一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法
阅读说明：本技术 一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法 (Integrated laser acousto-magnetic metal defect flaw detection device and method ) 是由 袁伟 刘泽 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法,包括：两个电磁铁、两个磁芯、检测线圈、激光发射器和聚焦透镜；两个电磁铁为C型电磁铁且开口处对向放置,每个磁芯两端分别与两个C型电磁铁的一个端部接触,且两个磁芯相互平行,磁芯的接触面宽度大于或等于C型电磁铁接触面,高度大于C型电磁铁,磁芯底部低于磁铁一定距离,使C型电磁铁与被测金属之间有一定的提离距离；检测线圈固定于两个磁芯中间,且与每个磁芯之间设置有缝隙,检测线圈的底面与两个磁芯的底面在同一水平面上；激光发射器和聚焦透镜设置于检测线圈的中心处,激光发射器用于发出激光脉冲,聚焦透镜用于将激光脉冲聚焦成线状。可以一次扫描定量探测钢轨缺陷。(The invention provides an integrated laser acousto-magnetic metal defect flaw detection device and method, which comprises the following steps: the device comprises two electromagnets, two magnetic cores, a detection coil, a laser emitter and a focusing lens; the two electromagnets are C-shaped electromagnets, the openings of the two electromagnets are oppositely arranged, two ends of each magnetic core are respectively contacted with one end part of the two C-shaped electromagnets, the two magnetic cores are parallel to each other, the width of the contact surface of each magnetic core is larger than or equal to that of the C-shaped electromagnet, the height of the contact surface of each magnetic core is larger than that of the C-shaped electromagnet, the bottom of each magnetic core is lower than the magnets by a certain distance, and a certain lifting distance is reserved between each C-shaped electromagnet and the metal to be detected; the detection coil is fixed between the two magnetic cores, a gap is arranged between the detection coil and each magnetic core, and the bottom surface of the detection coil and the bottom surfaces of the two magnetic cores are on the same horizontal plane; the laser emitter and the focusing lens are arranged at the center of the detection coil, the laser emitter is used for emitting laser pulses, and the focusing lens is used for focusing the laser pulses into a line shape. The rail defect can be detected quantitatively by one-time scanning.)
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法。
背景技术
激光超声和电磁超声技术均属于无需耦合剂式的非接触超声无损检测技术，故在工业生产、医学诊断和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
激光超声产生超声波的原理是应用激光对被测体表面局部加热，使其发生热膨胀产生微小振动。激光超声的方法具有灵敏度好、精度高等特点，可实现对微小缺陷的检测。而接收超声波通常需要使用激光干涉仪对被测体表面的位移进行精确测量来实现。激光干涉仪不仅结构复杂，而且造价高、体积庞大、且对周围的工作环境要求较高，不适用于在线钢轨探伤这种现场恶劣的环境。
电磁超声对表面缺陷的要求极低，根据不同的结构能激发多种波型，但是换能效率低仍是现阶段未能解决的问题，尤其是产生和接收面外振动速度的纵波传感器，它需要较难产生的均匀径向(横向)磁场与线圈相组合来实现。
传统的激光-电磁超声复合装置也被提出过，但是它们有的是将激发装置和接收装置放在不同的位置，易于对系统造成误差；有的尽管组成了一体式装置，但是为方便激光光源的顺利通过需要在永磁体上钻一个孔洞。此孔洞严重影响磁场均匀分布影响信号的信噪比。同时，有些人未充分利用激光可同时激发出多种类型波的优点，只使用一种波型并将其它波滤掉，导致了能量的损失与浪费。
根据现阶段激光超声和电磁超声的应用现状，电磁超声技术和激光超声技术已有用于金属缺陷、厚度及残余应力测量的研究，但由于电磁超声传感器激发换能效率低，激光超声接收装置造价高、结构复杂，受环境影响严重，两者均暂无广泛推广使用。随着高速铁路的发展，作为轨道安全的重要保障之一，钢轨探伤一直为热点话题。目前，铁路上仍使用传统压电式超声探伤车进行检测。虽有涡流法、电磁层析成像法在钢轨探伤方面的技术研究，但是受集肤效应的影响，仍未见有关其实际应用的报道。
因此，需要一种可以接收激光所产生粒子在面外振动方向的多种类型超声波的探伤装置，以此表征不同类型缺陷回波的机械振动情况，进而实现钢轨轨头的定量无损探伤。
发明内容
本发明提供了一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法，以解决现有技术中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置，包括：两个电磁铁、两个磁芯3、检测线圈4、激光发射器和聚焦透镜5；
所述的两个电磁铁为C型电磁铁且开口处对向放置，每个磁芯3两端分别与两个C型电磁铁的一个端部接触，且两个磁芯3相互平行，磁芯3的接触面宽度大于或等于C型电磁铁接触面，高度大于C型电磁铁，磁芯3的底部低于磁铁一定距离，使C型电磁铁与被测金属之间有一定的提离距离；
所述检测线圈4固定于两个磁芯3中间，且与每个磁芯3之间设置有缝隙，所述检测线圈4的底面与两个磁芯3的底面在同一水平面上；
所述激光发射器和聚焦透镜5设置于检测线圈4的中心处，激光发射器用于发出激光脉冲，所述聚焦透镜用于将激光脉冲聚焦成线状。
优选地，C型电磁铁包括电磁铁线圈1和C型电磁铁磁芯2，电磁铁线圈均匀地缠绕在分别设置于C型电磁铁磁芯2的两个末端的两个线圈骨架上。
优选地，磁芯3为长方体型状。
优选地，C型电磁铁的两个末端的线圈通入的电流方向相反，且每个末端的线圈电流通入方向与其通过磁芯3连接的另一个C型电磁铁对应的末端线圈的电流通入方向相反。
优选地，检测线圈4为螺旋型线圈、蝶形线圈或曲折型线圈，当检测线圈属于上述线圈的一种时，其位置位于两个磁芯3之间且位于同一个磁芯3的两个端点之间。
优选地，检测线圈4为跑道型线圈，所述跑道型线圈的非圆弧形边与所述磁芯平行且长度相等，跑道型线圈的非圆弧形两条边的每条边的两个末端的位置相对应于同一个磁芯3与两个C型电磁铁的连接的两端。
优选地，激光发射器和聚焦透镜的中心轴线位于同一直线。
优选地，激光发射器装置为脉冲激光发射器。
优选地，聚焦透镜为一字透镜，所述聚焦透镜根据激光发射器装置的结构固定于一体式装置内或装置外。
本发明实施例还提供采用上述装置进行金属缺陷探伤的方法，包括如下步骤：
将所述激光声磁金属缺陷探伤装置底部置于待测金属顶部，通过激光发射器装置激发出激光脉冲，并经过聚焦透镜被聚焦成线型光源辐射到被测金属表面，产生不同类型的超声波；同时，在第一C型电磁铁的两个末端电磁铁线圈中均通入方向相反的电流，且分别在与第一C型电磁铁通过磁芯3连接的第二C型电磁铁的末端电磁铁线圈1中分别通入对应第一C型电磁铁末端电磁铁线圈1相反的电流，使两个磁芯3中形成不同极性磁场，在检测线圈4正下方被测金属体内产生均匀径向磁场；用于形成闭合磁路；不同类型超声波遇到金属缺陷后，立即按原路返回至被测金属表面，使得检测线圈4正下方待测金属内粒子产生振动，通过检测线圈4感应出电压信号，进而确定金属缺陷的位置及尺寸类型的信息。
由上述本发明的一体式激光声磁金属缺陷探伤装置与方法提供的技术方案可以看出，本发明的探伤装置，检测激光所产生不同类型超声波面外振动方向的分量，观察电磁超声传感器线圈的接收电压变化特点，以此表征不同类型缺陷回波的机械振动情况，进而实现定量无损探伤。本装置具有检测精度高、结构稳定性好的特点，可通过一次扫描同时定量探测金属内部及表面缺陷，满足对金属的高效、快速和全面的定位定量检测能力，并且可以应用在环境恶劣的条件下。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的一体式激光声磁金属缺陷探伤装置结构示意图；
图2为实施例提供的一体式激光声磁金属缺陷探伤装置俯视图；
图3为一体式激光声磁金属缺陷探伤装置磁路走向示意图；
图4为磁芯位置示意图；
图5为一体式激光声磁金属缺陷探伤装置探伤原理图；
附图标记说明：
1电磁铁线圈 2C型电磁铁磁芯 3磁芯 4检测线圈 5激光发射器和聚焦透镜 6钢轨。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为本实施例提供的一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置结构示意图，图2为本实施例提供的一种一体式激光声磁金属缺陷探伤装置俯视图，参照图1和图2，该装置为类似“天井式”的结构，应用于钢轨6上，包括：两个电磁铁、两个磁芯3、检测线圈4、激光发射器装置和聚焦透镜5。
两个电磁铁为C型电磁铁且开口处对向放置，每个磁芯3两端分别与两个C型电磁铁的一个端部接触，且两个磁芯3相互平行，磁芯的接触面宽度大于或等于C型电磁铁接触面，高度大于C型电磁铁，磁芯的底部低于磁铁一定距离，使C型电磁铁与被测金属之间有一定的提离距离，用于增加磁芯的有效面积，使得磁阻减小，保证磁路完全从电磁铁磁芯中通过，如图4所示。C型电磁铁包括电磁铁线圈1和C型电磁铁磁芯2，电磁铁线圈1均匀地缠绕在分别设置于C型电磁铁磁芯2的两个末端的两个线圈骨架上。磁芯3为长方体形状。
检测线圈4固定于两个磁芯3中间，且与每个磁芯3之间设置有缝隙，检测线圈4的底面与两个磁芯3的底面在同一水平面上。通过图2可以看出，本实施例中的检测线圈为跑道型线圈，其中，跑道型线圈的非圆弧形边与磁芯3平行且长度相等，跑道型线圈的非圆弧形两条边的每条边的两个末端的位置相对应于同一个磁芯3与两个C型电磁铁的连接端。
激光发射器装置和聚焦透镜5设置于检测线圈4的中心处，激光发射器装置用于发出激光脉冲，聚焦透镜用于将激光脉冲聚焦成线状。
C型电磁铁的两个末端的线圈通入的电流方向相反，以保证C型电磁铁中产生的磁场最大，并且磁场方向是由C型电磁铁的一端指向另一端，且每个末端的线圈电流通入方向与其通过磁芯相对连接的另一个C型电磁铁对应的末端线圈的电流通入方向相反，以保证磁芯3与C型电磁铁所对应的两边极性相同，以及两磁芯3正对两面极性相反。
其中，检测线圈还可以为螺旋型线圈、蝶形线圈或曲折型线圈，当检测线圈属于上述线圈的一种时，其位置位于两个磁芯之间且位于同一个磁芯的两个端点之间。需要说明的是，激光发射器装置和聚焦透镜的中心轴线位于同一直线。
本实施例中，激光发射器装置中的脉冲激光发射器为钇铝石榴石晶体激光器，简称Nd:YAG激光器。聚焦透镜为一字透镜，所述聚焦透镜根据激光发射器装置的结构固定于一体式装置内或装置外，无论透镜以何种方式固定，其光路均是垂直于被测试件表面辐射在线圈中心位置。
采用本实施例的装置进行金属缺陷探伤的方法，包括如下步骤：
将所述激光声磁金属缺陷探伤装置底部置于钢轨轨头顶部，通过激光发射器装置激发出激光脉冲，并经过聚焦透镜被聚焦成线型光源辐射到钢轨轨头表面，产生不同类型的超声波；同时，在第一C型电磁铁的两个末端电磁铁线圈中均通入方向相反的电流，且分别在与第一C型电磁铁通过磁芯连接的第二C型电磁铁的末端电磁铁线圈中分别通入对应第一C型电磁铁末端电磁铁线圈相反的电流，使两磁芯中形成不同极性磁场，如图3所示；为保证磁路的闭合，即在两者之间，在检测线圈的正下方被测钢轨内产生均匀径向磁场；不同类型超声波遇到金属缺陷后，立即按原路返回至钢轨表面，使得检测线圈正下方钢轨内粒子产生振动，通过检测线圈感应出电压信号，进而确定金属缺陷的位置及尺寸类型的信息。
参照图3，将电磁铁的两末端周围的电磁铁线圈通入反向的电流，以保证磁路从C型电磁铁一端指向另一端脚。将两组电磁铁开口对向放置，并通过长方体磁芯3相连接。当四组线圈通入相应电流，在两组电磁铁的C型电磁铁磁芯2中形成磁路，并在两个磁芯3中形成极性相反磁极。为形成闭合磁路，在两个磁芯3之间被测钢轨内部形成径向磁场。为识别激光产生的不同类型超声波遇见不同缺陷后反射的回波特征，需要将跑道型线圈与均匀径向磁场相结合，感应粒子振动的变化，确定缺陷的尺寸和位置。
如图5为一体式激光声磁金属缺陷探伤装置探伤原理图，参照图5，激光可同时产生不同类型的超声波。其中，瑞利波沿钢轨表面传播，其遇到表面缺陷发生反射，故可检测表面轨头表面缺陷。横波沿激发点法向方向约45°角传播，其遇到除激发源正下方(90°)以外方向缺陷均会发生反射，故可检测轨头内除激发源正下方(90°)以外方向缺陷。纵波以发散式向周围传播，但其正下方(90°)，即垂直方向能量最强，其余方向稍弱。故其可检测垂直方向的缺陷，同时其亦可辅助判定其余方向角度的缺陷。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际装置中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
用本发明实施例的装置进行探伤的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。