电磁超声技术及其在焊縫无损检测中的应用

张轩睿

西安三环科技开发总公司 陕西西安 710000

近年来，超高温和超低温的检测环境越来越多，并且各行各业对于非接触检测渴求也大大增加，EMAT是众多超声检测方法之一，这项技术的研发越来越受到各国研究人员的重视。该技术使用超声波来测量材料的参数，或者检测材料的缺陷。传统的接收器则是利用压电晶片的压电效应来发射超声波，它和其他超声方法不同的是，电磁超声接收器是利用电磁场发射超声波。

1 电磁超声检测技术介绍

1.1 技术原理

当金属导体处于交变磁场中，在导体内部会产生涡流，与此同时因为洛伦兹力的作用，金属介质在交变应力的作用下将会产生应力波，应力波的频率在超声波范围内就是超声波[1]。因为这个效应呈现出可逆的特性，所以也可以用这个装置进行接受并且放大显示，研究人员将其称为电磁超声。电磁超声检测装置主要有高频线圈、外加磁场、工件三部分组成，通过洛伦兹力效应和磁致伸缩效应来激发电磁超声。高频线圈通过高频的激励电流时，就会使工件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用激发出电磁超声。

1.2 电磁超声测厚

电磁超声测厚是EMAT检测技术在工业应用中的一项重要性能。可以通过检测超声波在试件中的传播延迟来计算测试片的厚度。传统的压电探针的厚度测量精度容易受到耦合介质的影响，因此EMAT在这方面尤为独特。EMAT厚度测量的关键是纯波模、窄波束、窄脉冲(但振幅足够大)，消除了工件电、磁、声特性变化对测量的影响。由于EMAT采用横向入射的横波，其纵向分辨率是压电换能器的两倍。在这方面的典型应用是无缝钢管的检测。在冶金工业中，无缝钢管由钢锭制成。因此，钢管壁厚的对称性是评价钢管质量的重要标志。传统的方法是用尺测量钢管的头部和尾部的长度和尺寸。由于中间部分的数量是未知的，产品的质量不能得到很好的把握。利用电磁超声技术，通过测量钢管各部位的壁厚，就可以了解管壁厚度的均匀性，为保证产品达到标准提供了可靠的检测方法。

1.3 金属探伤

行业内所谓的无损检测中，有一个很重要的组成部分便是金属探伤。电磁超声技术依靠缺陷回波和目标底部来检测缺陷在目标中的位置和大小。利用电磁超声的原理，对传输工件（导体）中的超声波进行激励，使超声波在工件中传输。当遇到具有不同声阻抗的东西时，它会反射。涡流线圈用于接收反射波。通过测量其在工件中的传播时间，可以计算出被测物体的厚度和缺陷的近似位置。在国内，北京钢铁研究所的张广春是第一个开始使用电磁超声检测金属缺陷的人。它们通过发射机发射高功率脉冲，产生兰姆波以检测厚度为18毫米的钢板中的缺陷，并且发射功率大于50千瓦。为了确保死区消除，该技术使用两个线圈同时检测。航空航天工业公司第二研究所研制开发了热钢板在线自动电磁超声检测系统。该系统利用电磁超声传感器激发钢板中的体波，并对钢板上的几十个探头进行检测。低于500摄氏度的钢板可以在线测试，以确定缺陷的类型、尺寸和位置，并且板的厚度可以测量到40毫米高。

2 电磁超声特点

2.1 电磁超声检测优点

RMAT检测技术具有其独特的优点，如它是一种非接触方式的检测，不需要偶联剂，能够穿透涂层等。EMAT的能量转换直接在工件表面进行。因此，表面层可以被认为是压电晶片，并且由于表面层是工件的表面层，所以由EMAT产生的超声不需要任何耦合介质[2]。电磁超声产生的波形多种多样，适合于表面缺陷的检测。在检测过程中，如果可以满足一定的激励条件时，EMAT可以产生表面波、SH波和兰姆波。如果将激励电信号的频率改变为满足某一公式，则声波可以以任何辐射角斜向工件内部辐射。同时，如果其它条件保持不变，只要电信号的频率改变，声音的辐射角就可以改变，这是EMAT的另一个特征。电磁超声对传统超声的最大优点之一是它的非接触特性。空间中受热体的温度场呈指数衰减。当探针从试件表面抬起时，探头的环境温度显著降低。因此，电磁超声可用于高温管道检测。EMAT检测技术的检测速度非常快，传统的压电超声检测的速度，大多是在每分钟十米左右，但EMAT能超过每分钟四十米[3]。除此之外，声波可以传播得很远，超声波可以在钢管或钢棒传播在工件周围几个星期EMAT激励。当探头与工件不转动的时候，就可以对具有纵向的缺陷的钢管或钢棒进行检测，所以相比较其他而言，探伤装置的机械结构是比较简单的。

2.2 电磁超声检测缺点

与其他检测技术相比，电磁超声法也存在着一定的局限性。这种方法的换能传输效率要明显低于传统的压电换能器，不过研究人员能够依靠精心的设计和制造电子发射机接收器和传感器来弥补这一缺陷。另一方面，在电磁超声装置中，高频线圈与工件之间的间隙不可以太大。如果线圈与工件表面之间的距离增大，那么声信号的幅度会减小，从而不可避免地影响检测的精度。

3 结语

电磁超声技术是近年来在工业生产中广泛应用的一种最新研发的超声无损害的检测技术。这篇文章介绍了EMAT的工作原理及其和传统的压电超声检测技术相比较存在的优缺点。EMAT传感技术和超声导波技术相结合，适用于厚度小于1～12mm的厚板和管件的焊接检测。对于相对厚度大于12mm的材料，电磁超声斜入射体波检测可以取得良好的成效。总而言之，EMAT技术的发展扩大了超声检测的使用范围。电磁超声（EMU）成为非接触检测、快速高效的检测、超高温环境和水平波检测的一种重要的技术手段。