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电磁超声(EMA)技术的发展与应用
发布时间：2017-09-01
1电磁超声(EMA)技术在国内外的发展
无损检测技术的发展已历经一个世纪,其重要性在全世界已得到公认。作为无损检测技术的一支新军,EMA技术也越来越受到人们的青睐,它代表了超声检测的发展方向(无耦合),这一点在2000年第15届世界无损检测会议上得到了充分肯定。EMA技术在国际上是从60年代末开始崛起的,70年代中后期开始迅速发展,英、美、俄、德、日都相继进行了声波的EMA理论与实验,从而大大扩展了EMA技术革新的应用范围,70年代末西德Hosch钢厂研制出高分辨率的用于中厚板内部探伤及螺旋弹簧内部探伤的仪器设备,与此同时德国无损检测研究所也成功地研制并转产了火车轮动态EMA探伤装置。而80年代初,英国、日本也先后研制成功了高温EMA探伤及测厚装置,进入21世纪,经过了近50年的不懈努力,EMA技术已逐步进入了工业应用阶段。其应用领域从最初的中厚板、火车轮检测及高温测厚,发展到焊缝检测、钢棒检测、钢管检测、铁路钢轨检测、复合材料检测等众多领域。
我国EMA技术的研究,始于70年代。主要代表是冶金钢铁研究总院张广纯教授等,经过30几年的深入研究与不断完善,从理论研究的水平看,与国际的EMA技术研究基本同步,而在实际应用方面的某些领域,与国外尚存在一定差距。但在钢管管体及管端的自动化探伤方面我们则走在了国际前列。
2EMA技术的基本原理和主要特点
EMA与传统的压电超声同属于超声范畴,其本质区别就在于换能器不同,即发射接收方式不同,压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超声波的,其能量转换是在晶片上进行的。而EMAT则是靠电磁效应发射和接收超声波的。其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的,所以它不需要任何耦合介质。由此可见,要了解EMA技术,首先就要掌握EMAT的基本原理。EMAT的物理结构如图1所示由三部分组成。
高频线圈:用于产生高频激发磁场。磁铁:用来提供外加磁场,可以是永久磁铁或直流电磁铁,也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁。工件:检测对象,是EMAT的一部分。(简称EMAT三要素)但工件的材质必须具有导电性或铁磁性,或导电性和铁磁性都具有。EMAT作为一种超声发生器,其基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时,它要在工件的趋肤层内产生涡流(或感应磁场,相当于电动机的转子)此涡流在外加磁场(相当于电机定子磁场)的作用下,会像电动机那样受到机械力作用而产生高频振动,形成超声波波源。接收超声波时,如同发电机转子在定子磁场中旋转,会在转子中产生感应电流一样,工件表面的振荡也会在外加磁场力的作用下,在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。因此,存在于上述机制中的这些相互作用就构成了检测全过程。图2给出了激发EMAT的各种机制(力)以及它们的方向。
j-导体中的电流;B-外加磁场产生的激励磁场;Fm-磁性力(铁磁体);Fms-磁致伸缩力(铁磁体);FL-洛仑兹力(电导体)
EMAT可激发出所有超声波波形。与传统超声波技术一样,材料的种类、可能产生的缺陷位置以及缺陷方向,决定了声束方向和振动波形的选择。但实际应用中,EMAT技术较之传统压电超声技术具有明显优势以及一系列压电超声所无法取代的特点:
(1)无需任何耦合剂
EMAT的能量转换,是在工件表面的趋肤层内直接进行的。因而可将趋肤层看成是压电晶片,由于趋肤层是工件的表面层,所以EMAT所产生的超声波就不需要任何耦合介质。
(2)灵活地产生各类波形
EMAT在检测的过程中,在满足一定的激发条件时,则会产生表面波、SH波和Lamb波。如改变激励电信号频率使之满足下式要求:f=nC/2Lsinθ(n为任意整数)
式中C―声速f―电信号频率L―1/2波长
则声波便以倾斜角θ向工件内倾斜幅射(但其幅度也随之下降),即在其它条件不变的前提下,只要改变电信号频率,就可以改变声的幅射角θ,这是EMAT的又一特点。由于这一特点的存在,可以在不变更换能器的情况下,实现波模的自由选择。
(3)对被探工件表面质量要求不高
EMAT不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。因此对被探工件表面不要求特殊清理,较粗糙表面也可直接探伤。
(4)检测速度快
传统的压电超声的检测速度,一般都在10米/分钟左右(国产设备),而EMAT可达到40米/分钟,甚至更快。
(5)声波传播距离远
EMAT在钢管或钢棒中激发的超声波,可绕工件传播几周甚至十几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时,探头与工件都不用旋转,使探伤设备的机械结构相对简单。
(6)所用通道与探头的数量少
在实现同样功能的前提下,EMA探伤设备所选用的通道数和探头数都少于压电超声。特别在板材EMA探伤设备上就更为明显,压电超声要进行板面的探伤需要几十个通道及探头,而EMA则只需要四个通道及相应数量的探头就可以了。
(7)发现自然缺陷的能力强
用户反馈回来的信息就足以证明了这种说法的可信度,EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。
3EMA技术在工业生产中的成功应用
我国的无损检测事业虽然发展很快,应用范围也越来越广,但由于各种探伤手段都有其局限性,到目前为止,仍有许多领域缺少可靠的探伤手段(如中厚板、火车轮、大口径钢管等),许多难点得不到解决(如钢管表面的法纹、内外折叠、重皮等),众多用户急需可靠的检测设备来保证产品的最终质量,正是基于上述考虑,营口市北方检测设备有限公司从1995年开始就与北京钢铁研究总院合作为鞍钢无缝钢管厂设计制造了一套大口径无缝钢管EMA探伤设备,并于1997年通过了省级科技成果鉴定。又经过近8年的不懈努力,该公司陆续开发出系列化EMA探伤设备,并成功地应用在全国几大钢管厂,使EMA技术真正进入了工业应用阶段。到目前为止,开发的EMA产品主要有:钢管管体EMA探伤设备、高频焊管焊缝在线EMA探伤设备、管端EMA探伤设备、板材EMA探伤设备。随着对电磁超声探伤设备进行不断地改进,其性能更加完善,确实在保证产品质量的关键环节上发挥着不可替代的作用,得到了用户的一致肯定。
摘自：中国计量测控网
