電磁超聲檢測

電磁超聲檢測 

“電磁超聲檢測”也稱為“渦流—聲檢測”(英文縮寫EMAT)，是一項新的檢測手段，它屬於非接觸超聲檢測，可方便地在被檢測工作中激發出各種形式的超聲波，實時有效地檢測金屬的表麵及內部缺陷，而且電磁超聲對各種不同鋼材的導磁率比較敏感，以及對鋼材組織比晶粒度更敏感的特點可用於鋼材分選。

1. 電磁超聲檢測技術已經廣泛應用於各種鍛件、鋼棒、鋼板、鋼管(包括無縫鋼管、石油大管、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檢查、火車車輪踏 麵及軋輥的表麵及近表麵探傷等眾多領域，特別是可以用在高溫狀態下金屬坯料的非接觸在線自動化超聲檢測(如軋鋼生產線上的在線高溫自動化超聲檢測)，這是 “電磁超聲檢測”擁有的特殊優勢。

2. 電磁超聲檢測還可用於金屬監察結構的膠接質量(例如未粘合、分層等)以及導電層壓製品或例如硼纖維或石墨纖維增強的複合材料，金屬複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械阻抗變化為依據的。

3. EMAT的能量置換是在工件表麵層內直接進行，可以將工件表麵層看成是壓電晶片，因此 EMAT所產生的聲場波就不需要任何耦合介質，探頭可以不與被 檢測的試件接觸就可向其發射和接收超聲波，對被探測工件的表麵不需要特殊清理，對較粗糙的表麵也可直接進行檢測，因此對粗糙黑皮表麵特別是對於高溫探傷十分有利。

EMAT在檢測的過程中，在滿足一定的激發條件時，能夠激發出表麵波、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/2Lsinθ(n為任意整數)，式中：C為聲速、f為電信號的頻率；L為1/2波長，則超聲波以傾斜角θ向工件內側斜輻射(但其幅度也隨之下降)，變即在其它不變的下，改變電信號的頻率就可以改變超聲波的輻射角θ，從而可以在不變更換能器的情況下，實現超聲波模式的自由選擇，靈活產生各種波形，可適當選擇磁場和渦流的不同方向組合產生不同形式的超聲縱波和超聲橫波用於各種要求的探傷。

EMAT也是利用它所激發的超聲波按一般的反射法檢測，其主要特點還包括檢測速度快(手動探傷速度可達5米/分，自動化檢測速度最高可達到鋼板30米/分鍾、鋼管40米/分鍾)超聲波傳播距離遠，(在鋼管或鋼棒中激發的超聲波可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時，探頭與工件都不用旋轉，使得檢測設備的機械結構相對簡單，所用通道與探頭的數量少，例如在板材的自動化超聲波檢測時，壓電換在型超聲波檢測設備要進行板麵的探傷需要幾十甚至上百個通道及探頭，而EMAT隻需要四個通道及相應數量探頭就可以了)，以及調整操作簡便、可靠性高等，適合實施在線自動化檢測，發展前景非常廣闊。

EMAT的缺點是檢測對象必須是導電介質(以便建立渦流場)，需要有參考標準作為評定依據，而且其方法的實施還受到試件幾何形狀與尺寸等的限製，還必須指出該方法的檢測靈敏度和常規的超聲檢測相比是相對較低的，因此使其推廣應用受到了限製。

2.電磁超聲檢測技術依據的物理基礎

電磁超聲檢測技術激勵超聲波的原理基於電動力學法，我們通常稱之為渦流—聲或者電磁—超聲法：將通有高頻脈衝電流的激磁線圈置於導電金屬表麵上，線圈產生的交變磁場作用於在金屬表麵層內感應出頻率相同、方向相反的渦流 –它是由運動著的帶電質點的，此渦流與同時施加在試件上的另一處加恒定磁場(如永久磁鐵或直流電磁鐵)相互作用，則金屬中的帶電質點在磁場中流動時受到垂直於磁場方向和質點運動方向的力—洛侖茲(Lorentz)力的作用而發生位移，使渦流進入的體積元發生振動，從而激發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)可以同時激發出縱波與橫波，其與通往交變電流的頻率相同，改變高頻脈衝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致質點在恒定磁場中振動，就會產生感應電流，使配置在導電工件表麵上的檢測線圈中有感應電勢產生，即可作為接收信號，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、放大並顯示，達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。

如圖la所示，在磁鐵極靴之間旋轉激勵線圈(線圈繞組閉合在表麵以外的無磁場空間)，在它的繞組中電流都是同向的，磁鐵所產生的磁感應強度 B平行於表麵，作用在渦流因子g的體積元上的F垂直向下，因此在線圈繞組平麵之下的現有將發射出縱波以。

在圖1b中，線圈旋轉在極靴之下，因而在垂直於表麵的磁場中產生了渦流，這時的作用力平行於表麵，因而產生了垂直穿透表麵的橫波。這時線圈繞組也同樣必須在表麵以外的無磁場空間閉合。如果激勵線圈排列得足夠緊，則在上述任一情況下才能產生具有通常方向圖形的超聲波束。

具體的電磁----聲換能器結構如圖2所示：利用直流線圈和鐵芯產生外加恒磁場，利用激磁線圈在導電體中產生渦流，利用檢測線圈產生的感應電勢作為接收信號。這種結構的換能器將在導電工件中激發出超聲波用於檢測。

3.電磁超聲檢測設備的基本構成

實際應用中的電磁超聲檢測設備基本由三部分(簡稱EMAT三要素)組成：

(1) 用於產生高頻激發磁場的高頻線圈；

(2) 用來提供上加磁場的磁鐵，它可以是戶外磁鐵或直流電磁鐵，也可以是交流電磁鐵或脈衝電磁鐵；

(3) 作為檢測對象的工件，它是EMAT的一部分。工件的材質必須具有導電性或鐵磁性，或導電性和鐵磁性都具有。

EMAT作為一種超聲發生器，它的基本原理是圍繞著EMAT三要素展開的。

實際應用的電磁超聲探傷設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，動態範圍不小於30 dB。

(2) 高壓發射器：采用7.5KV高壓直流供電，發射電流峰值可達400~450A，發射由閘流管和電容器組成電容放大係統，發射線圈和電感電容組成調諧係統，能產生很高的電壓峰值波形。

(3) 探頭：直流電磁鐵或永久磁鐵產生恒定磁場作為外磁場。探頭係統中裝有三級放大的寬頻帶前置放大器、發射和接收用的屏蔽電纜。發射線圈(多考慮低電阻、大電流)和接收線圈(傾向多匝數有利於提高靈敏度)，周圍有金屬框架保護。線圈的外形尺寸(長、寬)、繞製匝數、繞製方式都對靈敏度有較大影響，對於不同的磁極頭、線圈尺寸有最佳值。探頭表麵有保護膜以防止破碎氧化皮進入探頭中，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。

電磁超聲探傷設備種類已經有管體電磁超聲探傷設備、管端電磁超聲探傷設備、鋼質無縫氣瓶電磁超聲探傷設備、板材電磁超聲探傷設備、在線高頻焊管焊縫電磁超聲探傷設備、高頻焊管電磁超聲探傷設備、管材電磁超聲探傷設備等。

電磁超聲探傷設備的動態靈敏度可達Φ2mm平底孔當量，能夠采用鋼管直線前進—探頭原地跟蹤檢測、鋼管螺旋前進—探頭原地跟蹤檢測、鋼管原地旋轉—探頭直線移動跟蹤檢測鋼板直線前進—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、夾雜、內裂等自然缺陷、鋼板上，下表麵及內部的各種缺陷(包括重皮、折疊、孔洞、夾層等)以及鋼管(包括焊縫)內外表麵及內部的各種縱向缺陷，包括重皮、孔洞、未焊透等自然缺陷。滿足管材、板材相關標準要求。檢測靈敏度最高可精確到鋼管壁厚5%的人工凹槽。適用於碳素鋼、低合金鋼、合金結構鋼等軋製與調質狀態的管線管高中壓鍋爐管、液體管、液壓支柱管、氣瓶、油套管等。