2024金属材料电磁超声检测方法

金属材料电磁超声检测方法PAGEPAGE10引 言超声技术已经充分确立了其在无损检测领域中的地位。起初，超声波的产生主要通过压电效应实现电能与机械能的转换，这是产生超声波的一种有效方法。但它的缺点是，为了使超声波能顺利地进入被检材料，需要液体做耦合介质。在使用耦合剂时，通常是将被检材料浸入液体或在材料表面涂抹薄层液体。电磁超声换能器不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波。但是，电磁超声检测的对象必须是金属材料（铁磁性或非铁磁性）。电磁超声换能器的超声发射器由金属线圈组成，将其放在金属材料（铁磁性或非铁磁性）表面的稳恒磁场中，利用交变电流来激励产生超声波。金属材料表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛伦兹力的作用产生振荡应力波（在铁磁性导电材料中有时磁致伸缩力和洛伦兹力共同作用）。在接收超声波时，导体表面在磁场中振荡而在线圈中感应出电压。上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的。电磁超声换能器是一种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统。金属材料电磁超声检测方法范围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。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/T944512604.112604.6GB/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。原理原理概述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。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式中：

FL

qvB （1）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。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。超声波模概述在磁铁和线圈的适当组合下，EMATEMAT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。图1EMAT纵波的产生横波横波由洛伦兹力机制和/2（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（SH）又能产生垂直偏振的横波（SV），这两种偏振波的3所示。图2EMAT横波的产生3水平和垂直偏振横波表面波一般情况下，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。技术特点优点是非接触式的，不需要使用耦合剂。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。对于复杂形状物体的扫查速度快。基于电磁超声波的产生机理，其信号具有很好的可重复性。不需要模式转换就可产生水平偏振横波（SH波）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。具有利用电方法控制横波方向的能力。不使用具有潜在污染或危险的化学品，所以是环保的。局限性40dB甚至更多，电-声转换效率低。收器以及精确阻抗匹配在系统设计中都是必须的。只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料。与压电换能器一样有其特定的应用范围。设备换能器概述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。EMAT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（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 （c）蝶形线圈4EMATEMAT5（2）式中：n——奇整数（无量纲）；——表面波波长，单位为米（m）；L——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。（3）式中：——声波与表面法线的夹角。5EMATEMAT频率：EMAT20%0.1MHz～10MHz之间。而螺旋线圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响。S（g）数可按公式（4）计算：式中：

S(g)S0e

2gD

………………（4）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（mm）；D——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。仪器发射器和接收器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EMAT数据处理器EMATEMATEMAT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EMATA/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。测厚仪AA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。检测技术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：用脉冲反射或一发一收技术探测表面波的反射；用一发一收技术探测表面波的透过衰减；利用聚焦回折线圈的表面波衍射技术。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。一发一收透过波衰减技术6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6dB衰减，波束必须窄或聚焦。说明：1——电源；2——EMAT脉冲接收单元；3——计算机或示波器；4——无缺陷时信号；5——有缺陷时信号；R——接收线圈；T——发射线圈。6衰减技术衍射技术7发射线圈和接收线圈）或一个脉冲反射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（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，从焊缝的可灵敏地检出所有取向的缺陷。说明：1——镜面反射体（焊缝余高或根部）；2——焊缝中心线；3——不连续性；4——焊缝；5——镜面反射体；6——焦线重合的EMAT发射接收；7——接收信号；8——发射信号；9——接收线圈检测到的缺陷波前；10——接收线圈未检测到的镜面反射。图7衍射技术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/和声波往返穿过材料所用的传播时间的乘积除以二：（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。一般要求人员资格GB/T9445或等效标UT技术资格，并经雇主授权。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。检测时机和范围应在合同或协议中规定检测时机和范围。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定。试样检测对比试样10倍波长。对比试样上不应有影响人工缺陷正常指示的缺陷存在。（表面刻槽；表面波检测对比试样上的人工缺陷为表面刻槽。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。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。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。测厚校准试样GB/T23900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。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。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。检测方法测厚概述测厚最常用的频率（1.5MHz、2.5MHz、5MHz、7.5MHz）和换能器尺寸（650毫米（应由换能器制造商提供。（A必须使用合适厚度值的校准试样进行调整。55°C1%20°C460°C8%。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。校验设备进行校验。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。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。4h当设备或操作者有变化时，应使用对比试样重新校验设备。厚度测量1mm~400mm1mm~200mm（如导电性和晶粒度）但并不是唯一适用的技术。在工件的背面进行扫描。表面波检测EMAT选择（2所示4.3.4.312线圈是0.0254mm～0.127mm的高分子聚乙烯或钛作为耐磨层。说明：1——激励部分；2——接收部分；3——频率设计（见表2）；4——宽度，尺寸为25.4mm；5——最大焦距，尺寸为38mm；6——角度为19.416°；7——负载，长度为152mm（图中未按比例绘制）；8——负载，宽1.27mm，导体间距1.27mm。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 单位为毫米频率指装线圈数（总数）线间距离导体宽度1MHz41.5240.7622MHz80.7620.3813MHz80.5080.2544MHz100.3810.19051MHz2MHz。用于衰减技13所示。单位为毫米13用于衰减技术的典型电磁超声换能器线圈（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B1414永久磁铁

单位为毫米校验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。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。当设备或操作者有变化时，应使用对比试样重新校验设备。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10%或更多，就应对设备进行调整。检测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。10°～15置于焊缝两侧，超声检测仪可是双通道6.1.1的提离距离保持恒定以避免误报。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。检测报告检测报告中至少应记录如下信息：使用的仪器；对比试样的尺寸、人工伤描述和材质；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。附录A电磁超声技术及典型应用（资料性附录）金属母材探伤钢棒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，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。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。焊缝探伤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。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，超声波钢带对接电阻焊焊缝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。可设计一种电磁超声系统，用水平偏