電磁超聲技術(shù)及其在焊縫無損檢測(cè)中的應(yīng)用

張軒睿

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西西安 710000

近年來，超高溫和超低溫的檢測(cè)環(huán)境越來越多，并且各行各業(yè)對(duì)于非接觸檢測(cè)渴求也大大增加，EMAT是眾多超聲檢測(cè)方法之一，這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)越來越受到各國(guó)研究人員的重視。該技術(shù)使用超聲波來測(cè)量材料的參數(shù)，或者檢測(cè)材料的缺陷。傳統(tǒng)的接收器則是利用壓電晶片的壓電效應(yīng)來發(fā)射超聲波，它和其他超聲方法不同的是，電磁超聲接收器是利用電磁場(chǎng)發(fā)射超聲波。

1 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)原理

當(dāng)金屬導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中，在導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流，與此同時(shí)因?yàn)槁鍌惼澚Φ淖饔?，金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波的頻率在超聲波范圍內(nèi)就是超聲波[1]。因?yàn)檫@個(gè)效應(yīng)呈現(xiàn)出可逆的特性，所以也可以用這個(gè)裝置進(jìn)行接受并且放大顯示，研究人員將其稱為電磁超聲。電磁超聲檢測(cè)裝置主要有高頻線圈、外加磁場(chǎng)、工件三部分組成，通過洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)來激發(fā)電磁超聲。高頻線圈通過高頻的激勵(lì)電流時(shí)，就會(huì)使工件表面形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)受到洛倫茲力的作用激發(fā)出電磁超聲。

1.2 電磁超聲測(cè)厚

電磁超聲測(cè)厚是EMAT檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的一項(xiàng)重要性能?？梢酝ㄟ^檢測(cè)超聲波在試件中的傳播延遲來計(jì)算測(cè)試片的厚度。傳統(tǒng)的壓電探針的厚度測(cè)量精度容易受到耦合介質(zhì)的影響，因此EMAT在這方面尤為獨(dú)特。EMAT厚度測(cè)量的關(guān)鍵是純波模、窄波束、窄脈沖(但振幅足夠大)，消除了工件電、磁、聲特性變化對(duì)測(cè)量的影響。由于EMAT采用橫向入射的橫波，其縱向分辨率是壓電換能器的兩倍。在這方面的典型應(yīng)用是無縫鋼管的檢測(cè)。在冶金工業(yè)中，無縫鋼管由鋼錠制成。因此，鋼管壁厚的對(duì)稱性是評(píng)價(jià)鋼管質(zhì)量的重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的方法是用尺測(cè)量鋼管的頭部和尾部的長(zhǎng)度和尺寸。由于中間部分的數(shù)量是未知的，產(chǎn)品的質(zhì)量不能得到很好的把握。利用電磁超聲技術(shù)，通過測(cè)量鋼管各部位的壁厚，就可以了解管壁厚度的均勻性，為保證產(chǎn)品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠的檢測(cè)方法。

1.3 金屬探傷

行業(yè)內(nèi)所謂的無損檢測(cè)中，有一個(gè)很重要的組成部分便是金屬探傷。電磁超聲技術(shù)依靠缺陷回波和目標(biāo)底部來檢測(cè)缺陷在目標(biāo)中的位置和大小。利用電磁超聲的原理，對(duì)傳輸工件（導(dǎo)體）中的超聲波進(jìn)行激勵(lì)，使超聲波在工件中傳輸。當(dāng)遇到具有不同聲阻抗的東西時(shí)，它會(huì)反射。渦流線圈用于接收反射波。通過測(cè)量其在工件中的傳播時(shí)間，可以計(jì)算出被測(cè)物體的厚度和缺陷的近似位置。在國(guó)內(nèi)，北京鋼鐵研究所的張廣春是第一個(gè)開始使用電磁超聲檢測(cè)金屬缺陷的人。它們通過發(fā)射機(jī)發(fā)射高功率脈沖，產(chǎn)生蘭姆波以檢測(cè)厚度為18毫米的鋼板中的缺陷，并且發(fā)射功率大于50千瓦。為了確保死區(qū)消除，該技術(shù)使用兩個(gè)線圈同時(shí)檢測(cè)。航空航天工業(yè)公司第二研究所研制開發(fā)了熱鋼板在線自動(dòng)電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電磁超聲傳感器激發(fā)鋼板中的體波，并對(duì)鋼板上的幾十個(gè)探頭進(jìn)行檢測(cè)。低于500攝氏度的鋼板可以在線測(cè)試，以確定缺陷的類型、尺寸和位置，并且板的厚度可以測(cè)量到40毫米高。

2 電磁超聲特點(diǎn)

2.1 電磁超聲檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)

RMAT檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如它是一種非接觸方式的檢測(cè)，不需要偶聯(lián)劑，能夠穿透涂層等。EMAT的能量轉(zhuǎn)換直接在工件表面進(jìn)行。因此，表面層可以被認(rèn)為是壓電晶片，并且由于表面層是工件的表面層，所以由EMAT產(chǎn)生的超聲不需要任何耦合介質(zhì)[2]。電磁超聲產(chǎn)生的波形多種多樣，適合于表面缺陷的檢測(cè)。在檢測(cè)過程中，如果可以滿足一定的激勵(lì)條件時(shí)，EMAT可以產(chǎn)生表面波、SH波和蘭姆波。如果將激勵(lì)電信號(hào)的頻率改變?yōu)闈M足某一公式，則聲波可以以任何輻射角斜向工件內(nèi)部輻射。同時(shí)，如果其它條件保持不變，只要電信號(hào)的頻率改變，聲音的輻射角就可以改變，這是EMAT的另一個(gè)特征。電磁超聲對(duì)傳統(tǒng)超聲的最大優(yōu)點(diǎn)之一是它的非接觸特性。空間中受熱體的溫度場(chǎng)呈指數(shù)衰減。當(dāng)探針從試件表面抬起時(shí)，探頭的環(huán)境溫度顯著降低。因此，電磁超聲可用于高溫管道檢測(cè)。EMAT檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)速度非?？?，傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)的速度，大多是在每分鐘十米左右，但EMAT能超過每分鐘四十米[3]。除此之外，聲波可以傳播得很遠(yuǎn)，超聲波可以在鋼管或鋼棒傳播在工件周圍幾個(gè)星期EMAT激勵(lì)。當(dāng)探頭與工件不轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，就可以對(duì)具有縱向的缺陷的鋼管或鋼棒進(jìn)行檢測(cè)，所以相比較其他而言，探傷裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的。

2.2 電磁超聲檢測(cè)缺點(diǎn)

與其他檢測(cè)技術(shù)相比，電磁超聲法也存在著一定的局限性。這種方法的換能傳輸效率要明顯低于傳統(tǒng)的壓電換能器，不過研究人員能夠依靠精心的設(shè)計(jì)和制造電子發(fā)射機(jī)接收器和傳感器來彌補(bǔ)這一缺陷。另一方面，在電磁超聲裝置中，高頻線圈與工件之間的間隙不可以太大。如果線圈與工件表面之間的距離增大，那么聲信號(hào)的幅度會(huì)減小，從而不可避免地影響檢測(cè)的精度。

3 結(jié)語

電磁超聲技術(shù)是近年來在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種最新研發(fā)的超聲無損害的檢測(cè)技術(shù)。這篇文章介紹了EMAT的工作原理及其和傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)技術(shù)相比較存在的優(yōu)缺點(diǎn)。EMAT傳感技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)相結(jié)合，適用于厚度小于1～12mm的厚板和管件的焊接檢測(cè)。對(duì)于相對(duì)厚度大于12mm的材料，電磁超聲斜入射體波檢測(cè)可以取得良好的成效。總而言之，EMAT技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了超聲檢測(cè)的使用范圍。電磁超聲（EMU）成為非接觸檢測(cè)、快速高效的檢測(cè)、超高溫環(huán)境和水平波檢測(cè)的一種重要的技術(shù)手段。