非接觸式激光-電磁超聲連鑄坯檢測探頭裝置制造方法
【專利摘要】一種非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，它包括EMAT傳感器，其特征是EMAT傳感器包括由金屬制成的冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼，在冷卻殼體下殼底部設(shè)置漏磁窗，在漏磁窗兩側(cè)設(shè)置耐高溫的非金屬材料封閉漏磁窗；在冷卻殼體上殼的頂部設(shè)置進水口，出水口和出水護筒，在出水護筒上方設(shè)置有帶出水口的出水護筒蓋帽；在冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼內(nèi)設(shè)置有前置放大電路單元、接收線圈單元、羰基鐵粉板和永磁體，充注循環(huán)水以維持正常的工作溫度；前置放大電路單元放置于屏蔽磁場殼體內(nèi)，用灌封膠灌封后整體放于永磁體上方，在永磁體下方放置羰基鐵粉板，在羰基鐵粉板下方放置接收線圈單元。解決紅熱狀態(tài)下連鑄坯檢測的高溫冷卻問題；實現(xiàn)連鑄坯的在線檢測。
【專利說明】非接觸式激光-電磁超聲連鑄坯檢測探頭裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種連鑄坯檢測的探頭裝置，尤其是能耐高溫的連鑄坯在線檢測的非接觸式探頭裝置，屬于超聲無損檢測與評價領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]表面裂紋是影響連鑄坯表面質(zhì)量的重要因素，如何在線檢測連鑄坯表面裂紋不僅對于提高連鑄坯質(zhì)量具有重要的意義，而且是控制次道工序產(chǎn)品退廢率的主要手段。目前，在常溫下對連鑄坯表面裂紋檢測有較高的檢測精度的方法有傳統(tǒng)超聲方法和渦流方法，但是傳統(tǒng)超聲方法需要耦合劑，渦流檢測在高溫下靈敏度不高，難以應(yīng)用于表面溫度最高可達1100°C的在線連鑄坯檢測。激光-電磁超聲具有非接觸檢測、高精度、高靈敏度和高速度等特點，適合于高溫、腐蝕性、輻射性以及被檢件具有較快的運動速度等惡劣環(huán)境下使用，該技術(shù)能夠同時激發(fā)表面波、縱波和橫波等多種波型，因此可以同時檢測不同類型的缺陷。到目前為止還未有應(yīng)用于在線連鑄坯檢測的基于激光-電磁超聲技術(shù)的非接觸式探頭
>j-U ρ?α裝直。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法應(yīng)用于在線高溫連鑄坯檢測的問題，本實用新型提供了一種基于激光-電磁超聲技術(shù)的非接觸式探頭裝置。
[0004]本實用新型為解決上述問題而提供一套基于激光-電磁超聲技術(shù)的非接觸式探頭裝置。
[0005]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，它包括EMAT傳感器，其特征是EMAT傳感器包括由金屬制成的冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼，在冷卻殼體下殼底部設(shè)置漏磁窗，在漏磁窗設(shè)置耐高溫的非金屬材料封閉漏磁窗；在冷卻殼體上殼的頂部設(shè)置進水口，出水口和出水護筒，在出水護筒上方設(shè)置有帶出水口的出水護筒蓋帽；在冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼內(nèi)設(shè)置有前置放大電路單元、接收線圈單元、羰基鐵粉板和永磁體，充注循環(huán)水以維持正常的工作溫度；前置放大電路單元放置于屏蔽磁場殼體內(nèi)，用灌封膠灌封后整體放于永磁體上方，在永磁體下方放置羰基鐵粉板，在羰基鐵粉板下方放置接收線圈單元。EMAT (Electromagnetic AcousticTransducers,電磁超聲傳感器，下文簡稱EMAT傳感器。
[0006]本方案的具體特點還有，冷卻殼體下殼和冷卻殼體上殼之間用石墨盤根密封，出水護筒蓋帽和出水護筒之間用O型圈密封，冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼用奧氏體不銹鋼(牌號:AISI 304)加工。
[0007]所述非金屬材料是指SiC陶瓷板和SiO2陶瓷板，在漏磁窗處設(shè)置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收線圈單元之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板。同時考慮到耐高溫的非金屬材料還要有良好的耐磨性，EMAT傳感器底部選用的是SiC陶瓷板；SiC陶瓷板直接與紅熱狀態(tài)的高溫連鑄坯貼合，且具有良好的導(dǎo)熱性，不利于EMAT傳感器內(nèi)部水冷卻循環(huán)的效果，因此，在在漏磁窗和接收線圈單元之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板。
[0008]所述SiO2陶瓷板是指導(dǎo)熱系數(shù)較小的等靜壓燒結(jié)成型的SiO2陶瓷板(SiO2粉末60噸以上等靜壓壓制成型，放入燒結(jié)爐中燒結(jié)制備)。而SiO2陶瓷板有不同的成型方式，不同的成型方式燒結(jié)的陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)不同，在此選用導(dǎo)熱系數(shù)較小的等靜壓燒結(jié)成型的SiO2陶瓷板(SiO2粉末60噸以上等靜壓壓制成型，放入燒結(jié)爐中燒結(jié)制備)，可以使EMAT傳感器內(nèi)部冷卻循環(huán)循環(huán)達到一個良好效果；
[0009]所述在漏磁窗外設(shè)置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收線圈單元之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板是指用高溫膠把SiC陶瓷板、SiO2陶瓷板和不銹鋼制成的冷卻殼體下殼粘結(jié)，在高溫膠凝固后在其上表面覆蓋高溫灌封膠，使得凝固后高溫膠完全浸入到高溫灌封膠中。
[0010]所述高溫膠是耐1300°C的HR-8787單組分高溫膠，所述高溫灌封膠是奧斯邦190
高溫灌封膠。
[0011]出水護筒固定多芯接插頭和多芯線纜。
[0012]接收線圈單元由橫波接收線圈、瑞利波接收線圈和屏蔽板組成。
[0013]本實用新型的有益效果是:由于采用的冷卻方式是水循環(huán)冷卻。因為紅熱狀態(tài)的連鑄坯溫度可達1100°c，為保證線圈可以接收連鑄坯中的超聲波信號，EMAT傳感器的金屬殼體底部必須開窗漏磁，開窗部分用耐高溫的非金屬材料與接收線圈隔離起來，行成一個封閉空間組成水冷卻循環(huán)回路，將永磁體、磁屏蔽保護的前置放大電路單元和接受線圈等工作部件置于水循環(huán)中，用高溫膠把非金屬材料的SiC陶瓷、SiO2陶瓷和不銹鋼制成的EMAT殼體粘結(jié)，這種高溫膠技術(shù)要求至少耐溫1100°C以上，不溶于水，抗拉力和抗剪力強’為驗證耐高溫膠的性質(zhì)，通過對大量國內(nèi)外的各種高溫膠的多次試驗，不論是有機材料的還是無機材料的高溫膠，試驗結(jié)果表明目前國內(nèi)外還沒有一種耐高溫膠滿足這么苛刻的要求，因此這就需要一定的工藝組合不同性質(zhì)的膠來滿足既耐高溫又防水的要求。經(jīng)多次試驗形成如下工藝:試驗選用耐1300°C的HR-8787單組分高溫膠，主要成分是經(jīng)改造的特殊環(huán)氧樹脂，用于粘結(jié)SiC陶瓷、SiO2陶瓷和不銹鋼的殼體，由于HR-8787單組分高溫膠長時間浸入水中可溶于水，為保證EMAT傳感器的防水密封性能，需要在HR-8787高溫膠凝固后在其上覆蓋奧斯邦190高溫灌封膠，使得凝固后HR-8787高溫膠完全浸入到奧斯邦190高溫灌封膠中，高溫灌封膠凝固后，通過多次防水試驗和現(xiàn)場的高溫試驗，此工藝完全滿足EMAT傳感器長時間工作于高溫環(huán)境且內(nèi)部水循環(huán)的要求，解決了高溫惡劣環(huán)境下金屬材料和非金屬材料粘結(jié)防水性的問題。非接觸式探傷，不受被檢材料幾何形狀和表面粗糙度的限制；解決紅熱狀態(tài)下連鑄坯檢測的高溫冷卻問題，保證接收缺陷信號的靈敏度和準確性；上位工控機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，實時顯示缺陷警報，實現(xiàn)連鑄坯的在線檢測；脈沖激光可以同時激發(fā)出瑞利波、縱波和橫縱波，不同的線圈可以接收不同的超聲波，檢測無盲區(qū)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0015]圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是EMAT傳感器的正視剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3是水循環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型原理框圖。[0016]圖1中:1-高功率脈沖激光器，2-線型聚焦單元，3-線聚焦后激光，4- EMAT傳感器，5-信號采集單元，6-上位工控機，7-高溫連鑄坯；8-SiC陶瓷板，9-Si02陶瓷板，10-接收線圈單元，11-羰基鐵粉板，12-冷卻殼體下殼，13-冷卻殼體上殼，14-水，15-水嘴，16-多芯接插頭，17-出水護筒蓋帽，18-出水護筒，19-多芯線纜，20-高溫灌封膠，21-前置放大電路單元，22-屏蔽磁場殼體，23-永磁體；24-EMAT傳感器出水水管，25-EMAT傳感器信號線冷卻水管，26- EMAT傳感器進水水管，27-水泵引水管，28-儲水箱，29-水泵。
【具體實施方式】
[0017]在圖1中，高功率脈沖激光器I發(fā)射高能量的脈沖激光到柱面透鏡2，經(jīng)透鏡2聚焦成線性光斑照射在高溫連鑄坯7上，在高溫連鑄坯7激發(fā)出橫波、縱波和瑞利波，瑞利波遇缺陷發(fā)生波形轉(zhuǎn)化成橫波，被EMAT傳感器4接收，通過信號采集單元5數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)缴衔还た貦C6進行缺陷判別。
[0018]具體步驟如下:①校準高功率脈沖激光器I的輸出能量，調(diào)整線型聚焦單元2中柱面透鏡的位置，使二者同中心放置，且滿足被檢測高溫連鑄坯7表面與線型聚焦單元2中柱面透鏡之間的距離等于柱面透鏡焦距。其中:所述的高功率脈沖激光器為調(diào)Q式Y(jié)AG脈沖激光器，脈沖寬度8?15 ns，波長1064 nm，能量O?200 mj/pulse，脈沖重復(fù)頻率為I?20 Hz ;所述的線型聚焦單元2由柱面透鏡和可調(diào)焦距的光學(xué)鏡架組成。
[0019]②將EMAT傳感器4固定于加持裝置上，調(diào)整EMAT傳感器4與高溫連鑄坯7之間的距離至7 mm左右。
[0020]③開啟信號采集單元5、數(shù)字示波器和上位工控機6的工作電源，設(shè)定信號采集單元5的采樣頻率等參數(shù)，校正數(shù)字示波器，然后確認信號采集單元5、數(shù)字示波器和上位工控機6處于聯(lián)通狀態(tài)。
[0021]④開啟高功率脈沖激光器I工作電源，以激勵出脈沖激光，利用線型聚焦單元2將脈沖激光進行能量匯聚且呈線型分布，并將線聚焦后激光3傳輸至高溫連鑄坯7表面，激勵出超聲波信號。
[0022]⑤EMAT傳感器4接收線聚焦后激光3激勵出的超聲波信號，經(jīng)過信號采集單元5數(shù)據(jù)采集后并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔还た貦C6進行數(shù)據(jù)處理，進行缺陷識別和報警。
[0023]其中:所述信號采集單元5是一整套信號采集和處理系統(tǒng)，包括濾波、信號采集、必要的數(shù)據(jù)處理等，在上位工控機6上使用LabView編寫數(shù)據(jù)處理軟件，具有數(shù)據(jù)處理后顯示、缺陷識別和報警等功能，同時對信號采集單元5有控制反饋作用，示波器可以在檢測過程中起到信號觸發(fā)和在線信號檢測等作用。
[0024]如圖2所示，一種非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，它包括EMAT傳感器4，EMAT傳感器4包括由金屬制成的冷卻殼體上殼13和冷卻殼體下殼12,在冷卻殼體下殼12底部設(shè)置漏磁窗，在漏磁窗兩側(cè)設(shè)置耐高溫的非金屬材料封閉漏磁窗；在冷卻殼體上殼13的頂部設(shè)置進水口，出水口和出水護筒18，在出水護筒18上方設(shè)置有帶出水口的出水護筒蓋帽17;在冷卻殼體上殼13和冷卻殼體下殼12內(nèi)設(shè)置有前置放大電路單元21、接收線圈單元10、羰基鐵粉板11和永磁體23，充注循環(huán)水以維持正常的工作溫度；前置放大電路單元21放置于屏蔽磁場殼體22內(nèi)，用高溫灌封膠20灌封后整體放于永磁體23上方，在永磁體23下方放置羰基鐵粉板11，在羰基鐵粉板11下方放置接收線圈單元10。羰基鐵粉板11用于加強磁場。
[0025]冷卻殼體下殼12和冷卻殼體上殼13之間用石墨盤根密封，出水護筒蓋帽17和出水護筒18之間用O型圈密封，冷卻殼體上殼13和冷卻殼體下殼12用奧氏體不銹鋼(牌號:AISI 304)加工。所述非金屬材料是指SiC陶瓷板8和SiO2陶瓷板9，在漏磁窗外設(shè)置SiC陶瓷板8，在漏磁窗和接收線圈單元10之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板9。同時考慮到耐高溫的非金屬材料還要有良好的耐磨性，EMAT傳感器4底部選用的是SiC陶瓷板8 ；SiC陶瓷板8直接與紅熱狀態(tài)的高溫連鑄坯7貼合，且具有良好的導(dǎo)熱性，不利于EMAT傳感器4內(nèi)部水冷卻循環(huán)的效果，因此在漏磁窗和接收線圈單元10之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板9。
[0026]所述SiO2陶瓷板是指導(dǎo)熱系數(shù)較小的等靜壓燒結(jié)成型的SiO2陶瓷板(SiO2粉末60噸以上等靜壓壓制成型，放入燒結(jié)爐中燒結(jié)制備)。而SiO2陶瓷有不同的成型方式，不同的成型方式燒結(jié)的陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)不同，在此選用導(dǎo)熱系數(shù)較小的等靜壓燒結(jié)成型的SiO2陶瓷(SiO2粉末60噸以上等靜壓壓制成型，放入燒結(jié)爐中燒結(jié)制備)，可以使EMAT傳感器內(nèi)部冷卻循環(huán)達到一個良好效果；所述在漏磁窗外設(shè)置SiC陶瓷板8，在漏磁窗和接收線圈單元10之間設(shè)置隔熱效果優(yōu)良的SiO2陶瓷板9是指用高溫膠把SiC陶瓷板8、SiO2陶瓷板9和不銹鋼制成的冷卻殼體下殼12粘結(jié)，在高溫膠凝固后在其上表面覆蓋高溫灌封膠20，使得凝固后高溫膠完全浸入到高溫灌封膠20中。所述高溫膠是耐1300°C的HR-8787單組分高溫膠，簡稱高溫膠，所述高溫灌封膠20是奧斯邦190高溫灌封膠，簡稱高溫灌封膠。出水護筒18固定多芯接插頭16和多芯線纜19，多芯線纜19具有防水絕緣保護皮，固定在冷卻殼體上殼13上。接收線圈單元10由橫波接收線圈、瑞利波接收線圈和屏蔽板組成，橫波接收線圈由FPCB (柔性印制電路板)制作，瑞利波接收線圈由0.06mm的漆包線繞制60-80圈形成蝶形線圈，屏蔽板由PCB (印制電路板)制作，橫波接收線圈、瑞利波接收線圈和屏蔽板與多芯線纜19中的傳輸線焊接，焊接點用高溫灌封膠20灌封，達到絕緣防水的效果。接收線圈單元10通過多芯線纜19將接收的信號傳遞到前置放大電路單元21。
`[0027]如圖3所示，EMAT傳感器內(nèi)部是水循環(huán)冷卻，水泵29通過水泵引水管27從儲水箱28抽水，經(jīng)過EMAT傳感器進水水管26向EMAT傳感器4加壓注水，水流經(jīng)EMAT傳感器內(nèi)部永磁體23、磁屏蔽殼體22保護的前置放大電路單元21和接受線圈10等工作部件，通過EMAT傳感器出水水管24和EMAT傳感器信號線冷卻水管25將循環(huán)后的水重新注入儲水箱28，這樣就形成一個水循環(huán)回路，同時，EMAT傳感器信號線冷卻水管25在儲水箱28處將EMAT內(nèi)部的信號線纜分離出來，用于向上位工控機6傳輸采集到的數(shù)據(jù)信號。
[0028]如圖4所示，本實用新型系統(tǒng)包括高功率激光發(fā)生器、線性聚焦單元、信號采集單元、EMAT傳感器及上位工控機等。高功率激光發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光通過線性聚焦單元發(fā)射到高溫連鑄坯上，在其上激發(fā)出超聲波；線性聚焦單元采用柱面透鏡，用于將激光聚焦成線性光源；ΕΜΑΤ傳感器含有前置放大電路單元和接收線圈單元，接收線圈單元用于接收缺陷信號，前置放大電路單元用于將缺陷信號放大至信號采集單元可以采集的幅值；信號采集單元用于對放大后的缺陷信號進行濾波、采樣，數(shù)據(jù)預(yù)處理并傳輸數(shù)據(jù)到上位工控機；上位工控機用于對采集到的信號進行數(shù)據(jù)分析處理，識別缺陷。
[0029]經(jīng)透鏡聚焦后的線性光源在高溫連鑄坯激發(fā)出瑞利波、縱波和橫波，能量較強的瑞利波遇缺陷時發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為橫波；接收線圈接收的為波形轉(zhuǎn)換后的橫波，通過電磁感應(yīng)在線圈內(nèi)產(chǎn)生的信號，幅值為幾十微伏；前置放大器將缺陷信號放大1000倍左右，并進行必要的濾波處理。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，它包括EMAT傳感器，其特征是EMAT傳感器包括由金屬制成的冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼，在冷卻殼體下殼底部設(shè)置漏磁窗，在漏磁窗兩側(cè)設(shè)置耐高溫的非金屬材料封閉漏磁窗；在冷卻殼體上殼的頂部設(shè)置進水口，出水口和出水護筒，在出水護筒上方設(shè)置有帶出水口的出水護筒蓋帽；在冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼內(nèi)設(shè)置有前置放大電路單元、接收線圈單元、羰基鐵粉板和永磁體，充注循環(huán)水以維持正常的工作溫度；前置放大電路單元放置于屏蔽磁場殼體內(nèi)，用灌封膠灌封后整體放于永磁體上方，在永磁體下方放置羰基鐵粉板，在羰基鐵粉板下方放置接收線圈單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，其特征是冷卻殼體下殼和冷卻殼體上殼之間用石墨盤根密封，出水護筒蓋帽和出水護筒之間用O型圈密封，冷卻殼體上殼和冷卻殼體下殼用奧氏體不銹鋼加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，其特征是所述非金屬材料是指SiC陶瓷板和SiO2陶瓷板，在漏磁窗外設(shè)置SiC陶瓷板，在漏磁窗和接收線圈單元之間設(shè)置SiO2陶瓷板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，其特征是所述SiO2陶瓷板是指等靜壓燒結(jié)成型的SiO2陶瓷板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，其特征是出水護筒固定多芯接插頭和多芯線纜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式激光-電磁超聲探頭裝置，其特征是接收線圈單元由橫波接收線圈、瑞利波接收線圈和屏蔽板組成。
【文檔編號】G01N29/04GK203465240SQ201320402743
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】劉帥, 宋江峰, 趙揚, 馬健, 郭銳, 孫繼華 申請人:山東省科學(xué)院激光研究所