金屬材料電磁超聲檢測方法第3部分：利用電磁超聲換能器技術進行超聲表面檢測的方法中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局IGB/T20935《金屬材料電磁超聲檢測方法》分為以下3個部分：——第1部分：電磁超聲換能器指南；——第2部分：利用電磁超聲換能器技術進行超聲檢測的方法；——第3部分：利用電磁超聲換能器技術進行超聲表面檢測的方法。本部分為GB/T20935的第3部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本部分代替GB/T20935.3—2009《金屬材料電磁超聲檢驗方法第3部分：利用電磁超聲換能器技術進行超聲表面檢測的方法》,與GB/T20935.3—2009相比主要技術變化如下：——將范圍中條目進行了合并，刪除了原標準“1.6本部分以國際單位作為標準單位”和“1.7本部分不論述與使用有關的安全問題。使用者有責任在使用前制定有益安全和健康的規(guī)程，并確定其適用范圍?！?見第1章，2009年版1.6和1.7);——將8.4中“釹鐵硼永久磁鐵可用于所有的電磁超聲換能器表面波技術”修改為“在常溫(名義溫度低于82℃)應用時，釹鐵硼永久磁鐵可用于所有的電磁超聲換能器表面波技術。在高溫應版8.4);——將“與壓電超聲相同，工件的表面粗糙度對于衰減影響很大。使用電磁超聲換能器時提離(間隙)的變化就可能導致誤報，而壓電超聲技術采用衰減方法時，由于使用耦合劑，提離不會造成信號幅度的變化”修改為“壓電超聲技術中，表面粗糙度對衰減影響很大。在使用電磁超聲換能器技術時，提離距離變化會導致誤報。然而，如果所有的傳感器在檢測時均保持同樣的提離，使用耦合衰減補償方式的壓電超聲技術，就能使信號水平保持穩(wěn)定。”(見10.3.3,2009年版10.2.7);——在檢測方法中增加了一般要求內(nèi)容(見10.1);——增加了“并應對最近一次靈敏度校準后檢測的所有材料重新檢測”(見10.1.4);——增加了“實際上，焊縫余高和根部信號由于形成繞射是檢測不到的，就像鏡面反射體將信號反射開一樣。這就使對焊縫進行線性掃查并檢出所有方向的表面不連續(xù)性成為可能，且探測不到焊縫余高的反射信號?！?見10.4.2,2009年版10.3.5)。本部分由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出。本部分由全國鋼標準化技術委員會(SAC/TC183)歸口。本部分起草單位：鋼鐵研究總院、鋼研納克檢測技術有限公司、冶金工業(yè)信息標準研究院。本部分所代替標準的歷次版本發(fā)布情況為：1金屬材料電磁超聲檢測方法第3部分：利用電磁超聲換能器技術進行超聲表面檢測的方法GB/T20935的本部分給出了利用電磁超聲換能器(EMAT)技術檢測材料表面開口不連續(xù)性(如：本部分適用于產(chǎn)品生產(chǎn)過程的檢測、最終產(chǎn)品的檢測和修復的檢測。本部分適用于利用電磁方法在材料中激發(fā)表面波的非接觸檢測技術及其所適用的材料，包括非鐵磁性和鐵磁性導電材料。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T9445無損檢測人員資格鑒定與認證GB/T11343無損檢測接觸式超聲斜探頭檢測方法GB/T12604.1無損檢測術語超聲檢測GB/T12604.6無損檢測術語渦流檢測GB/T20935.1金屬材料電磁超聲檢測方法第1部分：電磁超聲換能器指南3術語和定義GB/T12604.1、GB/T12604.6和GB/T20935.1界定的術語和定義適用于本文件。4原理概述4.1本部分介紹利用電磁方法激發(fā)表面波技術，通過聲波在不連續(xù)性界面的反射或透射波衰減，檢測出材料表面或近表面的不連續(xù)性。4.2圖1為典型的產(chǎn)生表面波的電磁超聲換能器裝置。外加磁場B。平行于鐵磁性材料表面，如果線圈設計得當磁場B。亦可垂直于表面，該磁場可由永久磁鐵、脈沖電磁鐵或直流電磁鐵提供。射頻回折線圈平置于被檢材料表面，磁力線沿線圈切線方向且垂直于線圈導線。用專用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的射頻脈沖串激勵線圈，經(jīng)感應在被檢材料表面產(chǎn)生電流，電流通過洛倫茲力與外磁場相互作用，時變磁場也通過磁致伸縮與鐵磁材料相互作用產(chǎn)生振動。振動傳遞給固體晶格形成聲源，進而輻射出表面聲波。圖1所示回折線圈激發(fā)雙向波，通過特殊設計回折線圈也可激發(fā)單向波。2圖1產(chǎn)生表面波的典型電磁超聲換能器裝置4.3圖2為激發(fā)表面波的典型回折線圈?；卣劬€圈應滿足式(1)才能產(chǎn)生表面波。UR=2Df…………(1)VR——表面波波速，單位為米每秒(m/s);D——線圈中相鄰導線間距，單位為米(m);圖2激發(fā)表面波的典型回折線圈4.4表面不連續(xù)性使表面波發(fā)生反射或透過波衰減，可以采用脈沖反射或一發(fā)一收的方式進行檢測。反射或衰減的超聲波傳播至電磁超聲換能器，該處導體材料產(chǎn)生振動。處于換能器磁場中的振動在接收線圈感應一個可以測量的電壓。5意義和用途5.1與傳統(tǒng)的壓電超聲相比，電磁超聲換能器技術的明顯優(yōu)勢表現(xiàn)在靈活激發(fā)波模和不使用耦合劑。電磁超聲換能器能高效地激發(fā)表面波。5.2由于電磁超聲換能器能高效激發(fā)表面波，且表面波可靈敏檢出表面、近表面不連續(xù)性，因此它可用3于傳統(tǒng)的滲透和磁粉檢測雖然有效但不宜使用的場合。5.3因為電磁超聲換能器技術為非接觸檢測，所以可用于高速自動檢測、動態(tài)檢測、遠距離或危險場所的檢測、高溫和表面粗糙材料的檢測。5.4本部分的目的是將電磁超聲提升為可替代傳統(tǒng)滲透法和磁粉法對材料表面、近表面不連續(xù)性進行檢測的技術。5.5電磁超聲換能器的使用和工作參數(shù)的選擇取決于被檢材料的幾何形狀和預期不連續(xù)性的大致位置、尺寸、取向及反射率，還應知道電磁超聲換能器的允許提離范圍及超聲波傳播的物理規(guī)律。本部分專門介紹電磁超聲表面檢測的應用。6應用條件如果合同要求，實施本部分檢測的人員應取得由相關部門按GB/T9445或等效標準鑒定的技術資格，并經(jīng)雇主授權(quán)。資格鑒定依據(jù)的標準(含版本年號)應在合同中注明。除非專門指定，應使用本部分推薦的方法和技術。對專門指定的技術應在雙方合同中注明。除非特殊說明，檢測前的表面準備應符合10.2.2要求。應在合同中規(guī)定檢測時機和范圍。除特殊說明，檢測報告應與第12章的要求一致。驗收標準應符合相關標準的規(guī)定或在雙方合同中予以規(guī)定。6.6修復和返工后的復檢條款本部分介紹了下列三種不同的電磁超聲表面波檢測技術：a)用脈沖反射或一發(fā)一收技術探測表面波的反射；b)用一發(fā)一收技術探測表面波的透過衰減；c)利用聚焦回折線圈的表面波衍射技術。7.2脈沖回波或一發(fā)一收反射波技術該技術與傳統(tǒng)超聲類似，它使用一個(脈沖回波法)或兩個(一發(fā)一收反射波法)電磁超聲換能器，靠接收從缺陷反射回來的表面波檢出缺陷。該技術的優(yōu)點是簡單，不足是，若不仔細設定掃查路徑，很難4檢出所有取向的不連續(xù)性，以及用于焊縫檢測時，焊縫根部和余高產(chǎn)生的反射會干擾甚至埋沒不連續(xù)性信號。當出現(xiàn)這種干擾時，宜使用下述另外兩種技術中的一種加以避免。7.3一發(fā)一收透過波衰減技術透過波衰減技術最常見的傳感器排布的應用實例如圖3所示，它是通過記錄超聲信號的衰減來檢測不連續(xù)性。傳感器利用小永磁鐵產(chǎn)生相互垂直的窄表面波束。最好使用雙通道電磁超聲儀器，也可使用單通道儀器。當使用單通道時，發(fā)射線圈和接收線圈分別串聯(lián)連接，并將一對發(fā)射接收傳感器間的距離略微加長，以便從時間上將兩個接收信號分開。這種排布允許將兩組換能器線圈同時連接到一個通道上。衰減技術的一個優(yōu)點是對所有方向不連續(xù)性都敏感，另一優(yōu)點是能同時在焊縫兩邊進行掃查，且每一邊的掃查面都很大。衰減技術的缺點與波束寬度有關：為滿足最小6dB衰減，波束應窄或聚焦。34T5T2RR圖3衰減技術7.4衍射技術衍射技術的原理如圖4所示。兩個焦線重合的電磁超聲換能器(發(fā)射線圈和接收線圈)或一個脈沖反射式電磁超聲換能器與焊縫中心線成一定角度(衍射角度)放置，將焊縫的根部和余高作為鏡面反射體，其反射信號不會被接收線圈接收。使用衍射技術可在很大角度范圍內(nèi)檢出不連續(xù)性。單點衍射或多點衍射取決于不連續(xù)性與超聲波波長的比值，自然缺陷(如疲勞裂紋)有許多點衍射源的界面，因此利用此技術，能有效地檢測出幾十毫米長的自然缺陷。表面波可被近似聚焦到焦點區(qū)(此區(qū)域最長可達一個波長),它的一個顯著優(yōu)點是選擇合適的聚焦深度能增大每次掃描的覆蓋范圍。對多數(shù)焊縫而言，從焊縫的一側(cè)即可完成焊縫一半的掃查。除了平行于入射聲束的裂紋，單個電磁超聲換能器傳感器可靈敏地檢出所有取向的不連續(xù)性。具有正、負衍射角的兩個傳感器可靈敏地檢測出所有取向的不連續(xù)性。56——焦線重合的EMAT發(fā)射接收；圖4衍射技術8裝置8.1組成裝置由電磁超聲換能器傳感器和儀器構(gòu)成，傳感器由射頻線圈和磁鐵組成，儀器由脈沖發(fā)生器/接收器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示裝置(如示波器)、阻抗匹配網(wǎng)絡、前置放大器(推薦使用)及連接脈沖器/接收器至傳感器的屏蔽電纜組成。8.2線圈的設計8.2.1回折線圈用于產(chǎn)生表面波。為得到指定頻率，線圈導體間距的設計見4.3。線圈可以是聚焦或不聚焦的，這取決于所采用的技術及所需的分辨率和靈敏度。圖5給出了一個典型的聚焦線圈設計參數(shù)，與衍射技術類似。許多電磁超聲換能器線圈是通過在柔性聚酰胺膠片上光蝕出印刷線路而制成的，線圈表面有一層很薄的泡沫材料，并鍍有厚度為0.0254mm～0.127mm的高分子聚乙烯或鈦作為耐磨層。耐磨層的目的是保證電磁超聲換能器線圈恒定的提離值。耐磨層可以是柔性的，以適應不規(guī)則或彎曲的表面。聚酰胺膠片一般厚度為0.0254mm或0.0508mm。對于焊縫余高，為使表面粗糙度6影響最小，各種方法均應選用下限頻率。43——頻率設計(見表1);圖5典型電磁超聲換能器聚焦線圈的設計參數(shù)表1換能器頻率設計單位為毫米(總數(shù))線間距離導體寬度48878.2.2衍射技術采用的典型工作頻率為1MHz,衰減技術的典型工作頻率為2MHz。用于衰減技術的線圈如圖6所示。聚酰胺膠片的外延部分應固定在裝卡磁極的機械夾具中。8.3線圈的激勵在常溫(名義溫度低于82℃)應用時，釹鐵硼永久磁鐵可用于所有的電磁超聲換能器表面波技術。在高溫應用時，可能需要使用更復雜的磁化技術，如為高溫設計的電磁鐵或特殊永磁鐵。用于衰減技術和衍射技術的典型磁鐵尺寸及所產(chǎn)生的磁感應強度B的方向如圖7所示，B的方向與射頻線圈及被檢表面相垂直。永久磁鐵對于現(xiàn)場使用傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊；如果需要，也可使用脈沖電磁鐵或直流電磁鐵。對于鐵磁性材料，磁場方向既可平行于、也可垂直于檢測面。對于非鐵磁材料，磁場方向應垂直于檢測面。BB圖7永久磁鐵8接收單元由信號處理和數(shù)據(jù)采集電路組成，可對電磁超聲換能器信號進行增益調(diào)節(jié)和濾波處理，傳統(tǒng)的超聲儀器也有此功能。操作者可用多種方式采集、分析電磁超聲換能器信號。計算機配上A/D轉(zhuǎn)換板及相應的超聲探傷軟件即可組成一套有效配置。還可以采用與傳統(tǒng)超聲儀器類似的簡單配置，如將模擬信號輸出至示波器顯示檢測結(jié)果。另外，為了給信號采集提供準確的觸發(fā)，應采用脈沖發(fā)生器/接收器的同步電路。用于系統(tǒng)校驗的對比試樣應與被檢材料具有相同的材質(zhì)、厚度、表面狀況及熱處理狀態(tài)。除了調(diào)整靈敏度所需的人工傷外，對比試樣上不應有影響人工傷正常指示的不連續(xù)性存在。人工傷的長度、寬度和深度應與驗收標準相一致。由于電磁超聲換能器一般是雙向發(fā)射，因此邊界反射會與對比人工傷反射相混淆。所以應設計人工傷的位置及其幾何形狀，以避免上述干擾。8.6.3焊接件表面檢測的對比試樣8.6.3.1用于系統(tǒng)校驗的對比試樣應與被檢焊接件具有相同的材質(zhì)、焊接磁性能、厚度、表面狀況及熱處理狀態(tài)，并具有一定長度。試樣上不應有影響人工傷正常指示的不連續(xù)性存在。人工傷的選擇應確保以規(guī)定的靈敏度等級和方向覆蓋整個焊縫區(qū)。對比人工傷一般由電腐蝕設備或機加工設備制作。8.6.3.2應按焊接件驗收標準將人工傷制作在焊縫處、母材的焊縫熱影響區(qū)或與焊縫平行的母材中。8.6.3.3槽的取向及長、深、寬的尺寸可由使用方或雙方協(xié)議規(guī)定，也可與焊接件的驗收標準相一致。8.6.3.4槽深度是從表面到槽的最深處和最淺處的值。測量方法可采用光學、復形、機械或其他技術。槽深度通常定義為公稱厚度的百分比。8.6.3.5應設計人工傷的位置和幾何形狀，避免邊緣反射與人工傷反射相互干擾。9.1由于電磁超聲換能器不像傳統(tǒng)壓電裝置那樣屬于通用商品，因此在使用前設計者應能證明電磁超聲換能器滿足靈敏度和頻率特性要求。為此有必要用對比試樣標定電磁超聲換能器系統(tǒng)。9.2在檢測前，宜使用標準要求的或協(xié)議中規(guī)定的試樣校驗電磁超聲換能器系統(tǒng)。9.3對比試樣應與被檢材料有相似的超聲特性，對于特殊應用，應按第8章要求進行選擇。9.4與傳統(tǒng)超聲相同，如果對比試樣上人工傷信號的幅度與被檢材料不同，應進行衰減補償。9.5當設備或操作者有變化時，應使用對比試樣重新校驗設備。9.6在檢測過程中，應每運行4h或按協(xié)議規(guī)定對設備校驗一次，以保證電磁超聲換能器系統(tǒng)的準確性。不論何時，只要信號與初次校驗時相差10%或更多，就應對設備進行調(diào)整。9.7當電磁超聲換能器在掃查工作時，應對掃查速度與信號采集是否匹配進行驗證，以保證達到合同規(guī)定的檢測分辨率。9.8除特別規(guī)定，電磁超聲換能器系統(tǒng)一般提供A掃顯示方式。9.9不同應用的校驗方法是不同的。表面波檢測的一般校驗步驟見9.10。99.10在合同中應規(guī)定對比試樣人工傷的尺寸和類型。調(diào)整設備時應有表示檢測靈敏度的清晰顯示。如要對人工傷進行精確定位，應按照GB/T11343對表面波的規(guī)定。10.1.1被檢材料表面應無氧化皮、污物、毛刺、夾渣和濺物，且表面不應有影響檢測結(jié)果或損害電磁超聲換能器探頭的異物。10.1.2在檢測焊縫或母材的表面時，將電磁超聲換能器探頭置于被檢材料上。觸發(fā)脈沖被送至脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖串，激勵電磁超聲換能器發(fā)射線圈，在外磁場中激發(fā)出超聲表面波。外磁場可由脈沖電磁鐵、永久磁鐵或直流電磁鐵提供。10.1.3電磁超聲換能器接收線圈得到的電壓信號經(jīng)低噪聲前置放大器放大后，在信號處理單元做進一步放大和濾波，然后將波形送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。不連續(xù)性以反射波的數(shù)字信號形式顯示出來。10.1.4使用對比試樣對設備的檢測靈敏度進行定期校驗，在每次檢測前和檢測后都應進行校驗。在設備連續(xù)工作中，至少每隔4h重新校驗一次，只要信號與初次校驗時信號幅度相差10%或更多，就應對設備進行調(diào)整，并應對最近一次靈敏度校準后檢測的所有材料重新檢測。10.2脈沖反射技術或一發(fā)一收反射技術10.2.1本部分介紹利用脈沖反射或一發(fā)一收反射技術檢測材料表面不連續(xù)性的方法。這些方法是經(jīng)過驗證的，但并非唯一可用的方法。10.2.2表面波在被檢材料表面?zhèn)鞑r，被表面不連續(xù)性阻擋而反射，電磁超聲換能器接收線圈將檢測到該反射波。在脈沖反射式換能器中，接收線圈與發(fā)射線圈是同一個線圈；在一發(fā)一收式換能器中，發(fā)射線圈與接收線圈是分離的兩個線圈。10.2.3在掃描模式下以相同的時間間隔重復上述過程，不連續(xù)性通過監(jiān)視反射信號的幅度和傳播時間來檢出。10.3.1本部分介紹利用電磁超聲換能器一發(fā)一收衰減技術檢測材料表面不連續(xù)性的方法。這些方法是經(jīng)過驗證的，但并非唯一可用的方法。10.3.2在檢測焊縫時兩個電磁超聲換能器