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電磁超聲(EMA)技術的發展與應用
發布時間：2017-09-01
1電磁超聲(EMA)技術在國內外的發展
無損檢測技術的發展已歷經一個世紀,其重要性在全世界已得到公認。作為無損檢測技術的一支新軍,EMA技術也越來越受到人們的青睞,它代表了超聲檢測的發展方向(無耦合),這一點在2000年第15屆世界無損檢測會議上得到了充分肯定。EMA技術在國際上是從60年代末開始崛起的,70年代中后期開始迅速發展,英、美、俄、德、日都相繼進行了聲波的EMA理論與實驗,從而大大擴展了EMA技術革新的應用范圍,70年代末西德Hosch鋼廠研制出高分辨率的用于中厚板內部探傷及螺旋彈簧內部探傷的儀器設備,與此同時德國無損檢測研究所也成功地研制并轉產了火車輪動態EMA探傷裝置。而80年代初,英國、日本也先后研制成功了高溫EMA探傷及測厚裝置,進入21世紀,經過了近50年的不懈努力,EMA技術已逐步進入了工業應用階段。其應用領域從最初的中厚板、火車輪檢測及高溫測厚,發展到焊縫檢測、鋼棒檢測、鋼管檢測、鐵路鋼軌檢測、復合材料檢測等眾多領域。
我國EMA技術的研究,始于70年代。主要代表是冶金鋼鐵研究總院張廣純教授等,經過30幾年的深入研究與不斷完善,從理論研究的水平看,與國際的EMA技術研究基本同步,而在實際應用方面的某些領域,與國外尚存在一定差距。但在鋼管管體及管端的自動化探傷方面我們則走在了國際前列。
2EMA技術的基本原理和主要特點
EMA與傳統的壓電超聲同屬于超聲范疇,其本質區別就在于換能器不同,即發射接收方式不同,壓電超聲換能器是靠壓電晶片的壓電效應發射和接收超聲波的,其能量轉換是在晶片上進行的。而EMAT則是靠電磁效應發射和接收超聲波的。其能量轉換則是在被測工件表面的趨膚層內直接進行的,所以它不需要任何耦合介質。由此可見,要了解EMA技術,首先就要掌握EMAT的基本原理。EMAT的物理結構如圖1所示由三部分組成。
高頻線圈:用于產生高頻激發磁場。磁鐵:用來提供外加磁場,可以是永久磁鐵或直流電磁鐵,也可以是交流電磁鐵或脈沖電磁鐵。工件:檢測對象,是EMAT的一部分。(簡稱EMAT三要素)但工件的材質必須具有導電性或鐵磁性,或導電性和鐵磁性都具有。EMAT作為一種超聲發生器,其基本原理是圍繞著EMAT三要素展開的。當置于工件表面上的高頻線圈通過高頻電流時,它要在工件的趨膚層內產生渦流(或感應磁場,相當于電動機的轉子)此渦流在外加磁場(相當于電機定子磁場)的作用下,會像電動機那樣受到機械力作用而產生高頻振動,形成超聲波波源。接收超聲波時,如同發電機轉子在定子磁場中旋轉,會在轉子中產生感應電流一樣,工件表面的振蕩也會在外加磁場力的作用下,在高頻線圈中感應出電壓而被儀器接收。因此,存在于上述機制中的這些相互作用就構成了檢測全過程。圖2給出了激發EMAT的各種機制(力)以及它們的方向。
j-導體中的電流;B-外加磁場產生的激勵磁場;Fm-磁性力(鐵磁體);Fms-磁致伸縮力(鐵磁體);FL-洛侖茲力(電導體)
EMAT可激發出所有超聲波波形。與傳統超聲波技術一樣,材料的種類、可能產生的缺陷位置以及缺陷方向,決定了聲束方向和振動波形的選擇。但實際應用中,EMAT技術較之傳統壓電超聲技術具有明顯優勢以及一系列壓電超聲所無法取代的特點:
(1)無需任何耦合劑
EMAT的能量轉換,是在工件表面的趨膚層內直接進行的。因而可將趨膚層看成是壓電晶片,由于趨膚層是工件的表面層,所以EMAT所產生的超聲波就不需要任何耦合介質。
(2)靈活地產生各類波形
EMAT在檢測的過程中,在滿足一定的激發條件時,則會產生表面波、SH波和Lamb波。如改變激勵電信號頻率使之滿足下式要求:f=nC/2Lsinθ(n為任意整數)
式中C―聲速f―電信號頻率L―1/2波長
則聲波便以傾斜角θ向工件內傾斜幅射(但其幅度也隨之下降),即在其它條件不變的前提下,只要改變電信號頻率,就可以改變聲的幅射角θ,這是EMAT的又一特點。由于這一特點的存在,可以在不變更換能器的情況下,實現波模的自由選擇。
(3)對被探工件表面質量要求不高
EMAT不需要與聲波在其中傳播的材料接觸,就可向其發射和接收返回的超聲波。因此對被探工件表面不要求特殊清理,較粗糙表面也可直接探傷。
(4)檢測速度快
傳統的壓電超聲的檢測速度,一般都在10米/分鐘左右(國產設備),而EMAT可達到40米/分鐘,甚至更快。
(5)聲波傳播距離遠
EMAT在鋼管或鋼棒中激發的超聲波,可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時,探頭與工件都不用旋轉,使探傷設備的機械結構相對簡單。
(6)所用通道與探頭的數量少
在實現同樣功能的前提下,EMA探傷設備所選用的通道數和探頭數都少于壓電超聲。特別在板材EMA探傷設備上就更為明顯,壓電超聲要進行板面的探傷需要幾十個通道及探頭,而EMA則只需要四個通道及相應數量的探頭就可以了。
(7)發現自然缺陷的能力強
用戶反饋回來的信息就足以證明了這種說法的可信度,EMAT對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確發現。
3EMA技術在工業生產中的成功應用
我國的無損檢測事業雖然發展很快,應用范圍也越來越廣,但由于各種探傷手段都有其局限性,到目前為止,仍有許多領域缺少可靠的探傷手段(如中厚板、火車輪、大口徑鋼管等),許多難點得不到解決(如鋼管表面的法紋、內外折疊、重皮等),眾多用戶急需可靠的檢測設備來保證產品的最終質量,正是基于上述考慮,營口市北方檢測設備有限公司從1995年開始就與北京鋼鐵研究總院合作為鞍鋼無縫鋼管廠設計制造了一套大口徑無縫鋼管EMA探傷設備,并于1997年通過了省級科技成果鑒定。又經過近8年的不懈努力,該公司陸續開發出系列化EMA探傷設備,并成功地應用在全國幾大鋼管廠,使EMA技術真正進入了工業應用階段。到目前為止,開發的EMA產品主要有:鋼管管體EMA探傷設備、高頻焊管焊縫在線EMA探傷設備、管端EMA探傷設備、板材EMA探傷設備。隨著對電磁超聲探傷設備進行不斷地改進,其性能更加完善,確實在保證產品質量的關鍵環節上發揮著不可替代的作用,得到了用戶的一致肯定。
摘自：中國計量測控網
