表面粗糙度对电磁超声测厚的影响

张　黎,王　哲，崔西明，康宜华

(1.衡阳华菱钢管有限公司, 衡阳 421001;2.华中科技大学 机械科学与工程学院， 武汉 430074)



表面粗糙度对电磁超声测厚的影响

张黎1,王哲2，崔西明2，康宜华2

(1.衡阳华菱钢管有限公司, 衡阳 421001;2.华中科技大学 机械科学与工程学院， 武汉 430074)

摘要：电磁超声测厚中，被检工件表面粗糙度对检测的稳定性和精度有较大影响。为了探究表面粗糙度对电磁超声测厚的影响，在不同表面粗糙度试件上进行电磁超声测厚试验，给出了试件耦合面和背面不同表面粗糙度下回波信号的幅值和信噪比。结果表明，超声回波幅值及信噪比随着表面粗糙度的增大而减小。从表面粗糙度对超声散射的角度分析了试件背面不同粗糙度对回波幅值的影响；最后,以矩形槽粗糙度元模拟固体粗糙表面，从试件耦合面粗糙度对涡流密度分布及其渗透深度影响的角度分析了表面粗糙度和超声回波信号的关系。

关键词：表面粗糙度；电磁超声；散射；涡流密度

电磁超声(EMAT)测厚中，探头和被测件之间无需耦合剂且是非接触式测量[1]，故该方法广泛地应用于工业测厚中。但被测件表面质量不佳会影响超声回波信号[2]，进而影响测厚的稳定性和精度。国内外针对表面粗糙度对压电超声回波的影响研究主要集中在探讨超声散射对回波幅值的影响方面，文献[3]中提出利用大平底面回波声压公式推导表面粗糙度引起的超声散射增益补偿公式，文献[4]利用超声表面回波(S波)修正散射引起的测厚误差。但,表面粗糙度对超声回波幅值的影响少有研究。

笔者首先通过试验分析相同材料不同表面粗糙度下，工件耦合面和背面超声回波幅值信号的特点及其变化，讨论了超声散射对粗糙表面测厚产生的影响；最后选取合适的粗糙度元进行建模，仿真分析了表面粗糙度对试件表面涡流密度分布以及对超声回波信号的影响。

1试验过程及结果

1.1试件

采用的试件为:加工精度较高(Ra=0.25 μm)的平磨加工工件一件，编号为1;表面粗糙度Ra分别为3.2,6.3,12.5 μm，加工方式为立铣，编号为2,3,4的工件。四件试件厚度相同，工件材料均为Q235钢，背面表面粗糙度相同(Ra均为1.6 μm)，试件表面状态如图1所示。

图1　不同粗糙度试件的表面(耦合面)特征

试验采用同一电磁超声测厚仪和探头，在试件上相同位置分别对试件的耦合面和背面进行两组厚度测量试验，如图2所示。

图2　EMAT测厚示意

图3　平磨试件的EMAT回波信号及其频谱

1.2耦合面粗糙度对电磁超声测厚的影响

利用电磁超声测厚仪在试件1的平磨加工面进行测厚试验。在一定增益情况下，实测的超声回波信号幅值变化如图3(a)所示。试验发现，平磨试件加工表面较光滑，回波信号幅值较大且变化较慢，并未有明显的噪声信号。其回波信号的频谱如图3(b)所示，可见,有效频率成分幅值较大，说明超声回波信号衰减较小，重复测厚试验的测厚稳定性和精度较高。

保持试验条件不变，对立铣工件24的表面在相同位置进行电磁超声测厚，用示波器观察128次平均处理后的回波信号，分析不同试块回波信号的频谱幅值,如图4所示。

图4　立铣试件的回波信号及频谱幅值变化

对比图4(a)(c)中的7次底面回波发现，在相同增益下，底面回波幅值随着粗糙度的增大而减小。而图4(d)中试件24与平磨试件1的频谱幅值进行对比，信号有效频率成分的最大幅值却随着粗糙度的增大而降低。为了进一步分析，分别取24号试件测厚的7次底面回波幅值(Us)进行比较，得到图5(a)，同时取对应的回波噪声的最大幅值(Un)进行对比，利用信噪比公式20lg(Us/Un)计算得到信噪比，结果如图5(b)。

图5　立铣试件耦合面不同Ra下的信号特征

通过图5对比发现,当Ra值在3.212.5 μm间时，随着声波反射次数的增加，Ra值越大的钢板测厚回波幅值衰减趋势越明显，且基波噪声增大，信噪比随之减小。当Ra值达到12.5 μm时，超声回波幅值较小，信噪比非常低，已经不能准确地进行测厚。

由此可见，当被测件耦合面较光滑时，电磁超声回波信号衰减较小，测厚精度较高；被测件表面粗糙时，回波信号衰减很快，甚至不能获得测厚信号，信号的有效频率成分幅值减小，回波能量降低，检测稳定性差，精度较低。因此，电磁超声应用于粗糙表面测厚时，较难建立回波信号，也就难以实施有效测厚。

1.3背面粗糙度对电磁超声测厚的影响

为了探究被测件背面粗糙度对EMAT回波信号的影响，保持试验条件不变，将立铣试件不同粗糙度加工面放置在背面，耦合面粗糙度相同(Ra均为1.6 μm)。各试件的电磁超声测厚回波信号幅值变化及信噪比如图6所示。

图6　立铣试件背面不同Ra下的信号特征

由图6(a)中试件背面不同表面粗糙度下的7次回波幅值的变化可看出，在相同的增益下随着粗糙度值的增大，回波幅值也是逐渐衰减的。而图6(b)中的不同Ra下的信噪比较高，能较清晰地分辨测厚回波信号，测厚数值稳定。为进一步分析，比较同一块粗糙度试件在耦合面和背面的回波信号幅值，取试块2和试块4为例，如图7所示。

图7　立铣试件耦合面和背面信号幅值对比

由图7可见,耦合面为粗糙面时，回波信号整体幅值比背面为粗糙面时小。这表明，电磁超声测厚耦合面粗糙度大时，回波信号衰减较快，甚至不能测厚；而被测件背面粗糙度稍大时，对回波信号影响稍小，此时测量表面质量不太高的被测件是可行的。

造成以上结果的原因主要有两方面:首先,电磁超声回波信号受到凹凸不平粗糙面的散射作用，造成回波能量的衰减，回波幅值减小，信噪比降低；其次,电磁超声激励高频电流会在试件表面产生涡流，而表面粗糙度不同引起涡流密度分布不均，从而造成激励的超声波能量降低，回波幅值衰减较快。下面通过理论和建模仿真，进一步分析表面粗糙度对超声回波的影响。

2影响机理分析

2.1理论分析

电磁超声测厚回波信号幅值变化和信噪比与超声回波能量大小有关。试件耦合面和背面分别为粗糙面时，回波能量损耗不同(内部能量损耗相同)，如图8所示。假设换能时粗糙表面造成的回波损耗为ΔE，声波反射时粗糙表面造成的回波损耗为ΔS，那么对比第k次和第(k+1)次底面回波这两个相邻的回波脉冲，粗糙面在试件耦合面和背面造成的不同损耗如表1所示。

图8　粗糙面位于不同位置的能量损耗示意

底面回波次数耦合面粗糙背面粗糙kΔE+(k-1)·ΔSk·ΔSk+1ΔE+k·ΔS(k+1)·ΔS

由表1可知，ΔE和ΔS的影响造成了粗糙面在耦合面和背面的回波能量的损耗不同。

当试件背面为粗糙面时，超声回波能量衰减主要受散射影响。声波经过粗糙表面时散射增加，造成回波信号幅值降低，回波脉冲展宽[5]。当超声波波长远大于粗糙度尺寸时，属于瑞利散射[6]，散射强度较小；当粗糙度尺寸与超声波波长相当时，属于米氏散射，散射强度与粗糙度尺寸有关，散射情况复杂，散射强度大。钢板试件中横波声速v为3 230 m·s-1，超声波频率f为3.54 MHz时，超声波波长为：

(1)

由式(1)看出，超声波波长远大于试件表面粗糙度，发生瑞利散射，散射强度较小，因此对回波信号的衰减较小，这与上文中的试验结果一致。

另一方面，电磁超声探头主要由线圈和偏置磁体组成，线圈中高频电流在被测件表面产生涡旋电场。具有一定表面粗糙度的被测件表面，涡流在趋肤层的流动会受到表面微观形貌的影响。根据电磁学基本理论，采用电磁学基本公式[7]表示电磁超声产生洛伦兹力的过程：

(2)

式中:fL为洛伦兹力;JE为涡流密度;Bd,m为激励电流在试件内产生的磁感应强度;Bs为永久磁铁提供的偏置磁场。

洛伦兹力以及激励线圈产生的涡流密度和磁场矢量和成正比。由以上分析可知，被测件的表面粗糙度导致涡流密度减小，激励电流及偏置磁场不变的情况下，产生的洛伦兹力会减小，进而导致涡流带电粒子振动频率较小，激励超声波能量减小，最终使超声回波信号幅值减小，信噪比降低。

2.2仿真分析

为了更精确地分析涡流密度与试件表面粗糙度的关系，利用ANSYS有限元分析软件建立线圈和试件的模型，计算不同粗糙度试件及不同截面上的涡流密度大小。模型材质为钢，分为理想的光滑表面(见图9)和粗糙层厚度为3,12,24 μm的表面(见图10)。

图9　光滑表面仿真模型

图10　粗糙表面仿真模型

粗糙表面采用了在光滑表面加矩形槽的方式，矩形槽宽度0.5 mm，深度分别为3,12,24 μm，两个矩形槽之间的间距为1.5 mm。图11为不同粗糙表面试件的涡流密度云图仿真结果。为进一步分析粗糙度对涡流透入深度的影响，图12给出了不同粗糙表面下不同深度截面处的涡流密度分布曲线。

图11　不同粗糙表面的电流密度云图

图12　不同深度截面处的涡流密度分布

通过观察图11发现，当涡流方向和矩形槽走向一致时，涡流密度的衰减较大；当涡流方向和矩形槽方向垂直时，涡流密度的衰减较小，从而导致了在涡流方向和矩形槽方向一致的位置附近的涡流渗透深度较浅，而在涡流方向和矩形槽方向垂直的位置附近的涡流渗透深度较深。通过对比图12中理想光滑表面和不同粗糙表面的涡流密度，可以发现粗糙表面的涡流密度比光滑表面的涡流密度小，同时被测件耦合面粗糙时的涡流渗透深度大于光滑时的深度。因此涡流密度及其渗透深度在耦合面粗糙的被测件中是不均匀的。

综上所述，被测件粗糙面比光滑面上的感生涡流密度要小，在激励电流和偏置磁场不变的情况下，产生的洛伦兹力会减小，造成回波能量减小，幅值降低。同时由于涡流在粗糙钢板中分布的位置和深度不均匀，也会影响超声回波质量，使基波噪声变大，信噪比降低，测厚精度差。将上述结论与试验结果对比，两者呈现较好的一致性。

3结论

(1) 被测件的电磁超声测厚回波能量随粗糙度的增大而减小，当粗糙度增大到一定值后，不能实施有效测厚。

(2) 电磁超声测厚的耦合面和背面粗糙度相同时，对超声回波信号的影响程度不同，耦合面的影响严重。

(3)耦合面和背面均会造成超声波的散射，声波散射对超声回波能量影响较小;粗糙耦合面还会使表面整体涡流密度减小，同时涡流密度及其渗透深度在被测件表面不均匀时，会造成激励超声波能量减小，基波噪声变大，信噪比降低。

参考文献:

[1]臧慧. 基于电磁超声横波的金属板厚度检测技术研究[D].沈阳:沈阳工业大学, 2013.

[2]PETER B N, NAG Y, LASZLO A. Surface toughness induced attenuation of reflected and transmitted ultrasonic waves[J].Acoust Soc Am,1987(1):193-197.

[3]刘贵民,张昭光.超声检测中表面粗糙度引起的声衰减补偿[J].无损检测, 2007,29(4):206-208.

[4]成濑健,岛田道南,吉井德治.表面粗糙度引起的超声波厚度测量误差的修正方法[J].无损检测, 2007,29(4): 221-225.

[5]DEBILLY M, COHEN-TENOUDJI F, JUNGMAN A,et al. The possibility of assigning a signature to rough surface using ultrasonic backscattering diagrams[J]. IEEE Trans Sonics Ultrason, 1976(1):356-363.

[6]梁鹏飞,张继荣,匡立中,等.核电压力管道表面粗糙度对超声波测厚数据的影响[J].无损检测,2013,35(9):49-51.

[7]沈熙宁. 电磁场与电磁波[M]. 北京:科学出版社, 2006.

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Influence of Surface Roughness on Thickness Measurement with EMAT

ZHANG Li1, WANG Zhe2, CUI Xi-ming2, KANG Yi-hua2

(1.Hengyang Valin Steel Tube Co., Ltd., Hengyang 421001, China;2.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In the thickness measurement with electromagnetic ultrasonic, the surface roughness of the workpiece has a great influence on the stability and accuracy of the detection. In order to explore the influence of surface roughness on the test, the amplitude and SNR of the thickness of the specimen with different surface roughness were presented. The experimental results show that the amplitude of ultrasonic echo and the SNR decrease with the increase of the surface roughness. This paper, based on the ultrasonic scattering angle due to surface roughness, analyzes the influence of different roughness in specimen back face on echo amplitude at first; and then, the relationship between roughness of surface and ultrasonic echo signal was analyzed through establishing the rectangular groove roughness element simulation at a rough solid surface, and by approaching the problem from the effect of specimen coupling surface roughness on eddy current density distribution and on the penetration depth.

Key words:Surface roughness; Electromagnetic ultrasonic; Scattering; Vortex density

中图分类号：TG115.28

文献标志码：A

文章编号：1000-6656(2016)04-0049-05

DOI:10.11973/wsjc201604013

作者简介：张黎(1971-),男,高级工程师,长期从事钢管无损检测及其研究工作。通信作者：康宜华(1965-)，男，博士生导师，主要研究方向为超声波无损检测技术及仪器，E-mail：yhkang@263.net。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475194，51275193)

收稿日期：2015-11-02