SH电磁超声换能器优化设计及粘接强度测量

姜 颖，郭新峰，项延训

(华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引 言

超声检测技术广泛应用于航空航天、石油化工、机械装备等工业领域结构状态的无损检测与表征。一般基于压电超声换能器的超声检测需要用耦合剂来实现超声在不同介质中的连续传播，这也会限制其在粗糙或高温试件表面进行有效测量。基于非接触式的电磁超声检测技术较好地弥补了上述缺陷。然而，电磁超声的换能机理复杂，换能效率低，其灵敏度通常比常用的压电陶瓷激励的超声信号低40 dB左右[1]。研究表明，通过优化电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)换能器的结构或尺寸可以有效提高其换能效率和信号幅度[2-7]。

粘接作为机械构件连接的一种方式，其粘接结构具有比强度与比模量高、应力分布均匀、工艺简单等优点。粘接界面在很大程度上决定着粘接复合结构的力学性能或强度。因此，开展粘接界面的检测对于获取粘接强度信息，保障粘接结构服役安全具有至关重要的工程意义。考虑到SH导波对界面特性变化的敏感性，结合电磁超声的测量便捷性，本文采用优化设计的电磁超声换能器激励SH0导波，对粘接结构件的强度进行表征，为粘接结构件的长期在线监测提供了一种解决手段。

1 SH波EMAT换能机理

EMAT中的作用力与被检试件导磁性能相关。在非铁磁性材料中，电磁超声的换能机理以洛伦兹力为主；在铁磁性材料中，电磁超声由磁致伸缩力、洛伦兹力与磁化力共同作用产生。而洛伦兹力和磁致伸缩力往往比磁化力大几个数量级，因此实际换能过程中一般忽略磁化力的贡献。

周期性永磁铁阵列电磁超声换能器(Periodic Permanent Magnet Electromagnetic Acoustic Transducer, PPM-EMAT)由周期性永磁铁阵列、跑道线圈和被检试件三部分组成。实验所用铝板中，SH波的产生主要由洛伦兹力提供作用力。如图1所示，PPM-EMAT的跑道线圈内通有频率为f的高频脉冲电流，并在试件表面感应产生与线圈内电流方向相反的涡流场。在感应电流与永磁铁产生的静态偏置磁场共同作用下，试件内质点主要受到与铝板表面平行的y轴方向上的洛伦兹力，进而产生频率为f的周期性振动并向换能器两侧传播，此时铝板内产生的波即为做剪切运动的SH导波。图1中，λ为SH波的波长、a为单个磁铁的宽度、d为线圈中相邻两导线的间距、J0为感应电流密度、FL为板内质子收到的洛伦兹力、B0为静态磁场的磁感应强度。

图1 PPM-EMAT结构俯视图及其换能原理示意图Fig.1 Top view of PPM-EMAT structure and the schematic diagram of its energy conversion principle

2 SH波电磁超声换能器优化设计

EMAT由永磁铁、线圈和被检试件三个部分组成，因此其换能效率的影响因素是多方面的。铝板中质点所受洛伦兹力大小与感应电流密度、静态磁场强度和通电线圈感应产生的交变磁场强度直接相关。

为激励纯净的SH0导波模式，实验需要选用低频信号进行激发。而激励频率与激励波形决定导波波长，这限制了换能器中永磁铁的厚度a(如图1所示)，进而在一定程度上限制静态磁场的大小。因而在此重点探究跑道线圈及磁致伸缩贴片参数对换能效率的影响，并在相同的静态磁场条件下选定一组性能较优的线圈参数组，完成SH0电磁超声换能器制作，并用于对粘接结构的强度检测。用图2中的超声信号激发系统记录SH导波EMAT接收信号。

图2 电磁超声换能器实验系统Fig.2 Experimental system for EMAT

为获得较好的信号，首先需对激励信号的周期数进行选择。不同激励信号周期时EMAT的接收信号如图3所示，随着脉冲周期数的增加，EMAT接收信号幅值逐渐增加。对比信号周期为1、5、10时得到的接收信号可知，当激励信号周期数为1时，接收信号幅值较小，波包不明显；周期为10时，相邻波包发生重叠，无法有效提取信号特征；周期为5时，接收信号的幅值较大且波包分离明显。因此，在后续的实验中选用5个周期的正弦脉冲信号进行激发。

图3 不同激励信号周期时EMAT的接收信号Fig.3 EMAT received signals at different numbers of excitation signal cycles

2.1 线圈参数的优化

选定激励信号周期数后，对接收信号强度随线圈导线宽度和导线间距的变化规律进行分析。在保持电磁超声检测仪器各项参数不变的情况下，将激励频率设置为0.2 MHz。同时，为避免边界反射带来的影响，实验中提取第一个回波信号的峰峰值进行比较，得到电磁超声换能器的回波信号随导线间距、导线宽度的变化曲线如图4所示。

图4 回波信号随线圈导线宽度和间距的变化曲线Fig.4 Variation curves of the echo signal with wire width and spacing of the coil

由图4可知，电磁超声回波信号幅度随着线圈间距的增大而减小，且呈指数衰减趋势。这是由于在SH导波电磁超声换能器较多采用的跑道线圈中，相邻导线电流方向一致。因此，随着线圈匝数的增加，导线间距减小，相邻两导线产生的动态磁场叠加效果增强，引起线圈内感应电流增大，铝板内质点的振幅增加，所接收到的直达波信号幅值增大。

由图4(b)可知，接收信号随线宽的增加整体呈上升趋势。这是由于EMAT使用电压激励时，当激励参数相同时，线宽越宽，导线的横截面积越大，线圈在铝板内产生的感应电流密度越大，所产生的洛伦兹力越大，接收到的信号幅度相应增大。考虑PCB线圈制作时对导线间距和导线宽度的限制，实验制作导线宽度和导线间距一致的绕制线圈，以获得更好的检测信号及实验效果。

2.2 磁致伸缩贴片参数的优化

在铁磁性材料中，试件内质点同时受到洛伦兹力与磁致伸缩力的作用。铁磁性材料具有一定磁致伸缩特性，但不同材料磁致伸缩系数不同，部分工程材料磁致伸缩系数较低，饱和磁致伸缩应变较小，对信号的增强效果较差，无法有效应用于实际检测。镍基合金作为工业上较常见的磁致伸缩材料，具有较大的磁致伸缩系数[8]。单层镍板和单层铝板中的接收信号如图5所示。电磁超声在单层镍板中得到的接收信号相较于铝板可提高约12.5 dB。下文的实验考虑采用镍金属薄贴片对电磁超声换能器接收信号进行增强。

图5 单层镍板和单层铝板中得到的接收信号Fig.5 Receiving signals obtained in single-layer nickel sheet and single-layer aluminum sheet

实验制作厚度为0.1、0.3、0.5、0.8、1 mm的镍金属贴片，实测厚度分别为0.15、0.4、0.6、0.8、1.2 mm。为降低粘接难度，减小粘接层对超声信号的影响，贴片尺寸与换能器大小一致。使用环氧树脂胶将贴片固定在铝板一侧，控制环氧树脂胶的使用量，固化温度和施加力的大小保持不变，固化24 h后得到的试件如图6所示。对带有镍金属贴片的铝板进行测量，得到电磁超声接收信号随贴片厚度的变化曲线，结果如图7所示。

图6 磁致伸缩贴片粘接试件Fig.6 The specimen with magnetostrictive patch

图7 EMAT接收信号随贴片厚度的变化曲线Fig.7 Variation curve of EMAT received signal with patch thickness

激励参数与前文保持一致，由图7可以看出，在本实验所选的五种不同厚度镍金属贴片制成的试件中，接收信号随贴片厚度的增加呈现先增大后减小的趋势，贴片厚度为0.4 mm时激励信号幅度达到最大。根据文献[8]的相关研究，对该电磁超声换能器接收信号随贴片厚度变化给出一种可能的影响因素分析：强铁磁性材料中，换能器的工作性能可根据材料的磁致伸缩曲线[9]进行判断。在镍金属板内偏置磁场沿板厚度方向的磁场方向和大小基本一致，且随着镍片厚度的增加，贴片内最大静态磁场逐渐减小。当镍片极薄时，贴片内的磁场强度较大，此时由磁致伸缩力引起的振动小。随着贴片厚度的增加，此时贴片内的磁场强度相对减小并处于磁致伸缩曲线的线性区，在该区域内，镍的磁致伸缩系数最大，在板内产生的机械振动大，信号幅值强；随着偏置磁场的进一步减小，换能器的工作点逐渐由磁致伸缩曲线的线性区减小到缓慢增长区，此时伴随着磁致伸缩力减小，产生的超声幅值减小。

3 基于SH波电磁超声换能器的粘接强度测量实验研究

考虑到SH0导波的非频散性以及对粘接界面的敏感性[10]，采用EMAT激励SH0超声导波对粘接结构强度进行检测。实验采用频率为0.2 MHz、周期数为5的正弦脉冲信号作为激励信号进行信号激发。为确保接收信号完全穿透粘接层，有效提取可表征粘接强度的信号，将换能器按照图8放置。

图8 换能器放置示意图Fig.8 Schematic diagram of transducer placement

3.1 粘接结构制作和强度测量

如图9所示，实验所制作的铝板粘接试件尺寸为300 mm×50 mm的矩形，厚度d为2 mm。使用环氧树脂胶对铝板进行粘接，粘接层的厚度约为0.2 mm，粘接完成后试件的总厚度约为4.2 mm。胶的具体参数指标详如表1所示。记录电磁超声在固化温度为25℃、35℃、45℃、55℃、65℃五组试样中的接收信号。以固化温度45℃下换能器的接收信号为例，如图10所示，第一个波包为信号直达波，第二个波包为换能器接收到的边界反射波。由于SH波EMAT为双向激发换能器，当激发与接收换能器在试件上对称放置时，接收端换能器会同时收到超声导波在两侧边界反射产生的回波信号。为减少边界反射的影响，选择直达波信号进行分析，得到波包幅值随固化温度的变化情况。

表1 环氧树脂胶的详细参数Table 1 Detailed parameters of the epoxy resin adhesive

图9 EMAT粘接实验试件Fig.9 Specimens for EMAT bonding tests

图10 固化温度45℃时的超声接收信号Fig.10 Ultrasonic signals received at the curing temperature of 45℃

此外，实验将该组试样分别截取一部分进行粘接结构拉伸强度的测量。检测依据复合钢板力学及工艺性能实验方法[11]，通过实验室微机控制电子式万能机进行，拉伸强度测量过程如图11所示。得到粘接结构强度的实测值后分别将两组数据做归一化处理并进行比较，得到图12。

图11 粘接结构拉伸强度测量Fig.11 Tensile strength measurement of bonded structures

图12 接收的超声信号幅度和拉伸强度随固化温度的变化曲线Fig.12 Variation curves of the received ultrasonic signal amplitude and tensile strength with curing temperature

分析图12可知，随粘接固化温度增加，换能器的接收信号变化趋势与粘接结构的拉伸强度变化基本一致，呈先上升后下降趋势。该结果说明由电磁超声激发的SH0导波对粘接固化温度引起的弱粘接现象具有较强的敏感性，在粘接结构的超声测量中，换能器所接收到的信号幅度越大，粘接强度相对越大。

3.2 测量结果分析

SH0导波的振动方向与试件表面平行，在粘接界面处做剪切运动，并对材料剪切模量敏感[12]。剪切模量作为粘接层的重要表征参数，与拉伸强度具有一致的变化趋势。对于环氧树脂胶水，固化温度是影响其粘接强度的重要因素之一。固化温度的提升一般会在一定程度上提升粘接强度，温度太低将导致粘接剂固化不足或不固化，粘接强度相对较弱。但是过高的固化温度则会影响粘接剂中相应成分的性能，甚至会导致粘接层变脆，出现过固化现象，导致粘接强度大大降低。因此，当远离固化温度最佳值时，粘接结构的粘接强度减小，电磁超声换能器接收到的信号幅值减小。以上实验结果表明，采用电磁超声激励的SH0导波对多层铝板粘接结构强度检测具有较好的可行性。

4 结 论

本文研究了SH波EMAT电磁超声换能器中跑道线圈几何参数、磁致伸缩贴片对EMAT换能效率的影响。并采用优化后的换能器对粘接强度进行测量，得到结论如下：

(1) 在跑道线圈和周期阵列永磁铁构成的SH波EMAT中，适当增加激励信号周期数、减小线圈间距能有效增强超声接收信号幅度。

(2) 将镍金属作为磁致伸缩贴片材料可以较大地增强超声信号，提高信噪比。在本文实验条件下得到对信号增强效果最佳的镍金属贴片的厚度约为0.4 mm，表明适当厚度的磁致伸缩贴片对EMAT的换能效率有明显的增强作用。

(3) SH波EMAT激励产生的SH0导波可实现对粘接结构强度的测量，波包幅度的变化可有效反映粘接结构的强度变化，为粘接结构老化状态的在线监测提供了一种可行方法。