電磁超聲技術及其在焊縫無損檢測中的應用

1. 0 引言：

今年來隨著超高溫和超低溫檢測環境以及對非接觸式自動化檢測的需求，電磁超聲技術的研發越來越受到無損檢測研發和使用人員的重視。 電磁超聲是諸多超聲檢測方法的一種。與傳統超聲波檢測一樣，電磁超聲利用超聲波來測量材料材料參數或探測材料中的缺陷。 所不同的是，電磁超聲傳感器利用電磁場的來激發超聲波，而傳統的超聲波傳感器使用壓電晶片的壓電效應來激發超聲波。圖一顯示了壓電傳感器的檢測原理和電磁傳感器的激發原理的對比 [1]。 使用壓電超聲傳感器，聲波在壓電晶片內產生。為了使激發出的聲波傳播到待檢材料中，通常需要在待測材料表面施加耦合劑。根據檢測需求的不同，耦合劑的選擇也有區別。雖然空氣耦合，以及固體耦合也在已經在一些應用領域得到應用，最常用還是液體耦合劑。接觸式在役檢測通常使用Ultra Gel, 而在線檢測則更常用的是水柱。  圖1 中顯示的是用洛侖茲力原理激發超聲波的示意圖。 當圓形線圈中通上超聲波頻率的交流電時，由于電磁感應效應，待測導體材料中會產生與線圈中極性相反的渦流電流。與電動機中的洛侖茲力原理類似，渦流電流在磁場中也會受到洛侖茲力的作用，從而引起待測材料的局部振動 [2,3]。用于無損檢測的超聲波頻率一般從20赫茲到20兆赫茲，由于趨膚效應，渦流電流分布在材料表面。所以通常情況下，電磁超聲的聲波激發源可以考慮成表面分布式激發。 圖中所示超聲波在表面激發以后以橫波形式沿著傳向材料內部。

從應用的角度來說，圖1所示的電磁超聲和傳統壓電超聲相比一個最大的優點就是無需使用耦合劑。 而由此可以引申出一系列的電磁超聲比傳統超聲波傳感器的應用優勢 [3, 4]，諸如：可以實現非接觸式檢測，可以提高探頭的掃描效率，排除了由于耦合劑的不均勻所帶來的測量誤差，可以在耦合劑會揮發或者凍結的超高溫以及超低溫環境下檢測。 除此以外，利用不同的磁鐵和線圈的設計組合，電磁超聲傳感器可以有效地激發出各種超聲波模式包括傳統超聲較難實現的水平橫波和各種超聲導波模式。從而電磁超聲使用電磁超生可以為很多傳統超聲無法實現的檢測需求提供了一個可行的解決方案，同時也為很多傳統超聲能夠實現的檢測需求提供了一個更加簡便的解決方案。

2  電磁超聲檢測設備實例及檢測結果

2．1使用導波技術進行薄板激光焊縫檢測

激光拼焊板在汽車制造行業的應用非常廣泛。為了能夠及時測量激光焊接的質量，Innerspec 公司的Si-WB 系統使用超聲導波對焊縫進行快速自動化掃描，從而檢測出焊縫中的各種缺陷,包括裂紋，未融合夾雜，氣孔等點缺陷 [5]。圖2顯示的是該系統的EMAT探頭的機械裝置。EMAT 探頭包括一個電磁鐵，一套音頻EMAT線圈，及配套電纜；外圍機械裝置包括滾輪以及機械手。圖3 所示為一個激光拼焊板的樣品。 兩塊拼接鋼板的厚度分別為1毫米和2毫米。我們在焊縫中做了9個人工缺陷，包括6個鉆孔以及3個刻槽，分別用來模擬點狀缺陷和面狀缺陷。他們的尺寸都列在表一中，其中最小的鉆孔的直徑僅0.3毫米，刻槽的深度分別為0.25mm和0.5mm.  

統針對不同缺陷對聲波的反射特性的差異，該系統包括點缺陷通道和面缺陷通道兩種EMAT傳感器。點通道用來檢測氣孔，夾雜， 面通道用來檢測裂紋和未融合等缺陷。對于人工缺陷，鉆孔代表著點狀缺陷，而刻槽代表著面狀缺陷。

Si-WB 系統通過超聲導波來實現焊縫檢測。超聲波能量分布于整個焊縫區域，所以分布于不同位置的缺陷可以同時被檢測出。

其中通道一為點缺陷通道，通道二為面缺陷通道。面缺陷通道比點缺陷通道延遲一段時間發射。 面缺陷通道的聲波發射方向垂直于焊縫。由于焊縫兩側的板厚不同，通常會有一定的聲波從焊縫反射，當面缺陷存在時更多的能量會被反射，從而接收到的反射信號會增加。為了能夠有效地檢測點狀缺陷，點缺陷通道的聲波發射方向與焊縫方向存在一個夾角，從而利用散射波來檢測點狀缺陷。圖 顯示的是對圖所示樣品的掃描結果。 圖中紅線為點缺陷通道的掃描結果，6個鉆孔缺陷均產生了明顯的散射回波。除此以外，面狀缺陷的端點處也會產生一定的散射回波。面缺陷通道由于焊縫反射，基準值比點缺陷通道高。在刻槽處，反射回波的幅度明顯增加，三個刻槽的反射回波均超過設定域值。所以9個人工缺陷都得到了有效的檢測。

2.2：使用周向導波技術進行電阻焊鋼管焊縫檢測

電阻焊鋼管是由鋼板經過一系列的冷軋成弧形，然后在通過環形電阻焊線圈的同時施加一定壓力將兩邊對焊在一起的一種焊接工藝。 在焊頭后方有刮刀將內外表面的焊瘤去除，從而形成光滑平整的焊接表面。 然而在焊接過程中由于種種原因，會形成內表面或者外表面的裂紋，未融合，等焊接缺陷。 常規體超聲波檢測法使用四個壓電換能器分別對材料的內外壁從兩個方向進行檢測。但是為了冷卻，通常檢測系統距離焊機的距離會有10米左右，而經過這段距離以后，焊縫位置也會發生偏轉。因此，如果沒有一個有效的焊縫定位和跟蹤的裝置，斜入射體超聲波的檢測區域就可能偏離焊縫區域，而產生漏檢 [6,7]。  

我們使用電磁超聲激發的導波對鋼管焊縫進行檢測。由于周向導波在的傳播過程中能量會分布于整個管壁，焊縫位置漂移對于導波檢測的影響比體波檢測的影響小很多。 圖 顯示了周向導波進行焊縫缺陷檢測的示意圖。由電磁超聲單向換能器激發出沿著逆時針方向傳播的導波，導波首先經過接收傳感器然后再通過焊縫區域（示意圖12點鐘位置）。如焊縫中有缺陷存在，則會產生反射回波。 為了增加系統對缺陷的檢測幾率，在實際系統中我們使用了兩組這樣的探頭來有效覆蓋不同的焊縫位置。最終的系統中可以實現對于焊縫位置偏轉+-30度的情況下依然進行有效檢測。

在系統的設計過程中，我們首先計算出對于各種不同管徑和壁厚的鋼管的周向導波的色散曲線。 圖 就是水平橫波(SH wave)在一個50.8毫米直徑6.35毫米厚度的小管中的色散曲線。 圖中我們可以看到這個管子中傳播的SH波的色散曲線與通常薄板中的SH波的色散曲線有比較大的區別。最直觀的一個表現就是SH0模式的導波不再是無色散的。 在實驗中我們發現對于薄壁鋼管我們可以采用SH0模式進行檢測得到很好的反射回波。對于壁厚直徑比較大的鋼管，我們采用了一階模式和二階模式群速度相似的點進行實驗。圖 顯示的是對這個鋼管的線掃描結果。如圖所示，12.5% 厚度的EDM 刻槽產生的反射波的波幅均超過3/1 的信噪比。  

實例三：使用電磁超聲SH波相控陣檢測奧氏體不銹鋼焊縫

由于奧氏體不銹鋼的強抗腐蝕性，它在核工業，石油化工以及高溫處理工業中得到非常廣的應用。 因此，奧氏體焊縫在這些應用領域也非常常見。 由于奧氏體焊縫具有很特殊的長條形晶粒結構，超聲波在奧氏體焊縫中會受到明顯的散射以及方向偏轉。 這些效應給奧氏體不銹鋼焊縫的檢測帶來很大的困難。理論研究表明 最常用于檢測常規焊縫的斜入射垂直橫波受到的影響尤其劇烈， 而最理想的檢測波形是水平橫波。然而，由于壓電換能器不易于激發和耦合水平橫波， 現有的方法是使用縱波檢測，但是由于縱波經過表面反射后會發生波形轉換，給信號的判讀帶一定的難度。通常用縱波對奧氏體不銹鋼焊縫檢測都需要將焊縫表面修平，而且焊縫的兩側都必須可以放置探頭。

電磁超聲激發易于激發水平橫波，但是由于奧氏體不銹鋼的導電性能很差，也不具有磁致伸縮效應，電磁超聲技術用來檢測奧氏體不銹鋼也存在很大的難度。 以前有過很多的嘗試 [8]，但是由于低信號而導致的信噪比問題，至今電磁超聲對奧氏體焊縫檢測還是沒有進入實用階段。

為了提高電磁超聲激發效率，我們在國際上首次研制了8通道電磁超聲相控陣探頭，信號激發源，以及數據采集，分析和軟件系統。 我們研制了基于惠斯通電橋電路的高功率超聲波tone-burst 信號發生器。 圖所示是一個8通道儀器的照片。每一通道超聲信號輸出電壓峰峰值可達2400V, 瞬時功率達到20kW.  為了在奧氏體不銹鋼中激發出SH模式的斜入射聲波，我們采用了永磁鐵陣列和印刷電路板線圈。利用該系統，我們成功的檢測到位于40毫米厚的不銹鋼焊接樣品中的兩個6.35毫米深的刻槽。其中一個刻槽在焊縫區域，另一個刻槽在熱影響區。 圖10 為四種情形的扇掃描圖像對比，（a）無缺陷， （b）缺陷位于焊縫區域，（c）缺陷位于探頭一側的熱影響區， （d）缺陷位于探頭另一側的熱影響區。 如圖中所示，SH波電磁超聲設備成功的實現了對于探頭另一側熱影響區的檢測。這對于奧氏體不銹鋼焊縫和異種金屬焊縫的檢測具有很大的意義，因為很多的焊縫只有一面可以放置探頭。

結論：

電磁超聲技術（EMAT）作為一種新型的超聲無損檢測技術，今年來已經由實驗室研究階段進入工業生產的實際應用階段。本文介紹了電磁超聲的基本原理，電磁超聲與傳統壓電超聲檢測技術相比的優缺點。 重點介紹了由Innerspec 公司開發研制的三套針對焊縫檢測的代表性電磁超聲系統， 包括薄板激光焊縫的檢測，電阻焊鋼管檢測，以及奧氏體不銹鋼焊縫的檢測。電磁超聲傳感技術與超聲導波技術的結合，適用于從小于1毫米的薄板，到12毫米的厚板以及管件中焊縫的檢測。對于超過12毫米厚的材料，電磁超聲斜入射體波檢測可以達到很好的效果。總之，電磁超聲技術的發展擴展了超聲波檢測的應用范圍。電磁超聲為很多需要非接觸檢測，快速高效檢測，超高低溫環境，以及需要水平橫波檢測的應用領域提供了一系列有效的解決方案。
致謝：本文所介紹的三套電磁超聲檢測系統都是Innerspec 公司全體研究及設計人員共同創作的結果，作者對其他研究及設計人員表示感謝。

參考文獻

[1] Gao, H., and B. Lopez, "Development of Single-Channel and Phased Array EMATs for Austenitic Weld Inspection", Accepted to publish in Materials Evaluation (ME), (2010).
[2]  Thompson R. B. In: Thurston RN, Pierce AD, editors. Physical acoustics, vol. 19.
New York: Academic Press; 1990. p. 157–200.
[3] Hirao M, Ogi H. EMATs for science and industry. Kluwer Academic Publishers;
2003.
[4] Huidong Gao, Syed Ali, and Borja Lopez, “Efficient Delaminating detection in Multilayered Composites using Ultrasonic Guided Wave EMATs”, NDT&E International, 43,316-322, (2010).
[5]  www.innerspec.com
[6] Jeffrey Monks, "In-line EMAT Ultrasonic Weld Inspection for ERW Tube Mills Using Guided ultrasonic waves", Iron and Steel Technology, 1-7, January,(2010).
[7 ]Gao, H, Lopez, B, Ali, S., Flora, J., Monks, J, "Inline Testing of ERW Tube Using Ultrasonic Guided Wave EMATs", 16th National Congress of Theoretical and Applied Mechanics, June 27-July 2, 2010, State College, PA, USA.  Paper Number USNCTAM2010-384, (2010).
[8] G. Hubschen, H.J. Salzburger, M. Kroning, et.al, “ Results and experiences of ISI of
Austenitic and dissimilar welds using SH-waves and EMUS-Probes”, Elsevier Science
Publishers, K. Kussmaul, Editor, 1993.

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