GB/T 20935-2025 金属材料 电磁超声检测方法

　　ICS 77. 040.20 CCS H 26

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 20935—2025

　　代替 GB/T20935. 1—2018,GB/T20935.2—2018和 GB/T20935.3—2018

　　金属材料 电磁超声检测方法

　　Metalmaterials—Method ofelectromagneticacousticinspection

　　2025-08-29发布 2026-03-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 20935—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 检测原理 2

　　5 一般要求 4

　　6 检测设备 5

　　7 试样 7

　　8 检测方法 7

　　9 结果判定 10

　　10 检测报告 11

　　附录 A (资料性) 电磁超声检测技术特点 12

　　附录 B (资料性) 电磁超声技术典型应用 15

　　参考文献 17

　　Ⅰ

　　GB/T 20935—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件整合修订 GB/T 20935. 1—2018《金属材料 电磁超声检测方法 第 1 部分 : 电磁超声换能器指南》、GB/T 20935. 2—2018《金属材料 电磁超声检测方法 第 2 部分 :利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法》、GB/T 20935. 3—2018《金属材料 电磁超声检测方法 第 3 部分 :利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法》。

　　本文件与 GB/T 20935. 1—2018、GB/T 20935. 2—2018和 GB/T 20935. 3—2018相比 , 除结构调整和编辑性改动外 ,主要技术变化如下 :

　　a) 更改了适用范围(见第 1 章 ,GB/T 20935. 1—2018的第 1 章) ;

　　b) 更改了检测原理(见第 4章 ,GB/T 20935. 1—2018的第 4章 、GB/T 20935. 2—2018的第 4 章 、 GB/T 20935. 3—2018的第 4章) ;

　　c) 增加了一般要求(见第 5 章) ;

　　d) 增加了检测设备(见第 6章) ;

　　e) 增加了试样(见第 7章) ;

　　f) 更 改 了 检 测 方 法 (见 第 8 章 , GB/T 20935. 2—2018 的 第 9 章 、GB/T 20935. 3—2018 的 第10章) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国钢铁工业协会提出 。

　　本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归 口 。

　　本文件起草单位 :钢研纳克检测技术股份有限公司 、武汉中科创新技术股份有限公司 、衡阳华菱钢管有限公司 、西南交通大学 、国家石油天然气管网集团有限公司西北分公司 、嘉兴市特种设备检验检测院 、江苏大洋精锻有限公司 、广东省特种设备检测研究院 、冶金工业信息标准研究院 。

　　本文件主 要 起 草 人 : 张 建 卫 、林 光 辉 、刘 继 林 、苟 国 庆 、许 琛 琛 、杨 建 华 、宋 银 生 、李 绪 丰 、王 永 锋 、韩志雄 、张黎 、靳军军 、王彬彬 、罗伟坚 、刘光磊 、金耀辉 、方华军 、陈兵 、王磊 、杨博 、邱菲菲 、刘涛 、郭沫呈 、张广新 、罗春浪 、夏鹏 、徐磊 、范弘 、薛建忠 、郭碧城 。

　　本文件所代替文件的历次版本发布情况为 :

　　—GB/T 20935. 1,2007年首次发布 ,2018年第一次修订 ;

　　—GB/T 20935. 2,2009年首次发布 ,2018年第一次修订 ;

　　—GB/T 20935. 3,2009年首次发布 ,2018年第一次修订 。

　　Ⅲ

　　GB/T 20935—2025

　　引 言

　　超声技术已经充分确立了其在无损检测领域中的地位 。起初 ,超声波的产生主要通过压电效应实现电能与机械能的转换 ,这是产生超声波的一种有效方法 。但它的缺点是 ,为了使超声波能顺利地进入被检材料 ,需要液体作耦合介质 。在使用耦合剂时 ,通常是将被检材料浸入液体或在材料表面涂抹薄层液体 。

　　电磁超声换能器不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波 。但是 , 电磁超声检测的对象是金属材料(铁磁性或非铁磁性) 。 电磁超声换能器的超声发射器由金属线圈组成 ,将其放在金属材料(铁磁性或非铁磁性)表面的稳恒磁场中 ,利用交变电流来激励产生超声波 。金属材料表面根据变压器原理感应出电流 , 电流在磁场中受洛伦兹力的作用产生振荡应力波(在铁磁性导电材料中有时磁致伸缩力和洛伦兹力共同作用) 。在接收超声波时 ,导体表面在磁场中振荡而在线圈中感应出电压 。上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的 。 电磁超声换能器是一种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统 。

　　Ⅳ

　　GB/T 20935—2025

　　金属材料 电磁超声检测方法

　　1 范围

　　本文件规定了使用电 磁 超 声 换 能 器(EMAT) 进 行 超 声 检 测 的 检 测 原 理 、一 般 要 求 、检 测 设 备 、试样 、检测方法 、结果判定和检测报告 。

　　本文件适用于由电磁方法产生声波的材料(包括铁磁性或非铁磁性金属材料)的厚度测量和表面检测 ,其他波型的检测参照本文件执行 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证

　　GB/T 12604. 1 无损检测 术语 超声检测

　　GB/T 12604. 6 无损检测 术语 涡流检测

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604. 1 和 GB/T 12604. 6界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　电磁超声换能器 electromagneticacoustic transducer;EMAT

　　在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置 。

　　3.2

　　洛伦兹力 lorentz forces

　　电流在磁场中所受的力 。

　　注 : 洛伦兹力垂直于磁场和电流方向 ,与电机的原理相同 。

　　3.3

　　磁致伸缩力 magnetostrictive forces

　　铁磁性材料在磁化时 ,磁畴壁移动产生的力 。

　　3.4

　　回折线圈 meandercoil

　　周期绕制的不相交且有均匀间距的电磁超声换能器线圈 。

　　3.5

　　扁平(螺旋)线圈 pancake(spiral) coil

　　螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈 。

　　3.6

　　体波 bulk wave

　　无损检测中用来探测体积材料的超声波 。

　　注 : 是纵波或是横波 。

　　1

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　　4 检测原理

　　4. 1 通则

　　4. 1. 1 EMAT 由两个基本组成部分 :磁铁和线圈 。磁铁可以是永久磁铁或电磁铁 ,用于在被检金属材料中产生稳恒磁场 ;线圈中通以期望产生对应超声频率的交流电 ,在被检金属材料表面产生交变涡流和磁场 。

　　4. 1.2 使用 EMAT进行超声检测的换能机制有三种 :涡流与稳恒磁场相互作用引起的洛伦兹力机制 ;交变磁场与材料磁化相互作用引起的磁化力机制 ; 由压磁效应引起的磁致伸缩机制 。洛伦兹力机制存在于所有 金 属 材 料 中 , 而 其 他 两 种 机 制 只 存 在 于 铁 磁 金 属 材 料 中 。 因 此 , 对 于 非 磁 性 金 属 材 料 , EMAT激发的超声波由洛伦兹力所致 ;对于铁磁材料 ,EMAT 激发的超声波可以由洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力所致 。

　　4. 1.3 电磁超声检测技术特点参见附录 A。

　　4.2 激发原理

　　4.2. 1 在铁磁金属材料中 ,声波是洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力同时作用在材料晶格上的结果 。其中 ,磁化力较小可以被忽略 。这样在铁磁材料中 ,电磁场能改变材料的磁致伸缩系数 ,进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在洛伦兹力上 。磁致伸缩力取决于磁畴的分布 ,同时也受外加稳恒磁场强度和方向的影响 。虽然从理论上分析磁性金属中的磁致伸缩力较复杂 ,但这种附加力很有用 ,与单独由洛伦兹力产生的信号相比 ,这种力可大幅提高信号的强度 。 当强磁场使金属达到磁饱和以后 ,洛伦兹力成为产生声波的唯一原因 。磁致伸缩力只在磁场比较弱的时候起主导作用 ,它比相同场强下由洛伦兹力产生的声波明显要强 。

　　4.2.2 在非铁磁金属材料中 ,声波是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果 。根据金属 自 由 电子理论 ,原子的外层电子脱离原子晶格的束缚 ,剩下带正电的离子处在自由电子云中 。如果仅使用线圈在金属中产生电磁场 ,则作用在材料晶格上的合力为零 ,这是因为作用在电子上的力和离子上的力大小相等、方向相反 。但是 ,如果线圈的电磁场处于外加稳恒磁场中 ,作用到晶格上合力就会产生弹性波 ,此合力就是作用到电子和离子上的洛伦兹力 ,见公式(1)。

　　⇀ ⇀

　　FL =qv(⇀) × B …………………………( 1 )

　　式中 :

　　⇀

　　FL — 洛伦兹力 ,单位为牛顿(N) ;

　　q — 电子电荷 ,单位为库伦(C) ;

　　v(⇀) — 电子的运动速度 ,单位为米每秒(m/s) ;

　　⇀

　　B — 稳恒磁感应强度矢量 ,单位为特斯拉(T)。

　　由于电子具有速度 ,所以作用在电子上的洛伦兹力很强 ,这种力通过碰撞作用到晶格的离子上 。

　　4.3 超声波型

　　4.3. 1 通则

　　在磁铁和线圈的适当组合下 ,EMAT 可以产生纵波、横波、表面波和兰姆波 。磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定 EMAT产生超声波的模式 。

　　4.3.2 纵波

　　电磁超声纵波由洛伦兹力机制产生 。 图 1显示了导体中施加的稳恒磁场(B)方向和所生成的洛伦

　　2

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　　兹力(FL )方向是如何产生纵波的 。要产生纵波 ,洛伦兹力方向和离子移动方向应垂直于导体表面 。 与铁磁性材料中的其他波型相比 ,纵波的产生效率很低 。

　　标引序号(符号)说明 :

　　1 — 电磁声波 ;

　　2 — 导体表面 ;

　　B — 磁感应强度 ;

　　H — 磁场强度 ;

　　v — 粒子速度 ;

　　FL — 洛伦兹力 ;

　　E — 电场强度 。

　　图 1 电磁超声纵波的产生

　　4.3.3 横波

　　电磁超声横波由洛伦 兹 力 机 制 和/或 磁 致 伸 缩 力 机 制 产 生 。 图 2 显 示 了 导 体 中 施 加 的 稳 恒 磁 场(B)方向和所生成的洛伦兹力(FL )方向是如何产生横波的 。 为产生横波 ,洛伦兹力方向和离子位移方向均应平行导体表面 。 电磁超声换能器既能产生水 平 偏 振 的 横 波(SH 波) 又 能 产 生 垂 直 偏 振 的 横 波(SV波) ,这两种偏振波的区别如图 3所示 。

　　3

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　　标引序号(符号)说明 :

　　1 — 电磁声波 ;

　　2 — 导体表面 ;

　　B — 磁感应强度 ; H — 磁场强度 ;

　　v — 粒子速度 ; FL — 洛伦兹力 ; E — 电场强度 。

　　图 2 电磁超声洛伦兹力横波的产生

　　图 3 水平和垂直偏振横波

　　4.3.4 表面波

　　一般情况下 ,表面波的产生与横波相同 ,施加的稳恒磁场方向应与导体表面垂直 。 电磁超声换能器的频率取决于回折线圈的折线间距 ,通过选择适当频率 ,可以激发出纯表面波 。如果材料的厚度大于声波波长的 5倍 ,可产生表面波 。表面波的波长由频率和波速决定 。

　　4.3.5 兰姆波

　　各种模式的兰姆波(对称型和反对称型)可用类似于表面波的方式产生 。兰姆波回折线圈的频率由所要产生的兰姆波模式和材料厚度决定 。

　　5 一般要求

　　5. 1 除非供需双方另有协议要求 ,实施电磁超声检测的人员应由按照 GB/T 9445或等效标准培训合格的操作人员 ,在由雇主授权的有资格的人员的监督下进行 。

　　5.2 被检材料表面应无氧化皮 、污物 、毛刺 、夹渣和溅物等影响检测结果或损害电磁超声换能器探头的

　　4

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　　异物 。

　　5.3 检测时机和范围应在产品标准 、合同或协议中规定 。

　　5.4 检测结果的检 测 标 准 应 符 合 合 同 协 议 。 验 收 标 准 应 符 合 相 关 标 准 的 规 定 或 在 双 方 合 同 中 予 以规定 。

　　6 检测设备

　　6. 1 换能器

　　6. 1. 1 概述

　　EMAT 由磁铁和线圈构成 。磁铁是永久磁铁 、直流电磁铁或脉冲电磁铁 ,其作用是在激发超声波时提供外加偏置 磁 场 ; 线 圈 是 螺 旋 线 圈 (跑 道 线 圈) 、回 折 线 圈 或 蝶 形 线 圈 。 与 压 电 超 声 检 测 相 同 , EMAT声束方向也有两种基本形式 :直声束和斜声束 。传统接触式压电换能器的标定方法一般都适用于电磁超声换能器 ,见 JB/T 10062,必要时可作适当修正或修改 。

　　6. 1.2 直声束 EMAT

　　EMAT激发垂直声束的方法是采用螺旋线圈(跑道线圈)或蝶形线圈 ,且外加偏置磁场的方向垂直于线圈平面 ,如图 4所示 。 当磁场没有平行线圈方向的分量时 ,将激发径向偏振横波[如图 4 a)所示]或横向偏振横波[如图 4 b)和图 4 c) 所示] 。 当磁场存在平行线圈方向的分量时 ,将激发小幅度的纵波 。这种纵波成分可通过 EMAT设计降低至最小程度 。

　　a) 螺旋线圈 b) 跑道线圈 c) 蝶形线圈

　　图 4 激发垂直声束的 EMAT

　　6. 1.3 斜声束和表面波 EMAT

　　6. 1.3. 1 EMAT激发倾斜声束的方法是采用回折线圈 ,且外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面 ,如图 5所示 。 当材料表面受到的周期性应力作用 , 回折线圈满足公式(2)的条件时 ,将激发出沿材料表面传播的超声表面波 。

　　式中 :

　　n — 奇整数(无量纲) ;

　　λ — 表面波波长 ,单位为米(m) ;

　　L— 回折线圈相邻绕组间距 ,单位为米(m) 。

　　6. 1.3.2 当回折线圈满足公式(3)的条件时 ,将激发出倾斜传播的体波 。

　　式中 :

　　θ— 声波与表面法线的夹角 。

　　nλ= 2L …………………………( 2 )

　　nλ= 2Lsinθ …………………………( 3 )

　　5

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　　公式(3)既适用于横波也适用于纵波 , 回折线圈可用来产生斜声束横波或纵波 , 而声束的角度可由电磁场的频率控制 。选择适当的频率可以激发出纯表面波或纯横波 ,但不可能激发出纯纵波 , 因为纵波总有横波成分相伴 。

　　图 5 激发斜声束和表面波的 EMAT

　　6. 1.4 EMAT性能

　　6. 1.4. 1 频率

　　EMAT 既可设计成窄带频响也可设计成宽带频响 。 当回折线圈由正弦波串冲激励时 ,会在中心频率 20%范围内产生窄带频响 ,典型中心频率范围应在 0. 1 MHz~ 10 MHz之间 。螺旋线圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响 。

　　6. 1.4.2 提离

　　6. 1.4.2. 1 信号强度随提离间隙的变化函数 S(g)可按公式(4)计算 :

　　S(g) = S0 e- …………………………( 4 )

　　式中 :

　　S(g) — 信号强度随提离间隙的变化函数 ;

　　S0 — 零间隙时的信号强度 ,单位为分贝(dB) ;

　　g — 线圈距材料表面的间隙 ,单位为毫米(mm) ;

　　D — 线圈导线间距 ,单位为毫米(mm) 。

　　6. 1.4.2.2 应将高电阻金属片 、陶瓷片或碳纤维增强塑料等材料粘在线圈上作为保护层 ,增加换能器扫查时耐磨性 ,应保持最小间隙以获得最强信号 。

　　6.2 仪器

　　6.2. 1 发射器和接收器

　　发射器用于驱动电磁超声换能器产生超声波 ,能输出瞬态大功率脉冲信号以有效激发检测需要的超声波 。发射器的脉冲输出波形有放电脉冲 、方波脉冲 、载波为方波或正弦波的调制脉冲和任意波形脉冲等类型 。此外 , 电磁超声探头输出信号较弱 ,可采用高信噪比的微弱信号放大器对线圈接收信号进行前置放大 。

　　6.2.2 数据处理器

　　EMAT信号处理配置的计算机应具有足够的数据处理能力 。计算机应带有通用接口板和数据转

　　6

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　　换板 ,用来采集和存储 EMAT获得的数据和扫查中换能器位置坐标数据 。

　　6.2.3 检测仪

　　检测仪由脉冲发生器 、前置放大器(推荐使用) 、接收器单元 、显示装置(如示波器) 和阻抗匹配网络等组成 。其中 ,接收器单元由信号处理和数据采集电路组成 ,用以对电磁超声信号进行增益调节 、滤波处理和 A/D转换 。脉冲发生器/接收器应具有同步电路来为信号采集提供准确的触发 。

　　6.2.4 测厚仪

　　具有 A扫描显示的电磁超声检测仪可进行厚度测量 ,利用 A扫描显示中的标准基线上读取零点的初始脉冲和第一次反射回波(背反射)或多次背反射回波测量厚度 。在测量高温材料时 ,测厚仪应具有获取材料温度并进行温度校正的功能 ;还应具有监控底面回波幅度的功能 , 以确保精确测厚所需的信号强度和耦合稳定性 。

　　7 试样

　　7. 1 对比试样

　　7. 1. 1 对比试样应与被检工件具有相同的材质 、厚度 、表面状况及热处理状态 。 表面波对比试样的厚度应大于 10倍波长 。

　　7. 1.2 对比试样上不应有影响人工缺陷正常指示的缺陷存在 。

　　7. 1.3 直入射检测对比试样上的人工缺陷为平底孔 ;斜声束检测对比试样上的人工缺陷为(上 、下) 表面刻槽 ;表面波检测对比试样上的人工缺陷为表面刻槽 。

　　7. 1.4 人工缺陷一般由电腐蚀设备或机加工设备制作 。人工缺陷的尺寸应与执行的检测标准或验收标准相一致 。

　　7. 1.5 人工缺陷位置应远离试样边缘 ,避免边缘反射与人工缺陷反射相互干扰 。

　　7. 1.6 人工缺陷的尺寸可采用光学 、复形 、机械或其他技术进行测量或校准 。

　　7.2 测厚校准试样

　　7.2. 1 声速是被测材料物理性能的函数 。对于特定材料 ,声速值可从 GB/T 23900—2009 中表 B. 1(工程材料中的声速)中获得 ,或者通过经验估算 。不同金属的声速差异会使测厚超出精度要求 。应慎重选择校准试块的材质 。

　　7.2.2 用于 EMAT测厚的校准试样应与被测工件材质相同 ,厚度应在待测量的厚度范围内 。 校准试样至少应包括两个厚度值 ,一个在实际被测工件最小厚度值的 10%范围之内 ,另一个在最大厚度值的10%范围之内 。推荐在最大值与最小值之间再选择一个厚度值的对比试样 。

　　7.2.3 校准试样(阶梯试块)的制作参考 GB/T 39432。

　　8 检测方法

　　8. 1 表面波检测

　　8. 1. 1 EMAT选择和准备

　　8. 1. 1. 1 使用回折线圈产生表面波 。换能器频率设计参数见表 1。对于焊缝检测 , 为使表面粗糙度影响最小 ,宜选用较低的频率 。根据检测所需的分辨率和灵敏度 ,线圈可以是聚焦或不聚焦的 。 图 6 给出了一个典型的聚焦线圈参数 。

　　7

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　　标引序号说明 :

　　1— 激励部分 ;

　　2— 接收部分 ;

　　3— 指装线圈 ;

　　4— 导线 。

　　图 6 典型电磁超声换能器聚焦线圈的设计参数

　　表 1 换能器频率设计参数

　　单位为毫米

　　频率

　　指装线圈数(总数)

　　线间距离

　　导体宽度

　　1 MHz

　　4

　　1. 52

　　0. 76

　　2 MHz

　　8

　　0. 76

　　0. 38

　　3 MHz

　　8

　　0. 51

　　0. 25

　　4 MHz

　　16

　　0. 38

　　0. 19

　　8. 1. 1.2 衍射技术采用的典型工作频率为 1 MHz,衰减技术的典型工作频率为 2 MHz。用于衰减技术的典型线圈如图 7所示 。

　　单位为毫米

　　图 7 用于衰减技术的典型电磁超声换能器线圈

　　8. 1. 1.3 在温度低于 82 ℃时 ,钕铁硼永磁体可用于所有的 EMAT 表面波技术 。 在温度不低于 82 ℃

　　8

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　　时 ,需设计特殊永磁体 。用于衰减技术和衍射技术的典型磁铁尺寸及所产生的磁感应强度 B 的方向如图 8所示 。永磁体因结构紧凑适用于现场检测 。如可行 ,也可使用脉冲电磁铁或直流电磁铁 。

　　单位为毫米

　　标引序号说明 :

　　B— 磁感应强度 。

　　图 8 永磁铁

　　8. 1.2 校验

　　8. 1.2. 1 脉冲反射技术和透射衰减技术应按照验收标准或合同各方商议在对比试样上选择相应的刻槽或被检工 件 直 角 棱 边 作 为 参 考 反 射 体 或 者 透 射 阻 碍 体 。 脉 冲 反 射 技 术 将 EMAT 放 置 在 距 刻 槽100 mm处 ,并使表面波主声束垂直于刻槽 。 转动 EMAT 使刻槽反射回波幅度达到最大 , 然后将此最大幅度的刻槽反射回波调节到满屏的 80%波高 。 以此作为基准灵敏度 。透射衰减技术将探头调整在同一中心线上且互相对正 ,放置于对比试块没有人工反射体的区域或检测工件没有不连续的区域 ,调节穿透信号最大幅度至满屏的 80%波高 , 以此作为基准灵敏度 。衍射法应按照验收标准或合同各方商议选择一定直径的直通孔作为参考衍射体 ,探头对准对比试块上的通孔 ,取最大幅度的参考衍射体回波调节至满屏的 40% ~ 80%作为基准灵敏度 。

　　8. 1.2.2 与压电超声相同 ,如果对比试样上人工伤信号的幅度与被检材料不同 ,应进行衰减补偿 。

　　8. 1.2.3 当设备或操作者有变化时 ,应使用对比试样重新校验设备 。

　　8. 1.2.4 在检测过程中 ,应每运行 4 h或按协议规定对设备校验一次 , 以保证电磁超声换能器系统的准确性 。不论何时 ,只要信号与初次校验时相差 10%或更多 ,就应对设备进行调整 。

　　8. 1.3 检测

　　8. 1.3. 1 在基准灵敏度的基础上增加 2 dB~4 dB的耦合补偿后作为检测灵敏度 。

　　8. 1.3.2 扫查一般沿被检工作表面两个垂直方向进行 ,且探头呈 ±(10°~ 15°) 转动 。 手动检测的扫查速度不宜超过 150 mm/s。

　　8. 1.3.3 检测时 ,为确保表面波声束能扫查到工件的整个被检区域 ,注意扫查覆盖区应包含每次探头扫查路径所覆盖的部分 。

　　8. 1.3.4 采用一发一收衰减技术检测焊缝时 ,两个 EMAT置于焊缝两侧 ,超声检测仪可为双通道的 ,也可为单通道仪器 。采用衍射技术检测焊缝时 ,一般采用一发一收方式 ,激励和接收换能器置于焊缝同侧进行测试 。在测试过程中 ,EMAT 的提离距离保持恒定以避免误报 。

　　注 : 在采用衍射技术时 ,焊缝余高和根部信号形成镜面反射信号采用合适的接收线圈位置避开 ,故有可能检测到焊缝所有方向的表面缺陷信号 ,而探测不到焊缝余高的反射信号 。

　　9

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　　8.2 测厚

　　8.2. 1 概述

　　8.2. 1. 1 EMAT 测 厚 最 常 用 的 频 率 为 1. 5 MHz、2. 5 MHz、5 MHz、7. 5 MHz; 换 能 器 尺 寸 6 mm ~ 50mm。不同换能器的尺寸 、中心频率 、带宽 、波束轮廓应由换能器制造商提供 。

　　8.2. 1.2 测厚仪的 A扫描显示器 、仪表或数字显示器应使用合适厚度值的校准试样进行调整 。

　　8.2. 1.3 在高温下测厚时 ,可使用具有温度补偿功能的测厚仪 ;也可通过对高温下的显示厚度读数进行归一化修正 ,厚度修正值按公式(5)计算 :

　　Tc T1 …………………………( 5 )

　　式中 :

　　Tc — 厚度修正值 ,单位为毫米(mm) ;

　　Δt1— 被检材料温度 ,单位为摄氏度( ℃) ;

　　Δt2— 仪器常温校准时材料温度 ,单位为摄氏度( ℃) ;

　　T1 — 被测材料厚度仪器读数值 ,单位为毫米(mm) 。

　　对于其他材料 ,应根据经验确定其修正值 。

　　8.2.2 校验

　　8.2.2. 1 在正式检测之前 ,应利用校准试样对电磁超声检测设备进行校验 。如果测厚仪能够按材质存储声速 ,则可加载材质执行验证 。如果校验显示仪器读数超出公差范围 ,则应重新校验 。

　　8.2.2.2 与压电超声相同 ,如果校准试样上信号的幅度与被检材料不同 ,应进行衰减补偿 。

　　8.2.2.3 使用校准试样对设备进行定期校验 ,在每次检测前和检测后都应进行校验 。在设备连续工作中 ,至少每隔 4 h重新校验一次 ,如果校验显示仪器读数超出公差范围 ,应对设备进行调整 ,并对最近 一次校验后检测的所有材料需要重新检测 。

　　8.2.2.4 当设备或操作者有变化时 ,应使用对比试样重新校验设备 。

　　8.2.3 厚度测量

　　8.2.3. 1 铁磁金属适用厚度 1 mm~400 mm;非铁磁性金属适用厚度 1 mm~ 200 mm。更厚工件根据材料特性(如导电性和晶粒度)可使用定制的较低频率 、较大线圈的 EMAT测量 。

　　8.2.3.2 检查工 件 的 表 面 应 去 除 可 能 影 响 测 量 结 果 或 损 坏 EMAT 的 水 垢 、污 垢 、毛 刺 、焊 渣 及 飞 溅物等 。

　　8.2.3.3 将 EMAT置于待测量的工件上 ,按照预先设定的路径进行扫描 。然后用同 一 EMAT 检测来自工件背面的回波 。

　　8.2. 3. 4 对 于 已 知 材 料 , 也 可 以 标 准 厚 度 试 块 的 传 播 时 间 为 基 准 计 算 材 料 的 厚 度 值 , 测 试 方 法 见GB/T 11344。

　　9 结果判定

　　供需双方应就如 何 判 定 和 记 录 检 测 结 果 达 成 一 致 。 不 符 合 产 品 规 范 或 合 同 要 求 都 应 判 定 为 不合格 。

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　　10 检测报告

　　检测报告中至少应记录如下信息 :

　　a) 使用的仪器 ;

　　b) 对比试样信息 ;

　　c) 电磁超声换能器的尺寸 、工作频率 、类型或型号 ;

　　d) 检测技术 、扫查方式 ;

　　e) 检测结果 ;

　　f) 检测 日期 、检测人员和资格等级等 。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　电磁超声检测技术特点

　　A. 1 概述

　　A. 1. 1 电磁超声检测技术有以下优点 。

　　a) 电磁超声检测是非接触式的 ,不需要使用耦合剂 。

　　b) 可用于动态检测 、远距离或危险场所的检测 、高温和表面粗糙材料的检测 。

　　c) 对于复杂形状物体的扫查速度快 。

　　d) 基于电磁超声波的产生机理 ,其信号具有很好的可重复性 。

　　e) 不需要模式转换就可产生水平偏振横波(SH 波)并利用 SH 波进行扫描检测 。

　　注 : 传统压电超声需要使用环氧树脂或高粘滞性耦合剂才能产生 SH 横波 ,所以不轻易使用 SH 波进行检测 。

　　f) 具有利用电方法控制横波方向的能力 。

　　g) 能高效激发表面波 ,灵敏检出金属表面 、近表面缺陷 , 因此可用于渗透和磁粉检测虽然有效但不宜使用的场合 。

　　h) 不使用具有潜在污染或危险的化学品 ,所以是环保的 。

　　A. 1.2 电磁超声检测技术局限性如下 。

　　a) 与传统压电超声相比 ,EMAT 的插入损失高达 40 dB甚至更多 , 电-声转换效率低 。

　　b) 电磁超声探头设计比压电探头复杂 ,需要特殊装置发射和接收信号 ,强发射电流 、低噪声接收器以及精确阻抗匹配在系统设计中都是必须的 。

　　c) 只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料 。

　　d) 与压电换能器一样有其特定的应用范围 。

　　A.2 电磁超声检测技术A.2. 1 表面波技术

　　A.2. 1. 1 概述

　　本文件包含下列三种电磁超声表面波检测技术 :

　　a) 用脉冲反射或一发一收技术探测表面波的反射 ;

　　b) 用一发一收技术探测表面波的透过衰减 ;

　　c) 利用聚焦回折线圈的表面波衍射技术 。

　　A.2. 1.2 脉冲回波或一发一收反射波技术

　　该技术与压电超声类似 ,它使用一个(脉冲回波法) 或两个(一发一收反射波法)EMAT, 利用接收从缺陷反射回来的表面波检出缺陷 。该技术的优点是简单 ,不足是若不仔细设定扫查路径 ,很难检出所有取向的缺陷 , 以及用于焊缝检测时 ,焊缝根部和余高产生的反射会干扰甚至埋没缺陷信号 。 当出现这种干扰时 ,推荐使用下述另外两种技术中的一种加以避免 。

　　A.2. 1.3 一发一收透过波衰减技术

　　透过波衰减技术最常见的 EMAT排布的应用实例如图 A. 1 所示 , 它是通过记录超声信号的衰减来检测缺陷 。利用小永 磁 铁 EMAT 产 生 相 互 垂 直 的 窄 表 面 波 束 。 既 可 以 使 用 双 通 道 电 磁 超 声 检 测

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　　仪 ,也可以使用单通道检测仪 。 当使用单通道时 ,发射线圈和接收线圈分别串联连接 ,并将一对发射接收线圈间的距离略微加长 , 以便从时间上将两个接收信号分开 。 这种排布允许将两组 EMAT 线圈同时连接到一个通道上 。衰减技术的一个优点是对所有方向不连续性都敏感 ,另一优点是能同时在焊缝两边进行扫查 ,且每一边的扫查面都很大 。衰减技术的缺点与波束宽度有关 ,为满足最小 6 dB衰减 ,波束应窄或聚焦 。

　　标引序号(符号)说明 :

　　1— 电源 ;

　　2— EMAT脉冲接收单元 ;

　　3— 计算机或示波器 ;

　　4— 无缺陷时信号 ;

　　5— 有缺陷时信号 ;

　　R— 接收线圈 ;

　　T— 发射线圈 。

　　图 A. 1 衰减技术

　　A.2. 1.4 衍射技术

　　衍射技术的原理如图 A. 2所示 。两个焦线重合的 EMAT(发射线圈和接收线圈) 或一个脉冲反射式 EMAT与焊缝中心线成一定角度(衍射角度)放置 ,将焊缝的根部和余高作为镜面反射体 ,其反射信号不会被接收线圈接收 。使用衍射技术可在很大角度范围内检出缺陷 。单点衍射或多点衍射取决于缺陷与超声波长的比值 , 自然缺陷(如疲劳裂纹)有许多点衍射源的界面 , 因此利用此技术能有效地检测出几十毫米长的自然缺陷 。表面波可被近似聚焦到焦点区(此区域最长可达一个波长) ,它的一个显著优点是选择合适的聚焦深度能增大每次扫描的覆盖范围 。对多数焊缝而言 ,从焊缝的一侧即可完成焊缝一半的扫查 。 除了平行于入射声束的裂纹 ,单个 EMAT可灵敏地检出所有取向的缺陷 。

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　　标引序号说明 :

　　1— 镜面反射体(焊缝余高或根部) ;

　　2— 焊缝中心线 ;

　　3— 不连续性 ;

　　4— 焊缝 ;

　　5— 镜面反射体 ;

　　

　　6 — 焦线重合的 EMAT发射接收 ;

　　7 — 接收信号 ;

　　8 — 发射信号 ;

　　9 — 接收线圈检测到的缺陷波前 ;

　　10— 接收线圈未检测到的镜面反射 。

　　图 A.2 衍射技术

　　A.2.2 测厚技术

　　铁磁金属测厚一般采用螺旋线圈/径向极化横波或蝶形线圈/线性极化横波 。非铁磁金属测厚一般采用蝶形线圈/线性极化纵波 。 当利用脉冲回波测量时 ,金属的厚度(T) 是材料中的声速(v) 和声波往返穿过材料所用的传播时间(t)的乘积除以二 ,按公式(A. 1)计算 :

　　T =vt/2 …………………………( A. 1 )

　　仪器只测量超声脉冲通过金属的传输时间即可 。 为保证测厚准确性 ,应在检测前以及在检测中定期确认闸门位置和宽度是否合适 。

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　电磁超声技术典型应用

　　B. 1 金属母材检测

　　B. 1. 1 钢棒

　　电磁超声换能器可用来检测钢棒表面裂缝和折叠 。 电磁超声换能器采用脉冲磁场和回折线圈 ,激发 2 MHz表面波沿钢棒表面周向传播 ,能检出数十微米的裂缝和折叠 。 电磁超声换能器使用脉冲磁铁的目的是利用趋肤效应使磁场集中在钢棒表面区域 。

　　B. 1.2 钢板

　　电磁超声换能器可用来检测钢板内部不连续性 。 电磁超声换能器采用永久磁铁和回折线圈 ,激发2. 5 MHz横波垂直钢板表面传播 ,能有效检出板材内部的气孔和夹杂等 。

　　B. 1.3 钢管

　　电磁超声换能器可用来检测钢管内部不连续性 。 电磁超声换能器采用周期绕制的不相交且有均匀间距的回折线圈 ,用电磁超声横波技术检测钢管纵向和/或横向缺欠 。

　　B.2 焊缝检测

　　B.2. 1 燃料箱焊缝

　　电磁超声换能器可对空间飞行器外部液体燃料箱的铝焊缝进行检测 。它作为射线法检测内部缺陷的补充 ,可代替传统渗透法检测表面开口型缺陷 。 电磁超声系统使用多种换能器(表面波和垂直偏振横波)沿焊缝轴线扫查 ,可同时实现对焊缝及其两侧区域的表面和内部缺陷的检测 。

　　B.2.2 海上钻井平台焊缝

　　波浪的周期冲击会使平台承力支架上的焊缝裂纹沿圆周方向扩展 。 为了确保支架完好 ,设计出 一种电磁超声系统用于焊缝检测 。 电磁超声传感器装在管道爬行器上对焊缝进行自动检测 ,超声波的辐射主要集中在裂纹扩展比较严重的焊缝根部和余高区域 。该系统由计算机控制扫描 、数据采集 、显示和结果记录 。

　　B.2.3 钢带对接电阻焊焊缝

　　为了使冷轧钢带生产过程保持连续 ,在冷轧前采用电阻焊(ER)将单卷钢带的端部焊接在一起 。在焊接过程中产生的任何缺陷都可能导致钢带的断裂 。可设计一种电磁超声系统 ,用水平偏振横波在电阻焊工序完成后检测焊缝 。

　　B.2.4 真空电阻焊焊缝

　　航空工业中使用很多特殊合金 ,这些合金需使用电弧或高能激光在真空容器中焊接 。使用传统的无损检测方法非常耗费时间 ,需要将工件从真空容器中取出 , 当重焊工件时还需将其放回真空容器 。使用电磁超声换能器激发斜声束横波 ,直接在真空容器中对刚焊接过的工件进行检测 。这种技术已经成熟 。 由于电磁超声换能器在真空条件下能够实现耦合 ,所以它能在焊接后的高温下工作 。

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　　B.3 测厚

　　电磁超声广泛应用于厚度测量 ,特别在高速或高温场合得到很好应用 。使用一发一收和脉冲反射式的直 、斜声束电磁超声装置可成功实现多种材料的测厚 。

　　B.4 复合钢板检测

　　在铁素体基体与奥氏体复合钢板的检查中 ,利用电磁超声 SH 波在两合层之间的反射和透射特性检测复合层界面 。它拓展了新的无损检测方法 。

　　B.5 材料加工性能评价

　　已开发出用于评估金属板材拉拔性能的自动电磁超声设备 。这种设备通过测量 S0模式兰姆波在与板材轧制方向成 0°、45°和 90°夹角的传播时间 ,计算在每个方向上的声速和杨氏模量 ,从而得到表征金属板材轧制结构和拉拔性能的参数 。

　　B.6 高温检测

　　电磁超声技术不使用耦合剂 ,特别适合于高温环境下的检测 ,在探伤和测厚方面已得到成功应用 。

　　B.7 铁路应用

　　B.7. 1 钢轨

　　电磁超声特别适合动态检测 ,这使其在铁道行业有很多应用 。钢轨上有时使用润滑剂减小摩擦力 、降低磨损 。 由于润滑剂的存在 ,使传统超声的耦合剂很难充分润湿轨面 ,不易满足良好的声耦合要求 。电磁超声换能器可以毫无困难地通过润滑剂层激发和接收超声波 。使用垂直入射横波和具有一发一收及脉冲反射功能的电磁超声规范已制定出来 ,并成功运用于实际的钢轨探伤 ,还能对重载下润滑钢轨的磨损率进行测量 。

　　B.7.2 车轮

　　轮轨系统 、转向架和车轮承受高的负载 ,这些地方会因高热产生疲劳裂纹而导致轮轨系统损坏 。针对这一问题 , 已经研制 出 电 磁 超 声 系 统 检 测 在 役 高 速 列 车 车 轮 踏 面 。该 系 统 采 用 一 发 一 收 和 脉 冲 方式 ,使用回折线圈激发的表面波对车轮踏面不连续性进行动态探测和评级 。

　　B. 8 应力测量

　　超声法可通过波速或传播时间判断金属材料上施加的外力或残余应力 。这种方法的误差主要原因是很难区分由材料组织结构和应力导致的声速变化 ,但如果使两个横波的偏振和传播方向相互垂直 ,就可得出与应力成正比而与结构无关的速度差 。激发 SH 波的电磁超声换能器测量应力的装置已经研制出来 ,它由耦合引起的误差非常小 。

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 11344 无损检测 超声测厚

　　[2] GB/T 23900—2009 无损检测 材料超声速度测量方法

　　[3] GB/T 39432 无损检测 超声检测 阶梯试块

　　[4] JB/T 10062 超声探伤用探头性能测试方法

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