国家标准 GB/T20935.1一2018 代替GB/T20935.1一2007 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 Metalmaterials一NMethodfeleetromagneticacoustieinspeetion 'art1:Standardguideforeleetromagneticacoustietransdueers(EMAIs) 2018-03-15发布 2018-12-01实施中华人民共利国国家质量监督检验检疙总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB;/T20935.1一2018 前言 GB/T20935《金属材料电磁超声检测方法》分为以下3个部分第1部分:电磁超声换能器指南; 第2部分:利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法; 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部分为GB/T20935的第1部分本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本部分代替GB/T20935.1一2007《金属材料电磁超声检验方法第1部分:电磁超声换能器指南》,与GB/T20935.l一2007相比主要技术内容变化如下增加了第5章应用条件(见第5章); 别除了第8章人员资格要求(见2007年版第8章) 删除了第9章应用内容(见2007年版第9章). 增加了资料性附录A电磁超声换能器典型应用实例见附录A. 本部分由钢铁工业协会提出本部分由全国钢标准化技术委员会(SAc/TC183)归口. 本部分起草单位钢铁研究总院、钢研纳克检测技术有限公司治金工业信息标准研究院本部分主要起草人;范弘、张建卫、张克、沈海红、徐磊、董莉本部分代替标准的历次版本发布情况为 GB/T20935.1一2007
GB/T20935.1一2018 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人被检材料,需要液体做耦合介质在使用稠合剂时,通常是将被检材料浸人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必须是金属材料(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
GB;/T20935.1一2018 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范围 GB/T20935的本部分给出了使用电磁超声换能器(EMATs)进行超声检测的意义和用途、应用条件、标定、原理和系统配置指南本部分为确认电磁超声换能器在特定应用中的有效性提供基本参考注;本部分不包含电磁超声换能器特殊应用的详细方法,不提倡未经充分试验就将电磁超声换能器用于实际检测在附录A中简要介绍了电磁超声换能器的一些应用实例规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证 GB/T11259无损检测超声检测用钢参考试块的制作和控制方法 GB/T12604.1无损检测术语超声检测 GB/T12604.6无损检测术语涡流检测 JB/T10062超声探伤用探头性能测试方法术语和定义 GB/T12604.1和GB/T12604.6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eleetromagneticacoustictransducer;EMATs 在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置 3.2 洛伦兹力Lorentaforees 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magmetostrietefores 铁磁性材料在磁化时,磁睛壁移动产生的力 3,4 meandercoi 回折线圈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paeake(spiral)coil 螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈
GB/T20935.1一2018 3.6 体波 bulkwave 无损检测中用来探测体积材料的超声波,可以是纵波也可以是横波意义和用途 4.1概要超声检测是一种广泛应用的无损检测方法,大多数超声检测使用压电晶片实现电能与声能的直接转换本部分介绍的是一种以非接触方式在铁磁性或非铁磁性金属材料中实现电能-声能转换的技术电磁超声换能器与压电超声探头相比有其独特性,在某些超声检测场合是一种重要的技术手段 4.2优点因为电磁超声换能器技术是非接触式的,所以它不需要液体耦合,故而可用于动态检测、远距离或危险场所的检测高温和表面粗糙材料的检测由于这种技术不使用具有潜在污染或危险的化学品,所以是环保的它对于复杂几何形状物体的扫查速度快基于电磁超声波的产生机理,其信号具有很好的可重复性电磁超声换能器不需要模式转换就可产生水平偏振横波(SH波)并利用sH波进行扫描检测电磁超声换能器还具有利用电方法控制横波方向的能力注;传统超声技术需要使用环氧树脂或高黏滞性耦合剂才能产生这种模式的波,所以传统超声技术不轻易使用sH 波进行检测 4.3局限性电磁超声换能器效率很低与传统超声方法相比,电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更多电磁超声技术只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料电磁超声换能器探头的设计比压电探头复杂由于效率低.电磁超声换能器需要特殊装置来发射和接收信号,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电磁超声换能器与压电换能器一样有其特定的应用范围 S 应用条件如果合同要求,实施本部分检测的人员应取得由相关部门按GB/T9445或等效标准鉴定的技术资格,并经雇主授权资格鉴定依据的标准(含版本年号)应在合同中注明 6 标定 6.1对比试样与传统的压电超声检测一样,电磁超声检测应制作一套能够显示被检材料预期不连续性的对比试样,用来校验灵敏度,见GB/T11259(铝参考试块的制作与检验方法可参照本标准) 6.2换能器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/T10062,必要时可作适当修正或修改本部分不包含专门用于电磁超声换能器的标定方法
GB;/T20935.1一2018 原理 7.1非磁性导电材料 7.1.1在导电材料中产生弹性波的机理取决于材料的性质在非磁性导电材料中,声波的产生是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果可以利用固体自由电子模型描述洛伦兹力的作用根据导体自由电子理论,原子的外层价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为了在材料中产生弹性波,合成力应作用到材料晶格上如果仅利用涡流线圈在导体中产生电磁场,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,见式(1),式(2) F =一n商 F=十可商式中电子电荷,单位为库仑(C); -电磁超声换能器的电场强度矢量,单位为牛顿每库仑(NC) 712如果上逃电猫场处手外加稳但继场中作用到M格上合力就会产生弹性放此合力就是作用到电子和离子上的洛伦兹力,见式(3). =口×厅 3 式中电子的运动速度,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) 7.1.3电子可以自由移动,离子被品格束缚由于电子具有速度,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 7.2磁性导电材料在磁性导电材料中,磁致伸缩力和洛伦兹力同时影响离子的运动在磁性材料中,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很复杂,它取决于磁胯的分布,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导电材料中的磁致伸缩力很复杂,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材料达到磁饱和以后,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所以,为了充分利用磁致伸缩效应在磁性材料中激发超声波,在弱磁场强度下认真验证上述关系是非常必要的 7.3波模 7.3.1概述在磁铁和线圈的适当组合下,电磁超声换能器可以产生纵波、横波、表面波和兰姆被外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁超声换能器产生超声波的模式 7.3.2纵波图1显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力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模相比,纵波的产生效
GB/T20935.1一2018 率很低说明 -电磁波; 导体表面图1电磁超声纵波的产生 7.3.3横波图2显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生横波的为了产生横波,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又能产生垂直偏振的横波,这两种偏振波的区别如图3所示说明: 电磁波; 导体表面图2电磁超声横波的产生
GB;/T20935.1一2018 说明: -人射波 -反射波垂直偏振(sV)1 -水平偏振(SH)指向页内图3水平和垂直偏振横波图解 7.3.4表面波 -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五倍,就可以产生表面波表面波的波长由频率和波速决定 7.3.5 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系统配置 8.1换能器 8.1.1概述与传统的压电超声检测相同,电磁超声换能器的声束方向也有两种基本形式;直声束和斜声束,两种声束形式的换能器8.1.28.1.3所述 8.1.2直声束电磁超声换能器产生直声束最有效的方法是采用螺旋扁平线圈,外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面,如图4所示稳恒磁场可由永磁铁,电磁铁或脉冲磁铁提供假设磁场没有平行于线圈方向的分量,就产生径向偏振的横波由于磁场在平行线圈方向上总会存在小的梯度,所以就有小幅度的纵波这种纵波成分可以通过电磁超声换能器的设计降低至最小程度这种办法同样适用于放置在垂直交变磁场中的蝶形扁平线圈激发线性偏振横波情况
GB/T20935.1一2018 说明: -磁铁; 螺旋线圈生产径向偏振横波图4扁平线圈型电磁超声换能器 8.1.3斜声束 8.1.3.1电磁超声换能器回折线圈也可激发斜声束超声,外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面,如图5 所示回折线圈的形状见图6所示材料表面受到的周期性应力作用与线圈尺寸有关,当满足如下条件时,这种应力就可以激发出超声波,见式(4) n;=2I 式中 -奇整数; 表面波波长,单位为米(m); 相邻线圈间距,单位为米(m) 8.1.3.2当线圈间距在所选体波模式传播方向的投影满足式(5)时,即可实现体波的激发 n=2Lsine (5 式中: --与表面法线的夹角 8.1.3.3式(5)既适用于横波也适用于纵波,因此,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垂直偏振横波的情况见图3所示由于纵波和横波速度不同,这两种波模都存在一个低的截止频率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
GB;/T20935.1一2018 说明: -回折线圈产生的sV波(垂直偏振斜声束) -磁铁图5回折线圈型电磁超声换能器 2n-) 说明线宽线圈宽度; 线间距图6电磁超声换能器回折线圈几何形状 8.1.4频率电磁超声换能器既可以设计成窄带频响也可以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,典型中心频率范围在0.1MHz~10MHz之间而螺旋线
GB/T20935.1一2018 圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响 8.1.5提离 8.1.5.1虽然电磁超声换能器在检测材料时是非接触的,但线圈与被检材料的接近程度是影响信号强度的主要因素,见式(6). .(兴) s(g)=Se 式中 s(g 信号强度随提离间隙的变化函数 -零间隙时的信号强度,单位为分贝(dB); S -线圈距材料表面的间隙,单位为毫米(mm); 线圈导线间距,单位为毫米(mm); 8.1.5.2保持最小间隙来获得最强信号很重要此外,保持间隙恒定对于信号重复性和信号分析也至关重要,这往往通过在电磁超声换能器线圈与被检工件之间加薄层材料实现,如将高电阻金属片粘在电磁超声换能器上,只要薄片厚度小于电磁趋肤深度即可也可以用陶瓷和碳纤维增强塑料制作电磁超声换能器线圈的保护层,使在扫查时耐磨 8.2发射器和接收器虽然一些脉冲发射器可同时兼容用在电磁超声上,但是电磁超声换能器在电特性上与传统压电换能器有明显区别电磁超声换能器一般是电感性负载,而压电换能器是电容性负载,因此,电磁超声脉冲发射器与传统超声明显不同在设计电磁超声换能器脉冲发射器时,另一个需要考虑的是,与传统压电装置相比较,电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更高,所以前置放大器需要高增益,这样,噪声电平和饱和恢复时间在电磁超声接收器的设计中就成为重要的考虑参数例如,在电磁超声换能器脉冲回波系统中,前置放大器应能承受加到电磁超声换能器上的峰值电压,还能足够迅速恢复以便检测缺陷信号 8.3数据处理器为电磁超声换能器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带有通用接口板和数据转换板用来采集和存储电磁超声换能器获得的数据和诸如扫查中换能器位置坐标数据信号也可以用传统超声方法来评价 8.4被检材料 8.4.1由于电磁超声换能器技术是依靠电磁原理在被检材料上发射和接收声能量的,所以被检材料应是铁磁性或非铁磁性金属材料 8.4.2由于电磁超声换能器技术是非接触的,所以材料的表面粗糙度对灵敏度的影响比传统压电超声小很多,尽管这种影响不能被忽视 8.4.3因为电磁超声换能器不使用耦合剂,所以它比传统压电超声易于用在高温材料的检测
GB;/T20935.1一2018 附录A 资料性附录) 电磁超声换能器典型应用实例 A.1金属母材探伤 A.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2MHz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 A.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 2.5MHz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 A.2焊缝探伤 A.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 A.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 A.2.3钢带对接电阻焊悍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 A.2.4真空电阻焊焊缝宇航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由于电磁超声换能器在真空条件下能够实现稠合,所以它能在焊接后的高温下工作熟
GB/T20935.1一2018 A.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 A.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 A.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S，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 A.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铁路应用 A.7 A.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人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 A.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管针对这一问题,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 A.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,它由合引起的误差非常小 10

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/T20935.1-2018

金属材料电磁超声检测技术是非常重要的无损检测方法之一。在金属材料的生产与使用过程中，不可避免地会存在缺陷，如裂纹、夹杂等。而电磁超声检测技术作为一种高效、精准的无损检测方法，可以对金属材料中的缺陷进行检测。其中，电磁超声换能器是电磁超声检测技术的核心部件之一。

电磁超声换能器指南GB/T20935.1-2018介绍

GB/T20935.1-2018是我国针对金属材料电磁超声检测方法中电磁超声换能器的标准。该标准详细规定了电磁超声换能器的分类、型号表示、技术要求、试验方法和检验规则等方面的内容。

电磁超声换能器的基本原理

电磁超声换能器是一种将电信号转换为超声波信号的装置。其基本原理是利用电磁感应现象，通过交变磁场作用在磁性材料上产生的涡流效应，从而激发出超声波信号。由于电磁超声检测技术具有非接触、高灵敏度等优点，因此电磁超声换能器得到了广泛应用。

电磁超声换能器的分类

根据GB/T20935.1-2018标准，电磁超声换能器可以分为以下几类：

电磁超声探头：适用于平板、轴对称和非轴对称成形件的检测。
电磁超声传感器：适用于轴对称和非轴对称成形件表面及内部缺陷检测。
电磁超声阵列探头：适用于大范围无损检测和成像。

电磁超声换能器的技术要求

GB/T20935.1-2018标准规定了电磁超声换能器的技术要求，包括外观、尺寸、工作频率、灵敏度、方向性、耐压性等方面。只有符合这些要求的电磁超声换能器才能够正常使用，并保证检测结果的准确性。

结语

金属材料电磁超声检测技术作为一种高效、精准的无损检测方法，在金属材料的生产与使用中得到了广泛应用。而电磁超声换能器作为电磁超声检测技术的核心部件之一，其选择和使用对于电磁超声检测技术的准确性和可靠性至关重要。GB/T20935.1-2018标准规范了电磁超声换能器的分类、型号表示、技术要求、试验方法和检验规则等方面的内容，为电磁超声检测技术的应用提供了指导和保障。