钢轨探伤1章理论 - 图文(9)

假定缺陷位于焊缝中心线上，此时x=0，所得d1值最小：

图1－30 不同曲面工件中超声波传播路径 a）平板工件 b ）凸面工件 c）凹面工件

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图1－31 缺陷处A扫描信号

图1－32 TOFD检测显示示意图（含埋藏缺陷）

图1－33 TOFD检测显示图像（X形坡口根部连续夹渣）

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图1－34 缺陷深度计算图

d1?c2?T?2to??S2 42若以直通波为参考起点，假定xd1??0，则缺陷深度为：

122tc?4tcS2??1/2

式中t －缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差；

c－声速；

2S－探头中心间距。

缺陷下端点与扫查面间的距离以d2表示，同理可计算出缺陷下端点的深度度d2。 则缺陷的自身高度为：

h?d2?d1

TOFD的扫查方式一般分为非平行扫查、平行扫查和偏置非平行扫查三种。三种扫查方式示意图分别知图1－35、图1－36和图1－37所示。非平行扫查指探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式，一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向的扫查方式，可作为初始的扫查方式，用于缺陷的快速检测和缺陷长度测定，可大致测定缺陷高度，但无法确定缺陷距焊缝中心线的偏移量。偏置非平行扫查指偏移焊缝中心线一定距离的非平行扫查，该扫查方式可增大检测范围，提高缺陷高度测量的精度，改进缺陷定位并有助于降低表面盲区高度。平行扫查指探头运动方向与声束方向平行的扫查方式，对已发现的缺陷进行平行扫查，可改进缺陷定位和缺陷高度测

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定的准确性，并为缺陷定性提供更多信息。

与脉冲反射法超声检测和射线检测相比，TOFD的主要优点在于：（1）缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关，缺陷检出率高；（2）超声波束覆盖区域大；（3）缺陷高度测量精确；（4）实时成像，快速分析；（5）缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度；（6）快速、安全、方便。

图1－35 非平行扫查 图1－36 平行扫查

图1－37 偏置非平行扫查

但TOFD也存在其局限性，主要有：（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区；（2） TOFD信号较弱，易受噪声影响；（3）倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等；（4） TOFD数据分析对检测人员要求高。

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（五）电磁耦合法

采用电磁超声探头激发和接收超声波的检测方法，通常称为电磁超声检测（EMAT）。探头与工件之间既无耦合剂，也不相互接触。

1．电磁超声产生的机理

铁磁性物质具有类似结晶体的结构，在铁的正离子中央有被电子云包围的铁的负离子。其相邻的原子之间由于电子自旋而产生元磁矩，在元磁矩之间有相互作用力，它驱使相邻的元磁矩平行排列在同一方向上，形成磁畴，磁畴间的相互作用很小。铁磁性材料的磁化现象可从微观和宏观两个方面来分析。微观磁化强度由上述相互作用理论所给出的自发磁化强度的数值决定，亦即磁畴的磁化强度；而宏观磁化强度则是所有磁畴的微观磁化强度之和（矢量和），它可以是从零到微观磁化强度的饱和值。在工程技术中，主要是利用铁磁性材料的宏观磁化强度，即在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，材料总的磁化强度等于零；当有外磁场作用时，这一平衡受到破坏，磁畴的磁化强度矢量都转向外磁场方向与外磁场平行，材料即呈现磁饱和现象。在磁化过程中各磁畴之间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。反之，在外力作用下，引起铁磁性材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁性材抖的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁性材料磁化强度变化的现象，称为逆磁致伸缩效应。

可见，在一般铁磁性材料中，同时存在磁致仲缩与逆磁致仲缩现象。此外，由于电磁感应的存在，材料形变而产生的磁场，必然会在材料中感应一个电场，所以可以预抖，在铁磁性材料中的任何机械振动都会伴随着产生一个电磁振动，这两种振动产生的波相互耦合在一起，就会形成电磁超声。

2．电磁超声激发和接收

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