金属材料 电磁超声检测方法

GB/TXXXX—XXXX金属材料电磁超声检测方法本文件规定了使用电磁超声换能器（EMAT）进行超声检测的原理、设备、检测技术、一般要求、试样、检测方法、结果判定和检测报告。本文件适用于可由电磁方法产生声波的所有材料，包括铁磁性或非铁磁性金属材料的厚度测量和表面波检测，其他波型的检测也可参照本文件执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T12604.6无损检测术语涡流检测GB/T11343无损检测接触式超声斜探头检测方法GB/T11344无损检测接触式超声脉冲回波法测厚方法GB/T23904无损检测超声表面波检测方法GB/T23900无损检测材料超声速度测量方法GB/T39432无损检测超声检测阶梯试块JB/T10062超声探伤用探头性能测试方法3术语和定义GB/T12604.1和GB/T12604.6界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1电磁超声换能器electromagneticacoustictransducer(EMAT)在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置。3.2洛伦兹力Lorentzforces电流在磁场中所受的力。洛伦兹力垂直于磁场和电流方向，与电机的原理相同。3.3磁致伸缩力magnetostrictiveforces铁磁性材料在磁化时，磁畴壁移动产生的力。3.4回折线圈meandercoil周期绕制的不相交且有均匀间距的电磁超声换能器线圈。3.5扁平（螺旋）线圈pancake(spiral)coil螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈。3.6体波bulkwave无损检测中用来探测体积材料的超声波，可以是纵波也可以是横波。4原理4GB/TXXXX—XXXX4.1原理概述EMAT由两个基本组成部分组成：磁铁和线圈。磁铁可以是永久磁铁或电磁铁，用于在被检金属材料中产生稳恒磁场；线圈中通以期望产生相应频率超声的交流电，在被检金属材料表面产生交变涡流和磁场。使用EMAT进行超声检测的换能机制有三种：涡流与稳恒磁场相互作用引起的洛伦兹力机制；交变磁场与材料磁化相互作用引起的磁化力机制；由压磁效应引起的磁致伸缩机制。洛伦兹力机制存在于所有金属材料中，而其它两种机制只存在于铁磁金属材料中。因此，对于非磁性金属材料，EMAT激发的超声波由洛伦兹力所致；对于铁磁材料，EMAT激发的超声波可以由洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力所致。4.1.1非铁磁金属材料在非铁磁金属材料中，声波是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果。根据金属自由电子理论，原子的外层电子脱离原子晶格的束缚，剩下带正电的离子处在自由电子云中。如果仅使用线圈在金属中产生电磁场，则作用在材料晶格上的合力为零，这是因为作用在电子上的力和离子上的力大小相等、方向相反。但是，如果线圈的电磁场处于外加稳恒磁场中，作用到晶格上合力就会产生弹性波，此合力就是作用到电子和离子上的洛伦兹力，见公式（1）。式中：v-——电子的运动速度，单位为米每秒（m/s）；-B——稳恒磁感应强度矢量，单位为特斯拉（T）。由于电子具有速度，所以作用在电子上的洛伦兹力很强，这种力通过碰撞作用到晶格的离子上。4.1.2铁磁金属材料在铁磁金属材料中，声波是洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力同时作用在材料晶格上的结果。其中，磁化力较小可以被忽略。这样在铁磁材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在洛伦兹力上。磁致伸缩力取决于磁畴的分布，同时也受外加稳恒磁场强度和方向的影响。虽然从理论上分析磁性金属中的磁致伸缩力较复杂，但这种附加力很有用，与单独由洛伦兹力产生的信号相比，这种力可大幅提高信号的强度。当强磁场使金属达到磁饱和以后，洛伦兹力成为产生声波的唯一原因。磁致伸缩力只在磁场比较弱的时候起主导作用，它比相同场强下由洛伦兹力产生的声波明显要强。4.2超声波模4.2.1概述在磁铁和线圈的适当组合下，EMAT可以产生纵波、横波、表面波和兰姆波。磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定EMAT产生超声波的模式。4.2.2纵波EMAT纵波由洛伦兹力机制产生。图1显示了金属中施加的稳恒磁场（B0）方向、线圈中电流（I）方向和所生成的洛伦兹力（FL）方向。要产生纵波，洛伦兹力方向应垂直于金属表面。与铁磁金属中的其他波模相比，纵波的产生效率很低。5GB/TXXXX—XXXX图1EMAT纵波的产生4.2.3横波EMAT横波由洛伦兹力机制和/或磁致伸缩力机制产生。图2显示了金属中施加的稳恒磁场（B0）方向、线圈中电流（I）方向以及所生成的洛伦兹力（FL）方向和磁致伸缩力（Fms）方向。其中，磁致伸缩力只能在铁磁金属中生成。要产生横波，洛伦兹力方向和磁致伸缩力方向均应平行金属表面。EMAT既能产生水平偏振的横波（SH波）又能产生垂直偏振的横波（SV波这两种偏振波的区别如图3所示。图2EMAT横波的产生图3水平和垂直偏振横波4.2.4表面波一般情况下，表面波的产生与横波相同，施加的稳恒磁场方向应与导体表面垂直。电磁超声换能器的频率取决于回折线圈的折线间距，通过选择适当频率，可以激发出纯表面波。如果材料的厚度大于声波波长的五倍，就可以产生表面波。表面波的波长由频率和波速决定。4.3技术特点GB/TXXXX—XXXX4.3.1优点（1）EMAT是非接触式的，不需要使用耦合剂。（2）可用于动态检测、远距离或危险场所的检测、高温和表面粗糙材料的检测。（3）对于复杂形状物体的扫查速度快。（4）基于电磁超声波的产生机理，其信号具有很好的可重复性。（5）不需要模式转换就可产生水平偏振横波（SH波）并利用SH波进行扫描检测。注：传统压电超声需要使用环氧树脂或高粘滞性耦合剂才能产生SH横波，所以不轻易使用SH波进行检测。（6）具有利用电方法控制横波方向的能力。（7）能高效激发表面波，灵敏检出金属表面、近表面缺陷，因此可用于渗透和磁粉检测虽然有效但不宜使用的场合。（8）不使用具有潜在污染或危险的化学品，所以是环保的。4.3.2局限性（1）与传统压电超声相比，EMAT的插入损失高达40dB甚至更多，电-声转换效率低。（2）EMAT探头设计比压电探头复杂，需要特殊装置发射和接收信号，强发射电流、低噪声接（3）收器以及精确阻抗匹配在系统设计中都是必须的。（4）只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料。（5）与压电换能器一样有其特定的应用范围。5设备5.1换能器5.1.1概述EMAT由磁铁和线圈构成。磁铁可以是永久磁铁、直流电磁铁或脉冲电磁铁，其作用是在激发超声波时提供外加稳恒磁场；线圈可以是螺旋线圈（跑道线圈）、回折线圈或蝶形线圈。与压电超声检测相同，EMAT声束方向也有两种基本形式：直声束和斜声束，两种声束形式的换能器如下所述。5.1.2直声束EMATEMAT激发垂直声束的方法是采用螺旋线圈（跑道线圈）或蝶形线圈，且外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图4所示。如果磁场没有平行线圈方向的分量，将激发径向偏振横波（如图4（a）所示）或横向偏振横波（如图4（b）和（c）所示）。如果磁场存在平行线圈方向的分量，将激发小幅度的纵波。这种纵波成分可以通过EMAT设计降低至最小程度。（a）螺旋线圈（b）跑道线圈图4激发垂直声束的EMAT7GB/TXXXX—XXXX5.1.3斜声束EMATEMAT激发倾斜声束的方法是采用回折线圈，且外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图5所示。当材料表面受到的周期性应力作用时，如果回折线圈满足公式（2）的条件，就会激发出沿材料表面传播的超声表面波。式中：n——奇整数（无量纲）；λ——表面波波长，单位为米（mL——回折线圈相邻绕组间距，单位为米（m）。如果回折线圈满足公式（3）的条件，就会激发出倾斜传播的体波。式中：θ——声波与表面法线的夹角。公式（3）既适用于横波也适用于纵波，可见，回折线圈可用来产生斜声束横波或纵波，而声束的角度可由电磁场的频率控制。由于纵波和横波速度不同，这两种波模都存在一个低的截止频率。选择适当的频率可以激发出纯表面波或纯横波，但不可能激发出纯纵波，因为纵波总有横波成分相伴。图5激发斜声束和表面波的EMAT5.1.3EMAT性能（1）频率：EMAT既可以设计成窄带频响也可以设计成宽带频响。当回折线圈由正弦波串冲激励时，会在中心频率20%范围内产生窄带频响，典型中心频率范围在0.1MHz～10MHz之间。而螺旋线圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响。（2）提离：影响检测信号强度的主要因素时线圈与被检材料的接近程度。信号强度随提离间隙的变化函S（g）数可按公式（4）计算：=S0e-式中：S0——零间隙时的信号强度，单位为分贝（dB）；g——线圈距材料表面的间隙，单位为毫米（mmD——线圈导线间距，单位为毫米（mm）。保持最小间隙对于获得最强信号很重要，可以通过在线圈与被检工件之间加薄层材料实现，如将高电阻金属片、陶瓷片或碳纤维增强塑料粘在线圈上作为保护层，使在扫查时耐磨。5.2仪器GB/TXXXX—XXXX5.2.1发射器和接收器EMAT在电特性上是电感性负载，而压电换能器是电容性负载，因此EMAT在脉冲发射器设计上与压电超声明显不同。此外，与压电超声相比较，EMAT的插入损失高达40dB甚至更高，所以前置放大器需要高增益，而噪声电平和饱和恢复时间在接收器的设计中就成为重要的考虑参数，前置放大器应能承受加到EMAT上的峰值电压，还能足够迅速恢复以便检测缺陷信号。5.2.2数据处理器为EMAT信号处理配置的计算机应具有足够的数据处理能力。计算机带有通用接口板和数据转换板，用来采集和存储EMAT获得的数据和诸如扫查中EMAT位置坐标数据。5.2.3检测仪检测仪由脉冲发生器、前置放大器（推荐使用）、接收器单元、显示装置（如示波器）和阻抗匹配网络等组成。其中，接收器单元由信号处理和数据采集电路组成，用以对EMAT信号进行增益调节、滤波处理和A/D转换。此外，为了给信号采集提供准确的触发，需要脉冲发生器/接收器的同步电路。5.2.4测厚仪具有A扫显示的电磁超声检测仪可进行厚度测量，利用A扫描显示中的标准基线上读取零点的初始脉冲和第一次反射回波（背反射）或多次背反射回波测量厚度。除此之外，测厚仪应具有获取材料温度并进行温度校正的功能；还应可监控底面回波幅度，以确保精确测厚所需的信号强度和耦合稳定性。6检测技术6.1表面波技术本文件包含下列三种电磁超声表面波检测技术：a)用脉冲反射或一发一收技术探测表面波的反射；b)用一发一收技术探测表面波的透过衰减；c)利用聚焦回折线圈的表面波衍射技术。6.1.1脉冲回波或一发一收反射波技术该技术与压电超声类似，它使用一个（脉冲回波法）或两个（一发一收反射波法）EMAT，利用接收从缺陷反射回来的表面波检出缺陷。该技术的优点是简单，不足是若不仔细设定扫查路径，很难检出所有取向的缺陷，以及用于焊缝检测时，焊缝根部和余高产生的反射会干扰甚至埋没缺陷信号。当出现这种干扰时，推荐使用下述另外两种技术中的一种加以避免。6.1.2一发一收透过波衰减技术透过波衰减技术最常见的EMAT排布的应用实例如图6所示，它是通过记录超声信号的衰减来检测缺陷。利用小永磁铁EMAT产生相互垂直的窄表面波束。既可以使用双通道电磁超声检测仪，也可以使用单通道检测仪。当使用单通道时，发射线圈和接收线圈分别串联连接，并将一对发射接收线圈间的距离略微加长，以便从时间上将两个接收信号分开。这种排布允许将两组EMAT线圈同时连接到一个通道上。衰减技术的一个优点是对所有方向不连续性都敏感，另一优点是能同时在焊缝两边进行扫查，且每一边的扫查面都很大。衰减技术的缺点与波束宽度有关：为满足最小6dB衰减，波束必须窄或聚焦。9GB/TXXXX—XXXX图6衰减技术6.1.3衍射技术衍射技术的原理如图7所示。两个焦线重合的EMAT（发射线圈和接收线圈）或一个脉冲反射式EMAT与焊缝中心线成一定角度（衍射角度）放置，将焊缝的根部和余高作为镜面反射体，其反射信号不会被接收线圈接收。使用衍射技术可在很大角度范围内检出缺陷。单点衍射或多点衍射取决于缺陷与超声波长的比值，自然缺陷（如疲劳裂纹）有许多点衍射源的界面，因此利用此技术能有效地检测出几十毫米长的自然缺陷。表面波可被近似聚焦到焦点区（此区域最长可达一个波长它的一个显著优点是选择合适的聚焦深度能增大每次扫描的覆盖范围。对多数焊缝而言，从焊缝的一侧即可完成焊缝一半的扫查。除了平行于入射声束的裂纹，单个EMAT可灵敏地检出所有取向的缺陷。）；GB/TXXXX—XXXX图7衍射技术6.2测厚技术铁磁金属测厚一般采用螺旋线圈/径向极化横波或蝶形线圈/线性极化横波。非铁磁金属测厚一般采用蝶形线圈/线性极化纵波。当利用脉冲回波测量时，金属的厚度（t）是材料中的声速（v）和声波往返穿过材料所用的传播时间（t）的乘积除以二：t=vt/2（8）可见，仪器只测量超声脉冲通过金属的传输时间即可。为保证测厚准确性，应在检测前以及在检测中定期地确认闸门位置和宽度是否合适。7一般要求7.3.1人员资格除非供需双方另有协议要求，实施EMAT检测的人员应取得由相关部门按GB/T9445或等效标准鉴定的UT技术资格，并经雇主授权。7.3.2表面准备被检表面无氧化皮、污物、毛刺、夹渣和溅物，且表面不应有影响检测结果或损害电磁超声换能器探头的异物。7.3.3检测时机和范围应在合同或协议中规定检测时机和范围。7.3.4检测标准和验收标准检测结果的检测标准应符合合同协议。验收标准应符合相关标准的规定或在双方合同中予以规8试样8.1检测对比试样8.1.1用于EMAT检测的设备校验对比试样，应与被检工件具有相同的材质、厚度、表面状况及热处理状态。表面波对比试样的厚度应大于10倍波长。8.1.2对比试样上不应有影响人工缺陷正常指示的缺陷存在。8.1.3纵波检测对比试样上的人工缺陷为平底孔；横波检测对比试样上的人工缺陷为（上、下）表面刻槽；表面波检测对比试样上的人工缺陷为表面刻槽。8.1.4人工缺陷一般由电腐蚀设备或机加工设备制作。人工缺陷的尺寸应与执行的检测标准或验收标准相一致。GB/TXXXX—XXXX8.1.5人工缺陷位置应足够远离试样边缘，避免边缘反射与人工缺陷反射相互干扰。8.1.6人工缺陷的尺寸可采用光学、复形、机械或其他技术进行测量或校准。8.2测厚校准试样8.2.1声速是被测材料物理性能的函数。对于特定材料，声速值可从GB/T23900中表B.1（工程材料中的声速）中获得，或者通过经验估算。不同合金钢、铝或其他金属的声速差异会使测厚超出精度要求。应慎重选择校准试块的材质。8.2.2用于EMAST测厚的校准试样应与被测工件材质相同，厚度应在待测量的厚度范围内。校准试样至少应包括两个厚度值，一个在实际被测工件最小厚度值的10%范围之内，另一个在最大厚度值的10%范围之内。推荐在最大值与最小值之间再选择一个厚度值的对比试样。8.2.3测厚用钢阶梯试块的制作参考GB/T39432；其他材料测厚试块也可参考该文件制作。9检测方法9.1测厚9.1.1概述（1）EMAT测厚最常用的频率（通常为1.5MHz、2.5MHz、5MHz、7.5MHz）和换能器尺寸（范围从6到50毫米）。不同换能器的特性（尺寸、中心频率、带宽、波束轮廓）应由换能器制造商提供。（2）测厚仪的显示（A扫描显示器、仪表或数字显示器）必须使用合适厚度值的校准试样进行调整。（3）在高温下测厚时，可使用具有温度补偿功能的测厚仪；也可通过对高温下的显示厚度读数进行归一化修正：从具有高温的钢材获得的显示厚度读数约为每55°C变化1%。因此，如果在20°C的材质相近的材料上对仪器进行校准，而厚度读数是在表面温度为460°C时测得的，则显示厚度读数应减少8%。多数钢材高温测厚修正一般采用厚度的平均值。对于其他材料，必须根据经验确定其修正值。9.1.2校验（1）在正式检测之前，应利用校准试样对EMAT设备进行校验。如果测厚仪能够按材质存储声速，则可加载材质执行验证。如果校验显示仪器读数超出公差范围，则必须重新校验。（2）与压电超声相同，如果校准试样上信号的幅度与被检材料不同，应进行衰减补偿。（3）使用校准试样对设备进行定期校验，在每次检测前和检测后都应进行校验。在设备连续工作中，至少每隔4h重新校验一次，如果校验显示仪器读数超出公差范围，就应对设备进行调整，并对最近一次校验后检测的所有材料需要重新检测。（4）当设备或操作者有变化时，应使用对比试样重新校验设备。9.1.3厚度测量（1）铁磁金属适用于厚度1mm~400mm；非铁磁性金属适用于厚度1mm~200mm。更厚工件需使用定值的较低频率、较大线圈的EMAT，这取决于材料特性（如导电性和晶粒度）但并不是唯一适用的技术。（2）检查工件的所有表面不能有可能影响材料结果或损坏EMAT的水垢、污垢、毛刺、焊渣、飞溅物。（3）将EMAT置于要材料的工件上，按照预先设定的路径进行扫描。然后用同一EMAT在工件的背面进行扫描。GB/TXXXX—XXXX9.2表面波检测9.2.1EMAT选择和准备（1）选择回折线圈产生表面波。为设定频率（如表2所示），回折线圈的间距参见4.3.4.3。对于焊缝余高，为使表面粗糙度影响最小，各种方法均应选用下限频率。线圈可以是聚焦或不聚焦的，这取决于检测所需的分辨率和灵敏度。图12给出了一个典型的聚焦线圈参数。许多EMAT线圈是通过光蚀在印刷线路上制成的，线圈表面有一层厚度为0.0254mm～0.127mm的高分子聚乙烯或钛作为耐磨层。3——频率设计（见表2）；图12典型电磁超声换能器聚焦线圈的设计参数表2换能器频率设计单位为毫米488（2）衍射技术采用的典型工作频率为1MHz，衰减技术的典型工作频率为2MHz。用于衰减技术的线圈如图13所示。单位为毫米GB/TXXXX—XXXX图13用于衰减技术的典型电磁超声换能器线圈（4）在常温（名义温度低于82℃)应用时，钕铁硼永久磁铁可用于所有的EMAT表面波技术。在高温应用时，需设计特殊永磁铁。用于衰减技术和衍射技术的典型磁铁尺寸及所产生的磁感应强度B的方向如图14所示。永久磁铁因结构紧凑适用于现场检测。如果可行，也可使用脉冲电磁铁或直流电磁铁。9.2.2校验（1）根据所使用的表面波EMAT的频率，按表1推荐的参数。在对比试样上选择相应的刻槽，将EMAT放置在距刻槽100mm处，并使表面波主声束垂直于线槽。转动EMAT使刻槽反射回波幅度达到最大，然后将此最大幅度的刻槽反射回波调节到满屏的80%波高。以此作为基准灵敏度。（2）与压电超声相同，如果对比试样上人工伤信号的幅度与被检材料不同，应进行衰减补偿。（3）当设备或操作者有变化时，应使用对比试样重新校验设备。（4）在检测过程中，应每运行4h或按协议规定对设备校验一次，以保证电磁超声换能器系统的准确性。不论何时，只要信号与初次校验时相差10%或更多，就应对设备进行调整。9.2.3检测（1）在基准灵敏度的基础上增加2dB～4dB的耦合补偿后作为检测灵敏度。（2）扫查一般沿被检工作表面两个垂直方向进行，且探头呈10°~15°转动。手动检测的扫查速度不宜超过150mm/s。（3）检测时，为确保表面波声束能扫查到工件的整个被检区域，注意扫查覆盖区应包含每次探头扫查路径所覆盖的部分。（4）采用一发一收衰减技术检测焊缝时，两个EMAT置于焊缝两侧，超声检测仪可是双通道GB/TXXXX—XXXX的，也可是单通道仪器，应符合6.1.1规定。采用衍射技术检测焊缝时，由于焊缝余高和根部信号形成绕射是检测不到的，因此使检出焊缝所有方向的表面缺陷成为可能，且探测不到焊缝余高的反射信号。EMAT的提离距离保持恒定以避免误报。10结果判定供需双方应就如何判定和记录检测结果达成一致。不符合产品规范或合同要求都应判定为不合格。11检测报告检测报告中至少应记录如下信息：a)使用的仪器；b)对比试样的尺寸、人工伤描述和材质；c)电磁超声换能器的尺寸、工作频率、类型；d)扫查方式;e)不连续性指示位置或测量厚度;f)检测人员和资格等级等。GB/TXXXX—XXXX电磁超声技术及典型应用（资料性附录）A.1金属母材探伤电磁超声换能器可用来检测钢棒表面裂缝和折叠。电磁超声换能器采用脉冲磁场和回折线圈，激发2MHz表面波沿钢棒表面周向传播，能检出数十微米的裂缝和折叠。电磁超声换能器使用脉冲磁铁的目的是利用趋肤效应使磁场集中在钢棒表面区域。A.1.2钢板电磁超声换能器可用来检测钢板内部不连续性。电磁超声换能器采用永久磁铁和回折线圈，激发2.5MHz横波垂直钢板表面传播，能有效检出板材内部的气孔和夹杂等。A.2焊缝探伤A.2.1燃料箱焊缝电磁超声换能器可对空间飞行器外部液体燃料箱的铝焊缝进行检测。它作为射线法检测内部缺陷的补充，可代替传统渗透法检测表面开口型缺陷。电磁超声系统使用多种换能器（表面波和垂直偏振横波）沿焊缝轴线扫查，可同时实现对焊缝及其两侧区域的表面和内部缺陷的检测。A.2.2海上钻井平台焊缝波浪的周期冲击会使平台承力支架上的焊缝裂纹沿圆周方向扩展。为了确保支架完好，设计出一种电磁超声系统用于焊缝检测。电磁超声传感器装在管道爬行器上对焊缝进行自动检测，超声波的辐射主要集中在裂纹扩展比较严重的焊缝根部和余高区域。该系统由计算机控制扫描、数据采集、显示和结果记录。A.2.3钢带对接电阻焊焊缝为了使冷轧钢带生产过程保持连续，在冷轧前采用电阻焊（ER）将单卷钢带的端部焊接在一起。在焊接过程中产生的任何缺陷都可能导致钢带的断裂。可设计一种电磁超