电磁超声在钢管探伤中的应用

现代无损检测方法多种多样,常规的5种技术(超声、射线、渗透、磁粉、涡流)在应用过程中不断趋于完善,在不同领域的工程应用中起着主导作用.与此同时,各种新技术、新方法也不断涌现,如全息、热成像、声振等.它们以其物理性质及作用于介质时表象的特殊性,在一些特定场合发挥着重要的功能,与常规方法相辅相成,电磁超声无损检测技术便是其中的一种[1].

在无损检测领域中,超声波无损检测占据重要的地位,然而超声波的发射、接收至今仍采用压电换能器.该压电换能器必须通过油、水等导声介质与被检测体表面耦合,才能实现超声波在被检测体中的传播,从而限制超声测量技术的应用范围和测量的自动化程度.电磁超声测量技术基于电涡流与磁场,在金属表面上相互作用,形成洛仑兹力,激励起超声应力波.因此,电磁超声可以实现无接触测量,适用于高温、高速、涂覆状态下的超声检测[2].电磁超声换能器(Electro-magnetic Acoustic Transducer-EMAT)在具备以上优点的同时,也有缺点,那就是转换效率低,因此从转换机理入手,精心设计激励电路、接收电路以及换能器来改善其效率,对于提高探伤精度和更好地应用具有重要的意义.

1　电磁超声的基本原理

电磁超声与传统的压电超声相比,同属于超声范畴,其本质的区别在于换能器不同,即激励和接收方式不同.传统的压电超声换能器是靠压电陶瓷的压电效应发射和接收超声波,其能量转换是在压电晶片上进行的.而电磁超声换能器则是依靠电磁效应发射和接收超声波,其能量转换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.在导电材料中产生超声波的机理是靠材料的性质,常见的金属材料可分为两大类:非铁磁性材料和铁磁性材料.前者为铜、铝、钛及其合金和奥氏体不锈钢,后者为钢、铁及其合金.在非磁性导电材料中超声波的产生是洛仑兹力作用在材料晶格上的结果.对于磁性导电材料,有磁致伸缩力和洛仑兹力同时影响离子的运动.

电磁超声换能器由3大部分组成:①电磁铁;②高频线圈;③被检测工件.其组成框图如图1所示.

当通有高频电流的线圈接近工件时,将在金属工件表面的趋肤层内产生电涡流,在外置磁场的作用下,高频电涡流将受到方向交变的洛仑兹力的作用,从而使工件表层产生振动,振动频率与电流频率一致.超声振动一旦产生,就会以波的形式,沿一定指向传播出去.利用电磁声转换的逆效应,可以接收缺陷反射波信号.

当有超声波传到金属表面时,金属晶格发生振动.由于外加磁场的存在,根据法拉第电磁感应定律,振动与外加磁场有相互作用的感生电涡流出现.金属工件中的感生电涡流在金属外界空气中产生向量势,根据麦克斯韦电磁方程,这一向量势必在接收线圈上产生感生电压,由此可以根据感生电压信号探测超声波[3].通过改变外加偏转磁场的大小和方向、高频电流的大小和频率、周期个数、激励相位、线圈的形状和尺寸,可以控制EMAT产生超声波的类型、强弱、频率及传播方向等参数.