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

　　ICS 77 . 040 . 20 H 26

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 20935. 1—2018代替 GB/T 20935 . 1—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—Methodofelectromagneticacousticinspection—

　　part1：Standardguideforelectromagneticacoustictransducers(EMATs)

　　2018-03-15 发布 2018-12-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 20935 . 1—2018

　　前 言

　　GB/T 20935《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/T 20935 的第 1 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本部分代替 GB/T 20935 . 1—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/T 20935 . 1—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);

　　— 删除了第 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) 。

　　本部分由中国钢铁工业协会提出。

　　本部分由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)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、冶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/T 20935 . 1—2007 。

　　GB/T 20935 . 1—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入被检材料，需要液体做耦合介质。 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。 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。

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　　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

　　1 范围

　　GB/T 20935 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。

　　2 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/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证

　　GB/T 11259 无损检测 超声检测用钢参考试块的制作和控制方法

　　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

　　JB/T 10062 超声探伤用探头性能测试方法

　　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 electromagneticacoustictransducer;EMATs

　　在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置。

　　3.2

　　洛伦兹力 Lorentzforces

　　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 magnetostrictiveforces

　　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。

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　　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。

　　4 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入损失高达 40 dB 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。

　　5 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/T 9445 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/T 11259(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/T 10062,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。

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　　7 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) 。

　　…………………………( 1 )

　　…………………………( 2 )

　　式中：

　　q — 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(N/C)。

　　7 . 1 . 2 如果上述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，见式(3) 。

　　L =q × …………………………( 3 )

　　式中：

　　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) 。

　　7 . 1 . 3 电子可以 自 由移动，离子被晶格束缚。 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、表面波和兰姆波。 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/T 20935 . 1—2018率很低。

　　说明：

　　1 — 电磁波;

　　2 — 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：

　　1 — 电磁波;

　　2 — 导体表面。

　　图 2 电磁超声横波的产生

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　　说明：

　　1 — 入射波;

　　2 — 反射波;

　　3 — 垂直偏振(SV) ;

　　4 — 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

　　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。

　　8 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 . 2~8 . 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。

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　　说明：

　　1 — 磁铁;

　　2 — 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) 。

　　nλ= 2L …………………………( 4 )

　　式中：

　　n —奇整数;

　　λ —表面波波长，单位为米(m) ;

　　L—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。

　　nλ= 2Lsinθ …………………………( 5 )

　　式中：

　　θ—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。

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　　说明：

　　1 — 回折线圈产生的 SV波(垂直偏振斜声束);

　　2 — 磁铁。

　　图 5 回折线圈型电磁超声换能器

　　说明：

　　s —线宽;

　　w —线圈宽度;

　　L — 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 . 1 MHz~10 MHz之间。 而螺旋线

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　　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) 。

　　S(g)=S …………………………( 6 )

　　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) ;

　　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入损失高达 40 dB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。

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　　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 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。

　　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 . 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。

　　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。

　　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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　　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 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。

　　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。

　　A.7 铁路应用

　　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。

　　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。 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，它由耦合引起的误差非常小。