無損檢測新技術(shù)-電磁超聲檢測技術(shù)簡介

1、無損檢測新技術(shù)-電磁超聲檢測技術(shù)簡介夏紀(jì)真廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)恒生花園14梯701 郵編：511442摘要：本文簡單介紹了電磁超聲檢測技術(shù)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用范圍。 關(guān)鍵詞：無損檢測 超聲檢測 電磁超聲1 綜述電磁超聲檢測技術(shù)也稱為渦流-聲檢測（英文縮寫EMAT），是近年來國際上快速發(fā)展的一項(xiàng)新的檢測手段，也是超聲檢測發(fā)展的前沿技術(shù)之一，它屬于非接觸超聲檢測，采用數(shù)字技術(shù)，可方便地在被檢測工件中激發(fā)出各種型式的超聲波，能實(shí)時有效地檢測金屬的表面及內(nèi)部缺陷，而且電磁超聲對各種不同鋼材的導(dǎo)磁率比較敏感，以及對鋼材組織比晶粒度更敏感的特點(diǎn)用于鋼材分選。因此電磁超聲檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種鍛件

2、、鋼棒、鋼板、鋼管（包括無縫鋼管、石油套管、焊管等）的手動、半自動和全自動無損檢測以及火車輪的動態(tài)檢查、火車車輪踏面及軋輥的表面及近表面探傷等眾多領(lǐng)域，特別是可以用在高溫狀態(tài)下金屬坯料的非接觸在線自動化超聲檢測（如軋鋼生產(chǎn)線上的在線高溫自動化超聲檢測），這是電磁-超聲法所擁有的特殊優(yōu)勢，目前常用的壓電換能器是無法承擔(dān)這樣的檢測任務(wù)的。電磁超聲檢測還可用于金屬蜂窩結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量（例如未粘合、分層等）以及導(dǎo)電層壓制品或例如硼纖維或石墨纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，金屬復(fù)合板等的未粘合等缺陷的檢測，這主要是利用試件振動時的機(jī)械阻抗變化為依據(jù)的。EMAT的能量轉(zhuǎn)換是在工件表面層內(nèi)直接進(jìn)行，可以將工件表面層看成是

3、壓電晶片，因此EMAT所產(chǎn)生的超聲波就不需要任何耦合介質(zhì)，探頭可以不與被檢測的試件接觸就可向其發(fā)射和接收超聲波，對被探測工件的表面不需要特殊清理，對較粗糙的表面也可直接進(jìn)行檢測，因此對粗糙黑皮表面特別是對于高溫探傷十分有利。EMAT在檢測的過程中，在滿足一定的激發(fā)條件時，能夠激發(fā)出表面波、SH波和Lamb波。如果改變激勵電信號頻率使之滿足下式要求：f=nC/2Lsin（n為任意整數(shù)），式中：C為聲速；f為電信號的頻率；L為1/2波長，則超聲波能以傾斜角向工件內(nèi)側(cè)斜輻射（但其幅度也隨之下降），亦即在其它條件不變的前題下，改變電信號的頻率就可以改變超聲波的輻射角，從而可以在不變更換能器的情況下，實(shí)

4、現(xiàn)超聲波模式的自由選擇，靈活產(chǎn)生各種波型，可適當(dāng)選擇磁場和渦流的不同方向組合產(chǎn)生不同形式的超聲縱波和超聲橫波用于各種要求的探傷。EMAT也是利用它所激發(fā)的超聲波按一般的反射法檢測，其主要特點(diǎn)還包括檢測速度快（手動探傷速度可達(dá)5米/分，自動化檢測速度最高可達(dá)到鋼板30米/分鐘、鋼管40米/分鐘），超聲波傳播距離遠(yuǎn)（在鋼管或鋼棒中激發(fā)的超聲波可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進(jìn)行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時，探頭與工件都不用旋轉(zhuǎn)，使得檢測設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，所用通道與探頭的數(shù)量少，例如在板材的自動化超聲波檢測時，壓電換能器型超聲波檢測設(shè)備要進(jìn)行板面的探傷需要幾十甚至上百個通道及探頭，而EMAT只需要

5、四個通道及相應(yīng)數(shù)量探頭就可以了），以及調(diào)整操作簡便、可靠性高等，適合實(shí)施在線自動化檢測，發(fā)展前景非常廣闊。EMAT的缺點(diǎn)是檢測對象必須是導(dǎo)電介質(zhì)（以便建立渦流場），需要有參考標(biāo)準(zhǔn)作為評定依據(jù)，而且其方法的實(shí)施還受到試件幾何形狀與尺寸等的限制，還必須指出該方法的檢測靈敏度和常規(guī)的超聲檢測相比是相對較低的，因此使其推廣應(yīng)用受到了限制。2 電磁超聲檢測技術(shù)依據(jù)的物理基礎(chǔ)電磁超聲檢測技術(shù)激勵超聲波的原理基于電動力學(xué)法，我們通常稱之為渦流-聲或者電磁-超聲法：將通有高頻脈沖電流的激磁線圈置于導(dǎo)電金屬表面上，線圈產(chǎn)生的交變磁場作用于金屬并在金屬表面層內(nèi)感應(yīng)出頻率相同、方向相反的渦流-它是由運(yùn)動著的帶電質(zhì)點(diǎn)

6、組成的，此渦流與同時施加在試件上的另一外加恒定磁場（如永久磁鐵或直流電磁鐵）相互作用，則金屬中的帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中流動時受到垂直于磁場方向和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向的力-洛侖茲（Lorentz）力的作用而發(fā)生位移，使渦流進(jìn)入的體積元發(fā)生振動，從而激發(fā)出與渦流頻率相同的超聲波，形成了超聲波波源，視作用力的分力方向（水平分量與垂直分量）可以同時激發(fā)出縱波與橫波，其頻率與通入交變電流的頻率相同，改變高頻脈沖電流的頻率即可改變電磁超聲波的頻率。這種方法又稱重疊磁場法。接收超聲波是上述過程的逆過程，即工件中的超聲反射回波導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)在恒定磁場中振動，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使配置在導(dǎo)電工件表面上的檢測線圈中有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，即可

7、作為接收信號，其頻率與接收到的超聲波有相同的頻率，其大小則隨磁場的增大而增加。接收信號被儀器接收、放大并顯示，達(dá)到檢測金屬材料中有無缺陷的目的，同樣可以按壓電超聲檢測的方法判定缺陷的大小、性質(zhì)。如圖1a所示，在磁鐵極靴之間放置激勵線圈（線圈繞組閉合在表面以外的無磁場空間），在它的繞組中電流都是同向的，磁鐵所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B平行于表面，作用在渦流因子g的體積元上的力F垂直向下，因此在線圈繞組平面之下的表面將發(fā)射出縱波。圖1電磁超聲激發(fā)原理在圖1b中，線圈放置在極靴之下，因而在垂直于表面的磁場中產(chǎn)生了渦流，這時的作用力平行于表面，因而產(chǎn)生了垂直穿透表面的橫波。這里線圈繞組也同樣必須在表面以外的無

8、磁場空間閉合。如果激勵線圈排列得足夠緊，則在上述任一情況下都能產(chǎn)生具有通常方向圖形的超聲波束。圖2電磁-聲換能器結(jié)構(gòu)具體的電磁-聲換能器結(jié)構(gòu)如圖2所示：利用直流線圈和鐵芯產(chǎn)生外加恒磁場，利用激磁線圈在導(dǎo)電體中產(chǎn)生渦流，利用檢測線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢作為接收信號。這種結(jié)構(gòu)的換能器將在導(dǎo)電工件中激發(fā)出超聲波用于檢測。3 電磁超聲檢測設(shè)備的基本構(gòu)成實(shí)際應(yīng)用中的電磁超聲檢測設(shè)備基本由三部分（簡稱EMAT三要素）組成：（1）用于產(chǎn)生高頻激發(fā)磁場的高頻線圈；（2）用來提供外加磁場的磁鐵，它可以是永久磁鐵或直流電磁鐵，也可以是交流電磁鐵或脈沖電磁鐵；（3）作為檢測對象的工件，它是EMAT的一部分。工件的材質(zhì)必須

9、具有導(dǎo)電性或鐵磁性，或?qū)щ娦院丸F磁性都具有。EMAT作為一種超聲發(fā)生器，它的基本原理是圍繞著EMAT三要素展開的。實(shí)際應(yīng)用的電磁超聲探傷設(shè)備的主要組成部分包括：1大功率探傷儀：同步、放大、顯示，主放大器增益100dB，動態(tài)范圍不小于30dB。2高壓發(fā)射器：采用7.5KV高壓直流供電，發(fā)射電流峰值可達(dá)400450A，發(fā)射由閘流管和電容器組成電容放大系統(tǒng)，發(fā)射線圈和電感電容組成調(diào)諧系統(tǒng)，能產(chǎn)生很高的電壓峰值波形。3探頭：直流電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生恒定磁場作為外磁場。探頭系統(tǒng)中裝有三級放大的寬頻帶前置放大器、發(fā)射和接收用的屏蔽電纜。發(fā)射線圈（多考慮低電阻、大電流）和接收線圈（傾向多匝數(shù)有利于提高靈敏度

10、），周圍有金屬框架保護(hù)。線圈的外形尺寸（長、寬）、繞制匝數(shù)、繞制方式都對靈敏度有較大影響，對于不同的磁極頭，線圈尺寸有最佳值。探頭表面有保護(hù)膜以防止破碎氧化皮進(jìn)入探頭中，減少雜亂噪聲。圖3示出典型的電磁超聲探傷儀的基本原理方框圖。圖3典型的電磁超聲探傷儀的基本原理方框圖目前國產(chǎn)的電磁超聲探傷設(shè)備種類已經(jīng)有管體電磁超聲探傷設(shè)備、管端電磁超聲探傷設(shè)備、鋼質(zhì)無縫氣瓶電磁超聲探傷設(shè)備、板材電磁超聲探傷設(shè)備、在線高頻焊管焊縫電磁超聲探傷設(shè)備、高頻焊管電磁超聲探傷設(shè)備、管材電磁超聲探傷設(shè)備等。目前國產(chǎn)的電磁超聲探傷設(shè)備的動態(tài)靈敏度可達(dá)2mm平底孔當(dāng)量，能夠采用鋼管直線前進(jìn)-探頭原地跟蹤檢測、鋼管螺旋前進(jìn)-探頭原地跟蹤檢測、鋼管原地旋轉(zhuǎn)-探頭直線移動跟蹤檢測、鋼板直線前進(jìn)-探頭原地跟蹤檢測等多種掃查方式，可有效的檢出黑皮鋼材中如縮管、白點(diǎn)、夾雜、內(nèi)裂等自然缺陷，鋼板上、下表面