度N逐渐增加。温度越高，超声声束指向性越好，即波前变窄，但是远场区和近声场区声压却随着温度增加而减小。

在图5所示的加载区域分别施加幅值均为1的径向线力载荷Fr和轴向线力载荷Fz，其中铝合金试样厚度为150 mm，考虑温度对铝合金弹性模量的影响，得到不同温度下的超声回波如图14所示。由图14可知，横波和纵波的一、二次底波到达时间随着温度的增加而推迟，而且回波的波包宽度随着温度的增加而增加。

图14 不同温度下的超声回波信号Fig.14 Ultrasonic echo signals at different temperature

图15 温度对超声波幅值和扩散衰减系数的影响Fig.15 Effect of temperature on amplitude of ultrasonic waves and diffusion attenuation coefficient

2.5 温度对超声波介质衰减系数和声速的影响

造成超声波在高温铝合金厚板中底波幅值依次减小的原因主要为介质衰减、扩散衰减和反射衰减，其中反射衰减约为0.5～1 dB，可以忽略其影响。在薄板工件中，造成多次底波下降的主要为介质衰减。为了测定高温铝合金的介质衰减系数，制作了一种小型耐高温EMAT探头，探头尺寸如图16(a)所示。EMAT探头的偏置磁场由6对钐钴永磁体提供，跑道线圈由陶瓷层镍包铜导线绕制而成，可以在300 ℃高温环境中持续工作。当铝合金薄板温度为500 ℃时，对应的超声回波如图16(b)所示，其中激励频率为1 MHz，周期数为5。

图16 高温铝合金薄板介质衰减系数测试装置及实测超声信号Fig.16 Testing device for medium attenuation coefficient of aluminum alloy sheet with high temperature and measured ultrasonic signals

图17 高温铝合薄板的介质衰减系数和超声声速Fig.17 Medium attenuation coefficient and ultrasonic velocity of thin aluminum alloy plate at various temperature

3 高温铝合金厚板EMAT实验结果分析

3.1 耐高温EMAT探头及实验系统

高温铝合金厚板电磁超声检测系统如图18所示。图18(a)为检测系统框图，主要由铝合金厚板、阻抗匹配器、Retic RPR-4000脉冲发射接收仪、数据采集卡NET8544、LabVIEW软件界面和耐高温EMAT探头等组成。图18(b)为耐高温EMAT探头和7050铝合金厚板实物图，铝合金厚板所采用的材料与图16中的铝合金薄板相同，铝合金厚板的尺寸为长220 mm×宽210 mm×高150 mm。该高温EMAT探头优点如下：采用自制的陶瓷层银线绕制螺旋线圈，可以在无水冷的条件下承受持续550 ℃高温，可以与高温金属材料直接接触，具有低提离耐高温能力，能有效提

图18 高温铝合金厚板电磁超声检测实验系统Fig.18 Experimental system of EMAT tested on thick aluminum alloy plate at high temperature

高信噪比；采用水循环系统对永磁体进行冷却，可以实现500 ℃高温环境中持续检测(>6 h)，适用于高温铝合金持续探伤。

3.2 高温铝合金厚板EMAT检测回波

铝合金厚板在不同温度时对应的超声回波和横波一次底波幅值如图19所示，其中正弦脉冲串的持续时间为10 μs，激励频率为1 MHz。由图19(a)可知：当温度由20 ℃升至500 ℃，横波一次底波的到达时间由104.1 μs增加为114.4 μs，横波一次底波幅值由152 mV下降为101 mV。当铝合金厚板温度为500 ℃时，一次底波对应的信噪比约为40 dB。由图19(b)可知，横波一次底波幅值随着温度升高表现为逐步减小的趋势。

图19 高温铝合金厚板的实验超声回波信号Fig.19 Experimantal ultrasonic echo signal from thick aluminum alloy plate at high temperature

图20 不同温度时铝合金厚板超声回波的影响因素Fig.20 Factors affecting amplitude of ultrasonic echo in thick aluminum alloy plate at various temperature

3.3 高温EMAT检测回波影响因素贡献分析

不同温度下的EMAT激励电路的激励电流、接收电路的输出增益、激励/接收效率、图19中实测横波一次底波幅值B1、扩散衰减引起的两次底波幅值dB差βs、介质衰减引起的两次底波幅值dB差βm和等洛伦兹力所激发的超声波幅值如图20所示。其中，扩散衰减dB差βs和介质衰减dB差βm分别为

βs=2(αs20 ℃-αsTi)x

(5)

βm=2(αm20 ℃-αmTi)x

(6)

式中：αs20 ℃、αm20 ℃为20 ℃时的扩散衰减系数和介质衰减系数；αsTi、αmTi为温度为Ti时的扩散衰减系数和介质衰减系数。

与20 ℃相比，500 ℃时的横波一次底波幅值约下降3.6 dB，各个影响因素对高温铝合金EMAT检测回波幅值的贡献如表4所示。造成横波一次底波减小的原因有：①EMAT线圈阻抗随着温度增加而增大，导致激励电路的激励电流减小；②高温时，由于EMAT线圈阻抗增大，导致接收电路的输出增益减小；③高温时铝合金超声介质衰减系数增大；④高温时铝合金中超声扩散衰减系数增大。造成一次底波增加的原因为：随着温度的增加，铝合金弹性模量减小，致使等洛伦兹力条件下所激励的横波幅值增大。

表4 500 ℃高温铝合金厚板超声回波幅值影响因素贡献

按照造成高温铝合金EMAT检测回波下降的贡献大小排序为：高温介质衰减>激励电流>输出增益>高温扩散衰减>EMAT激励/接收换能效率。由于高温介质衰减系数对超声回波的影响大于由于高温时弹性模量减小而促使超声波幅值增加这一影响因素，因此超声回波直接表现为下降趋势。

4 结 论

1) 对于以洛伦兹力为主要换能机理的EMAT，温度对EMAT的激励/接收效率影响不大，造成高温时超声回波幅值下降的主要原因是超声波介质衰减特性随着温度的升高而加剧，其次为高温时EMAT激励/接收电路的功率分配特性的改变。

2) 螺旋线圈EMAT在高温铝合金中的辐射声场的半扩散角随着温度的增加而减小，有抑制声束扩散的作用，但是在恒定位移源激励时的辐射声场的声压随着温度的增加而减小，而且温度对辐射声压的影响起主要作用，因此铝合金中横波扩散衰减系数随着温度增加而增大。另外，在洛伦兹力密度一定的条件下，由于高温时铝合金的弹性模量减小，其所激励的超声波幅值随着温度的增加而增加。

3) 由于组成EMAT探头中待测试样、线圈导线和铜背板的电导率随着温度的升高而减小，导致EMAT线圈等效阻抗随着温度的升高而变大，致使EMAT激励和接收等效电路的功率分配特性发生改变。若采用铜导线作为EMAT线圈，在高温检测时，铜导线表面会急剧氧化、绝缘层高压击穿，会导致线圈等效阻抗急剧增加，致使激励电流和输出增益急剧减小，从而使高温电磁超声回信的信噪比降低。因此对于耐高温EMAT的线圈，应该选择电导率不随温度急剧变化的金属导线或者抗氧化性能比较强的金属导线以及高温绝缘效果较好的电磁线。

4) 采用耐高温陶瓷层银线作为EMAT线圈，可以在500 ℃高温环境中持续工作，并能够减小探头的提离距离。另外，采用水循环冷却永磁体，能够在高温条件下保持较强的磁感应强度。上述两个方案能够提高信噪比，有利于提高缺陷检测灵敏度。后期有必要验证EMAT探头在高温铝合金中的缺陷检测能力，并建立温度对检测回波延迟时间和幅值的修正曲线，实现不同温度下铝合金缺陷定量/定位补偿。