金屬材料電磁超聲檢測方法PAGEPAGE10引 言超聲技術已經充分確立了其在無損檢測領域中的地位。起初，超聲波的產生主要通過壓電效應實現電能與機械能的轉換，這是產生超聲波的一種有效方法。但它的缺點是，為了使超聲波能順利地進入被檢材料，需要液體做耦合介質。在使用耦合劑時，通常是將被檢材料浸入液體或在材料表面涂抹薄層液體。電磁超聲換能器不需要與被檢材料接觸就可向其中發射和接收超聲波。但是，電磁超聲檢測的對象必須是金屬材料（鐵磁性或非鐵磁性）。電磁超聲換能器的超聲發射器由金屬線圈組成，將其放在金屬材料（鐵磁性或非鐵磁性）表面的穩恒磁場中，利用交變電流來激勵產生超聲波。金屬材料表面根據變壓器原理感應出電流，電流在磁場中受洛倫茲力的作用產生振蕩應力波（在鐵磁性導電材料中有時磁致伸縮力和洛倫茲力共同作用）。在接收超聲波時，導體表面在磁場中振蕩而在線圈中感應出電壓。上述轉換過程都是在材料的電磁趨膚層內進行的。電磁超聲換能器是一種重復性很好的非接觸式超聲波發射和接收系統。金屬材料電磁超聲檢測方法范圍本文件規定了使用電磁超聲換能器（EMAT）進行超聲檢測的原理、設備、檢測技術、一般要求、試樣、檢測方法、結果判定和檢測報告。本文件適用于可由電磁方法產生聲波的所有材料，包括鐵磁性或非鐵磁性金屬材料的厚度測量和表面波檢測，其他波型的檢測也可參照本文件執行。規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T944512604.112604.6GB/T11343無損檢測接觸式超聲斜探頭檢測方法GB/T11344無損檢測接觸式超聲脈沖回波法測厚方法GB/T23904無損檢測超聲表面波檢測方法GB/T23900無損檢測材料超聲速度測量方法GB/T39432無損檢測超聲檢測階梯試塊JB/T10062超聲探傷用探頭性能測試方法術語和定義GB/T12604.1和GB/T12604.6界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1電磁超聲換能器electromagneticacoustictransducer(EMAT)在磁場中進行電能-聲能轉換的電磁裝置。3.2洛倫茲力Lorentzforces電流在磁場中所受的力。洛倫茲力垂直于磁場和電流方向，與電機的原理相同。3.3磁致伸縮力magnetostrictiveforces鐵磁性材料在磁化時，磁疇壁移動產生的力。3.4回折線圈meandercoil周期繞制的不相交且有均勻間距的電磁超聲換能器線圈。3.5扁平（螺旋）線圈pancake(spiral)coil螺旋形繞制的具有均勻間距的電磁超聲換能器線圈。3.6體波bulkwave無損檢測中用來探測體積材料的超聲波，可以是縱波也可以是橫波。原理原理概述EMAT由兩個基本組成部分組成：磁鐵和線圈。磁鐵可以是永久磁鐵或電磁鐵，用于在被檢金屬材料中產生穩恒磁場；線圈中通以期望產生相應頻率超聲的交流電，在被檢金屬材料表面產生交變渦流和磁場。使用EMAT進行超聲檢測的換能機制有三種：渦流與穩恒磁場相互作用引起的洛倫茲力機制；交變磁場與材料磁化相互作用引起的磁化力機制；由壓磁效應引起的磁致伸縮機制。洛倫茲力機制存激發的超聲波由洛倫茲力所致；對于鐵磁材料，EMAT激發的超聲波可以由洛倫茲力、磁化力和磁致伸縮力所致。非鐵磁金屬材料在非鐵磁金屬材料中，聲波是洛倫茲力作用在材料晶格上的結果。根據金屬自由電子理論，原子的外層電子脫離原子晶格的束縛，剩下帶正電的離子處在自由電子云中。如果僅使用線圈在金屬中產生電磁場，則作用在材料晶格上的合力為零，這是因為作用在電子上的力和離子上的力大小相式中：

FL

qvB （1）v——電子的運動速度，單位為米每秒（m/s）；B——穩恒磁感應強度矢量，單位為特斯拉（T）。由于電子具有速度，所以作用在電子上的洛倫茲力很強，這種力通過碰撞作用到晶格的離子上。鐵磁金屬材料在鐵磁金屬材料中，聲波是洛倫茲力、磁化力和磁致伸縮力同時作用在材料晶格上的結果。其中，磁化力較小可以被忽略。這樣在鐵磁材料中，電磁場能改變材料的磁致伸縮系數，進而產生周期變化的磁致伸縮力疊加在洛倫茲力上。磁致伸縮力取決于磁疇的分布，同時也受外加穩恒磁場強度和方向的影響。雖然從理論上分析磁性金屬中的磁致伸縮力較復雜，但這種附加力很有用，與單獨由洛倫茲力產生的信號相比，這種力可大幅提高信號的強度。當強磁場使金屬達到磁飽和以后，洛倫茲力成為產生聲波的唯一原因。磁致伸縮力只在磁場比較弱的時候起主導作用，它比相同場強下由洛倫茲力產生的聲波明顯要強。超聲波模概述在磁鐵和線圈的適當組合下，EMATEMAT縱波EMAT縱波由洛倫茲力機制產生。圖1顯示了金屬中施加的穩恒磁場（B0）方向、線圈中電流（I）方向和所生成的洛倫茲力（FL）方向。要產生縱波，洛倫茲力方向應垂直于金屬表面。與鐵磁金屬中的其他波模相比，縱波的產生效率很低。圖1EMAT縱波的產生橫波橫波由洛倫茲力機制和/2（B0）方向、線圈中電流（I）方向以及所生成的洛倫茲力（FL）方向和磁致伸縮力（Fms）方向。其中，磁致伸縮力只能在鐵磁金屬中生成。要產生橫波，洛倫茲力方向和磁致伸縮力方向均應平行金屬表面。EMAT（SH）又能產生垂直偏振的橫波（SV），這兩種偏振波的3所示。圖2EMAT橫波的產生3水平和垂直偏振橫波表面波一般情況下，表面波的產生與橫波相同，施加的穩恒磁場方向應與導體表面垂直。電磁超聲換能器的頻率取決于回折線圈的折線間距，通過選擇適當頻率，可以激發出純表面波。如果材料的厚度大于聲波波長的五倍，就可以產生表面波。表面波的波長由頻率和波速決定。技術特點優點是非接觸式的，不需要使用耦合劑。可用于動態檢測、遠距離或危險場所的檢測、高溫和表面粗糙材料的檢測。對于復雜形狀物體的掃查速度快。基于電磁超聲波的產生機理，其信號具有很好的可重復性。不需要模式轉換就可產生水平偏振橫波（SH波）SH波進行掃描檢測。注：傳統壓電超聲需要使用環氧樹脂或高粘滯性耦合劑才能產生SH橫波，所以不輕易使用SH波進行檢測。具有利用電方法控制橫波方向的能力。不使用具有潛在污染或危險的化學品，所以是環保的。局限性40dB甚至更多，電-聲轉換效率低。收器以及精確阻抗匹配在系統設計中都是必須的。只能用于鐵磁性或非鐵磁性金屬材料。與壓電換能器一樣有其特定的應用范圍。設備換能器概述EMAT由磁鐵和線圈構成。磁鐵可以是永久磁鐵、直流電磁鐵或脈沖電磁鐵，其作用是在激發超聲波時提供外加穩恒磁場；線圈可以是螺旋線圈（跑道線圈）、回折線圈或蝶形線圈。與壓電超聲檢測相同，EMAT聲束方向也有兩種基本形式：直聲束和斜聲束，兩種聲束形式的換能器如下所述。EMAT激發垂直聲束的方法是采用螺旋線圈（跑道線圈）或蝶形線圈，且外加穩恒磁場的方向4所示。如果磁場沒有平行線圈方向的分量，將激發徑向偏振橫波（4（a）所示）或橫向偏振橫波（如圖4（b）和（c）所示）。如果磁場存在平行線圈方向的分量，將激發小幅度的縱波。這種縱波成分可以通過EMAT設計降低至最小程度。（a）螺旋線圈 （b）跑道線圈 （c）蝶形線圈4EMATEMAT5（2）式中：n——奇整數（無量綱）；——表面波波長，單位為米（m）；L——回折線圈相鄰繞組間距，單位為米（m）。如果回折線圈滿足公式（3）的條件，就會激發出傾斜傳播的體波。（3）式中：——聲波與表面法線的夾角。5EMATEMAT頻率：EMAT20%0.1MHz～10MHz之間。而螺旋線圈由尖脈沖激勵時將產生寬帶頻響。S（g）數可按公式（4）計算：式中：

S(g)S0e

2gD

………………（4）S0——零間隙時的信號強度，單位為分貝（dB）；g——線圈距材料表面的間隙，單位為毫米（mm）；D——線圈導線間距，單位為毫米（mm）。保持最小間隙對于獲得最強信號很重要，可以通過在線圈與被檢工件之間加薄層材料實現，如將高電阻金屬片、陶瓷片或碳纖維增強塑料粘在線圈上作為保護層，使在掃查時耐磨。儀器發射器和接收器EMATEMATEMAT40dB甚至更高，所以前置放大器需要高增益，而噪聲電平和飽和恢復時間在接收器的設計中就成為重要的考慮參數，前置放EMAT數據處理器EMATEMATEMAT檢測儀檢測儀由脈沖發生器、前置放大器（推薦使用）、接收器單元、顯示裝置（如示波器）和阻抗EMATA/D轉換。此外，為了給信號采集提供準確的觸發，需要脈沖發生器/接收器的同步電路。測厚儀AA掃描顯示中的標準基線上讀取零點的初始脈沖和第一次反射回波（背反射）或多次背反射回波測量厚度。除此之外，測厚儀應具有獲取材料溫度并進行溫度校正的功能；還應可監控底面回波幅度，以確保精確測厚所需的信號強度和耦合穩定性。檢測技術表面波技術本文件包含下列三種電磁超聲表面波檢測技術：用脈沖反射或一發一收技術探測表面波的反射；用一發一收技術探測表面波的透過衰減；利用聚焦回折線圈的表面波衍射技術。脈沖回波或一發一收反射波技術該技術與壓電超聲類似，它使用一個（脈沖回波法）或兩個（一發一收反射波法）EMAT，利用接收從缺陷反射回來的表面波檢出缺陷。該技術的優點是簡單，不足是若不仔細設定掃查路徑，很難檢出所有取向的缺陷，以及用于焊縫檢測時，焊縫根部和余高產生的反射會干擾甚至埋沒缺陷信號。當出現這種干擾時，推薦使用下述另外兩種技術中的一種加以避免。一發一收透過波衰減技術6產生相互垂直的窄表面波束。既可以使用雙通道電磁超聲檢測儀，也可以使用單通道檢測儀。當使用單通道時，發射線圈和接收線圈分別串聯連接，并將一對發射接線圈同時連接到一個通道上。衰減技術的一個優點是對所有方向不連續性都敏感，另一優點是能同時在焊6dB衰減，波束必須窄或聚焦。說明：1——電源；2——EMAT脈沖接收單元；3——計算機或示波器；4——無缺陷時信號；5——有缺陷時信號；R——接收線圈；T——發射線圈。6衰減技術衍射技術7發射線圈和接收線圈）或一個脈沖反射與焊縫中心線成一定角度（衍射角度）放置，將焊縫的根部和余高作為鏡面反射體，其反射信號不會被接收線圈接收。使用衍射技術可在很大角度范圍內檢出缺陷。單點衍射或多點衍射取決于缺陷與超聲波長的比值，自然缺陷（如疲勞裂紋）有許多點衍射源的界面，因此利用此技術能（此區域最長可達一個波長它的一個顯著優點是選擇合適的聚焦深度能增大每次掃描的覆蓋范圍。對多數焊縫而言，從焊縫的可靈敏地檢出所有取向的缺陷。說明：1——鏡面反射體（焊縫余高或根部）；2——焊縫中心線；3——不連續性；4——焊縫；5——鏡面反射體；6——焦線重合的EMAT發射接收；7——接收信號；8——發射信號；9——接收線圈檢測到的缺陷波前；10——接收線圈未檢測到的鏡面反射。圖7衍射技術測厚技術鐵磁金屬測厚一般采用螺旋線圈/徑向極化橫波或蝶形線圈/線性極化橫波。非鐵磁金屬測厚一般采用蝶形線圈/和聲波往返穿過材料所用的傳播時間的乘積除以二：（8）可見，儀器只測量超聲脈沖通過金屬的傳輸時間即可。為保證測厚準確性，應在檢測前以及在檢測中定期地確認閘門位置和寬度是否合適。一般要求人員資格GB/T9445或等效標UT技術資格，并經雇主授權。表面準備被檢表面無氧化皮、污物、毛刺、夾渣和濺物，且表面不應有影響檢測結果或損害電磁超聲換能器探頭的異物。檢測時機和范圍應在合同或協議中規定檢測時機和范圍。檢測標準和驗收標準檢測結果的檢測標準應符合合同協議。驗收標準應符合相關標準的規定或在雙方合同中予以規定。試樣檢測對比試樣10倍波長。對比試樣上不應有影響人工缺陷正常指示的缺陷存在。（表面刻槽；表面波檢測對比試樣上的人工缺陷為表面刻槽。人工缺陷一般由電腐蝕設備或機加工設備制作。人工缺陷的尺寸應與執行的檢測標準或驗收標準相一致。人工缺陷位置應足夠遠離試樣邊緣，避免邊緣反射與人工缺陷反射相互干擾。人工缺陷的尺寸可采用光學、復形、機械或其他技術進行測量或校準。測厚校準試樣GB/T23900工程材料中的聲速）中獲得，或者通過經驗估算。不同合金鋼、鋁或其他金屬的聲速差異會使測厚超出精度要求。應慎重選擇校準試塊的材質。用于EMAST測厚的校準試樣應與被測工件材質相同，厚度應在待測量的厚度范圍內。校準試樣至少應包括兩個厚度值，一個在實際被測工件最小厚度值的10%范圍之內，另一個在最大厚度值的10%范圍之內。推薦在最大值與最小值之間再選擇一個厚度值的對比試樣。測厚用鋼階梯試塊的制作參考GB/T39432；其他材料測厚試塊也可參考該文件制作。檢測方法測厚概述測厚最常用的頻率（1.5MHz、2.5MHz、5MHz、7.5MHz）和換能器尺寸（650毫米（應由換能器制造商提供。（A必須使用合適厚度值的校準試樣進行調整。55°C1%20°C460°C8%。多數鋼材高溫測厚修正一般采用厚度的平均值。對于其他材料，必須根據經驗確定其修正值。校驗設備進行校驗。如果測厚儀能夠按材質存儲聲速，則可加載材質執行驗證。如果校驗顯示儀器讀數超出公差范圍，則必須重新校驗。與壓電超聲相同，如果校準試樣上信號的幅度與被檢材料不同，應進行衰減補償。4h當設備或操作者有變化時，應使用對比試樣重新校驗設備。厚度測量1mm~400mm1mm~200mm（如導電性和晶粒度）但并不是唯一適用的技術。在工件的背面進行掃描。表面波檢測EMAT選擇（2所示4.3.4.312線圈是0.0254mm～0.127mm的高分子聚乙烯或鈦作為耐磨層。說明：1——激勵部分；2——接收部分；3——頻率設計（見表2）；4——寬度，尺寸為25.4mm；5——最大焦距，尺寸為38mm；6——角度為19.416°；7——負載，長度為152mm（圖中未按比例繪制）；8——負載，寬1.27mm，導體間距1.27mm。12典型電磁超聲換能器聚焦線圈的設計參數表2換能器頻率設計 單位為毫米頻率指裝線圈數（總數）線間距離導體寬度1MHz41.5240.7622MHz80.7620.3813MHz80.5080.2544MHz100.3810.19051MHz2MHz。用于衰減技13所示。單位為毫米13用于衰減技術的典型電磁超聲換能器線圈（表面波技術。在高溫應用時，需設計特殊永磁鐵。用于衰減技術和衍射技術的典型磁鐵尺寸及所產生的磁感應強B1414永久磁鐵

單位為毫米校驗根據所使用的表面波EMAT的頻率，按表1推薦的參數。在對比試樣上選擇相應的刻槽，將EMAT放置在距刻槽100mm處，并使表面波主聲束垂直于線槽。轉動EMAT使刻槽反射回波幅度達到最大，然后將此最大幅度的刻槽反射回波調節到滿屏的80%波高。以此作為基準靈敏度。與壓電超聲相同，如果對比試樣上人工傷信號的幅度與被檢材料不同，應進行衰減補償。當設備或操作者有變化時，應使用對比試樣重新校驗設備。4h或按協議規定對設備校驗一次，以保證電磁超聲換能器系統10%或更多，就應對設備進行調整。檢測在基準靈敏度的基礎上增加2dB～4dB的耦合補償后作為檢測靈敏度。10°～15置于焊縫兩側，超聲檢測儀可是雙通道6.1.1的提離距離保持恒定以避免誤報。結果判定供需雙方應就如何判定和記錄檢測結果達成一致。不符合產品規范或合同要求都應判定為不合格。檢測報告檢測報告中至少應記錄如下信息：使用的儀器；對比試樣的尺寸、人工傷描述和材質；電磁超聲換能器的尺寸、工作頻率、類型；d)掃查方式;e)不連續性指示位置或測量厚度;f)檢測人員和資格等級等。附錄A電磁超聲技術及典型應用（資料性附錄）金屬母材探傷鋼棒電磁超聲換能器可用來檢測鋼棒表面裂縫和折疊。電磁超聲換能器采用脈沖磁場和回折線圈，2MHz表面波沿鋼棒表面周向傳播，能檢出數十微米的裂縫和折疊。電磁超聲換能器使用脈沖磁鐵的目的是利用趨膚效應使磁場集中在鋼棒表面區域。鋼板電磁超聲換能器可用來檢測鋼板內部不連續性。電磁超聲換能器采用永久磁鐵和回折線圈，激發2.5MHz橫波垂直鋼板表面傳播，能有效檢出板材內部的氣孔和夾雜等。焊縫探傷燃料箱焊縫電磁超聲換能器可對空間飛行器外部液體燃料箱的鋁焊縫進行檢測。它作為射線法檢測內部缺陷的補充，可代替傳統滲透法檢測表面開口型缺陷。電磁超聲系統使用多種換能器（表面波和垂直偏振橫波）沿焊縫軸線掃查，可同時實現對焊縫及其兩側區域的表面和內部缺陷的檢測。海上鉆井平臺焊縫波浪的周期沖擊會使平臺承力支架上的焊縫裂紋沿圓周方向擴展。為了確保支架完好，設計出一種電磁超聲系統用于焊縫檢測。電磁超聲傳感器裝在管道爬行器上對焊縫進行自動檢測，超聲波鋼帶對接電阻焊焊縫將單卷鋼帶的端部焊接在一起。在焊接過程中產生的任何缺陷都可能導致鋼帶的斷裂。可設計一種電磁超聲系統，用水平偏