基于電磁超聲（EMA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬探傷的應(yīng)用淺析

楊劍

【摘 要】 電磁超聲（Electromagnetic Acoustic，以下簡(jiǎn)稱EMA）是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，該技術(shù)利用電磁耦合方法激勵(lì)和接受超聲波。與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)相比，它具有非接觸、無(wú)需耦合劑、不受材料形狀及表面粗糙度限制以及容易激發(fā)各種超聲波形等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、腐蝕和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的金屬材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 電磁超聲 ?金屬探傷 ?工業(yè)應(yīng)用

1 電磁超聲工作機(jī)理

超聲波是頻率高于20KHz的機(jī)械波，由于超聲波頻率高、波長(zhǎng)短，具有良好的方向性和穿透能力，且其聲能量很大，利用這些固有特殊性可以來實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)量和無(wú)損檢測(cè)。

從產(chǎn)生機(jī)理看，通有交變電流的線圈放置在非鐵磁性材料金屬物體附近，線圈將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，金屬表面相當(dāng)于一個(gè)整體導(dǎo)電回路，因此金屬表面將感應(yīng)出電流，即渦流。如在同一時(shí)間施加一穩(wěn)定磁場(chǎng)，與渦流相互作用后產(chǎn)生交變洛倫磁力。金屬原子在交變洛倫磁力作用下產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，振動(dòng)以一定方式傳播出去就產(chǎn)生了超聲波。

由于此效應(yīng)呈現(xiàn)可逆性，反回聲壓使質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在磁場(chǎng)作用下也會(huì)使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，因此可以通過接收裝置進(jìn)行接收并放大顯示。用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。通過改變外加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小和方向、高頻電流的大小和頻率、線圈的形狀和尺寸可以控制EMA產(chǎn)生超聲的類型、強(qiáng)弱、頻率及傳播方向等參數(shù)。

當(dāng)被測(cè)試件是鐵磁性材料時(shí)，產(chǎn)生電磁超聲的有兩種效應(yīng)，洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。本文所述是利用洛倫茲力效應(yīng)產(chǎn)生電磁超聲;同樣，強(qiáng)大的脈沖電流會(huì)向外輻射一個(gè)脈沖磁場(chǎng)，脈沖磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)的復(fù)合作用會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮力的作用也會(huì)產(chǎn)生不同波形的電磁超聲[1]。洛倫茲力和磁致伸縮力兩種效應(yīng)具體是哪種在起著主要作用，主要是由外加磁場(chǎng)的大小、激勵(lì)電流的頻率決定。

電磁超聲技術(shù)通過觀察缺陷的回波與物體底面的回波來確定物體中缺陷的位置和大小。如圖1所示，超聲波在被測(cè)物體中傳播，當(dāng)遇到聲阻抗不同的物體時(shí)發(fā)生反射，利用渦流線圈來接收這個(gè)反射波，通過計(jì)量此超聲波在物體中的傳播時(shí)間，就可以計(jì)算出被測(cè)物體的厚度值及缺陷所在位置。圖中前兩個(gè)尖峰表示缺陷回波，第3個(gè)尖峰表示被測(cè)物體底面回波。

2 電磁超聲原理實(shí)現(xiàn)金屬探傷的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)超聲，電磁超聲技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：①無(wú)需耦合劑。源于電磁超聲產(chǎn)生機(jī)理，檢測(cè)過程中的能量轉(zhuǎn)換在被測(cè)工件的表面進(jìn)行，因此無(wú)需耦合劑。②產(chǎn)生的波模多樣。電磁超聲換能器（EMAT）的不同線圈結(jié)構(gòu)與永磁鐵的不同組合，會(huì)產(chǎn)生不同模態(tài)的波，甚至改變激勵(lì)信號(hào)頻率也會(huì)產(chǎn)生不同模態(tài)的。從而可在不變更換能器的情況下實(shí)現(xiàn)波形模式的自由選擇[2]。③適合高溫檢測(cè)。電磁超聲由于其非接觸性，探頭適合檢測(cè)高溫金屬。④對(duì)被探工件表面質(zhì)量要求不高。對(duì)被探工件表面不要求特殊清理，較粗糙表面也可直接探傷。⑤檢測(cè)速度快。傳統(tǒng)的壓電超聲的檢測(cè)速度，一般都在10米/分鐘左右，而EMA可達(dá)到40米/分鐘，甚至更快。⑥發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強(qiáng)EMA技術(shù)對(duì)于鋼管表面存在的折疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)。

缺點(diǎn)方面：①被測(cè)試件的材料選擇有一定的局限性。只能對(duì)金屬或是鐵磁性材料進(jìn)行探傷檢測(cè)。②對(duì)周圍環(huán)境的噪聲較為敏感。③轉(zhuǎn)換效率低，換能效率比壓電式換能器低20-40dB，回波信號(hào)幅值小。④輻射模式較寬，能量不集中，分辨率較低。

3 電磁超聲探傷設(shè)備研究現(xiàn)狀

電磁超聲檢測(cè)目前在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于鋼棒、鋼板、鋼管等的全自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)以及火車車輪踏面表面及近表面探傷、應(yīng)力測(cè)量等諸多領(lǐng)域[2]。美、德、英、日等國(guó)先后成功研制出采用電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化探傷與測(cè)厚系統(tǒng)，使電磁超聲檢測(cè)進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段，加拿大RD公司出品的具有多種檢測(cè)功能的OmniScan全能檢測(cè)儀，可以用于帶防腐層焊縫檢測(cè)、深度測(cè)量以及其他各種在役金屬構(gòu)件的檢測(cè)。美國(guó)物理聲學(xué)公司基于電磁超聲檢測(cè)技術(shù)而開發(fā)的LSI自動(dòng)化探傷系統(tǒng)，可通過計(jì)算機(jī)或手動(dòng)遙控器控制機(jī)器人攀爬壓力容器、鍋爐、儲(chǔ)罐、管道與船體等大型結(jié)構(gòu)，機(jī)器人攜帶的電磁超聲檢測(cè)部件進(jìn)行超聲測(cè)厚、腐蝕、探傷及焊縫檢測(cè)等作業(yè)[3]。

國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究起步時(shí)間較晚，目前已取得一定成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)剛鐵等人基于HSD4型超聲采集卡，開發(fā)出一套開放式的超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，清華大學(xué)黃松嶺研制出基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測(cè)系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王淑娟等人將電磁超聲檢測(cè)技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)癖诠艿廊毕葸M(jìn)行有效檢測(cè)。

近年來，EMA技術(shù)研究重點(diǎn)集中在裝置優(yōu)化和回波信號(hào)降噪等方面，精確的換能器設(shè)計(jì)、靈活的波模產(chǎn)生方式，使得對(duì)金屬材料無(wú)損檢測(cè)和缺陷評(píng)估具有全面性和可靠性，是當(dāng)前技術(shù)研究重點(diǎn)。未來EMA技術(shù)將向著對(duì)缺陷自動(dòng)分類、智能識(shí)別和對(duì)工件壽命科學(xué)評(píng)估的方向發(fā)展，檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、分辨率等性能也將隨著工業(yè)設(shè)備的檢測(cè)要求而逐漸完善。

4 結(jié)語(yǔ)

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)利用洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)在被檢材料中激發(fā)和接收超聲波，進(jìn)而通過測(cè)量缺陷的回波信號(hào)來確定物體中缺陷的位置。這一檢測(cè)技術(shù)，以其無(wú)接觸、無(wú)耦合、可移動(dòng)、適合高溫腐蝕環(huán)境下檢測(cè)等眾多優(yōu)勢(shì)必將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]任吉林，林俊明.電磁無(wú)損檢測(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]李振才.電磁超聲（EMA）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.無(wú)損探傷，2006，Vol.30 No.6.

[3]夏志敏，康宜華，武新軍.電磁超聲檢測(cè)技術(shù)初探.華中科技大學(xué)，2007.