電磁超聲（EMA）技術的發展與應用
（營口市北方檢測設備有限公司）
概要：介紹了電磁超聲（EMA）技術在國內外的發展、原理及在工業中的實際應用。
1、電磁超聲（EMA）技術在國內外地發展
無損檢測技術的發展已歷經一個世紀，其重要性在全世界已得到公認。作為無損檢測技術的一個新軍，EMA技術也越來越受到人們的青睞，它代表了超聲檢測的發展方向（無耦合），這一點在2000年第15屆世界無損檢測會議上得到了充分肯定。EMA技術在國際上是從60年代末期開始崛起的，到了70年代中后期開始迅速發展，英、美、俄、德、日都相繼進行了聲波的EMA理論與實驗，從而大大擴展了EMA技術革新的應用范圍，到了70年代末西德Hosch鋼廠研制出高分辨率的用于中厚板內部探傷及螺旋彈簧內部探傷的儀器設備，與此同時德國無損檢測研究所也成功地研制并轉產了火車輪動態EMA探傷裝置。而到了80年代初，英國、日本也先后研制成功了高溫EMA探傷及測厚裝置，進入21世紀，經過了近50年的不懈努力，EMA技術已逐步進入了工業應用階段。其應用領域從*初的中厚板、火車輪檢測及高溫測厚，發展到焊縫檢測、鋼棒檢測、鋼管檢測、鐵路鋼軌檢測、復合材料檢測等眾多領域。
我們國家EMA技術的研究，是從70年代開始的。主要代表是冶金鋼鐵研究總院張廣純教授等，經過30幾年的深入研究與不斷完善，從理論研究的水平看，與國際的EMA技術研究基本同步，而在實際應用方面的某些領域。我們與國外尚存在著一定的距離。但在鋼管管體及管端的自動化探傷方面我們則走在了國際該領域的前列。
2、EMA技術的基本原理和主要特點
EMA與傳統的壓電超聲同屬于超聲范疇，它們的本質區別就在于換能器不同，也就是發射接收方式不同，壓電超聲換能器是靠壓電晶片的壓電效應，發射和接收超聲波的，它的能量轉換是在晶片上進行的。而EMAT則是靠電磁效應發射和接收超聲波的。其能量轉換則是在被測工件表面的趨膚層內直接進行的，所以它不需要任何耦合介質。由此可見，要了解EMA技術，首先就要掌握EMAT的基本原理。
EMAT的物理結構由三部分組成：
高頻線圈：用于產生高頻激發磁場。
磁鐵：用來提供外加磁場，它可以是**磁鐵或直流電磁鐵，也可以是交流電磁鐵或脈沖電磁鐵。
工件：檢測對象，它是EMAT的一部分。（簡稱EMAT三要素）
但工件的材質必須具有導電性或鐵磁性，或導電性和鐵磁性都具有。EMAT作為一種超聲發生器，它的基本原理是圍繞著EMAT三要素展開的。當置于工件表面上的高頻線圈通過高頻電流時，它要在工件的趨膚層內產生渦流，（或感應磁場，相當于電動機的轉子）此渦流在外加磁場（相當于電機定子磁場）的作用下，也會像電動機那樣受到機械力的作用，而產生高頻振動，形成了超聲波波源。在接收超聲波時，如同發電機的轉子在定子的磁場中旋轉，會在轉子中產生感應電流一樣，工件表面的振蕩也會在外加磁場力的作用下，在高頻線圈中感應出電壓而被儀器接收。因此，存在于上述機制中的這些相互作用就構成了檢測的全過程。
EMAT可激發出所有超聲波波形。與傳統的超聲波技術一樣，材料的種類、可能產生的缺陷位置以及缺陷方向，決定了聲速方向和振動波形的選擇。但在實際應用中，EMAT技術較之傳統的壓電超聲技術具有明顯的優勢以及一系列壓電超聲所無法取代的特點：
（1）、無需任何耦合劑
EMAT的能量轉換，是在工作表面的趨膚層內直接進行的。因而可將趨膚層看成是壓電晶片，由于趨膚層是工件的表面層，所以，EMAT所產生的超聲波就不需要任何耦合介質。
（2）、靈活地產生各類波形
EMAT在檢測過程中，在滿足一定的激發條件時，則會產生表面波、SH波和Lamb波。如改變激勵電信號頻率使之滿足下式要求：
f=nC/2Lsinθ（n為任意整數）
式中C=聲速；f=電信號頻率；L=1/2波長
則聲波便以傾斜角θ向工件內傾斜輻射（但其輻度也隨之下降），也就是說，在其它條件不變的前提下，只要改變電信號頻率，就可以改變聲的輻射角θ，這是EMAT的又一特點。由于這一特點的存在，我們就可以在不變更換能器的情況下，實現波模的自由選擇。
（3）、對被探工件表面質量要求不高
EMAT不需要與聲波在其中傳播的材料接觸，就可向其發射和接收返回的超聲波。因此對被探工件表面不要求特殊清理，較粗糙的表面也可直接探傷。
（4）、檢測速度快
傳統的壓電超聲的檢測速度，一般都在10米/分鐘左右（國產設備），而EMAT可達到40米/分鐘，甚至更快。
（5）、聲波傳播距離遠
EMAT在鋼管或鋼棒中激發的超聲波，可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時，探頭與工件都不用旋轉，使探傷設備的機械結構相對簡單。
（6）、所用通道與探頭的數量少
在實現同樣功能的前提下，EMA探傷設備所選用的通道數和探頭數都少于壓電超聲。特別在板材EMA探傷設備上就更為明顯，壓電超聲要進行板面的探傷需要幾十個通道及探頭，而EMAT則只需要四個通道及相應數量的探頭就可以了。
（7）、發現自然缺陷的能力強
用戶反饋回來的信息就足以證明了這種說法的可信度，EMAT對于鋼管表面存在的折疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準確發現。
3、EMA技術在工業生產中的成功應用
在我國雖然無損檢測事業發展很快，應用的范圍也越來越廣泛，但是，由于各種探傷手段都有其局限性，到目前為止，仍有許多領域缺少可靠地探傷手段（如中厚板、火車輪、大口徑鋼管等），許多難點得不到解決（如鋼管表面的法紋、內外折疊、重皮等），眾多的用戶急需可靠的檢測設備來保證產品的*終質量，正是基于上述的考慮，我們從95年開始就與北京鋼鐵研究總院合作為鞍鋼無縫鋼管廠設計制造了一套大口徑無縫鋼管EMA探傷設備。取得了初步的成功，并于97年通過了省級科技成果鑒定。從那以后，又經過了近8年的不懈努力，我公司陸續開發出了系列化EMA探傷設備，并成功地應用在**幾大鋼管廠，受到了一致好評。使EMA技術真正進入了工業應用階段。到目前為止，我公司開發的EMA產品主要有：
（1）、鋼管管體EMA探傷設備
針對現場的不同情況以及檢測標準要求的不同EMA探傷設備主要分成三種形式
1）、鋼管直線前進，兩個探頭沿管體周向120度布置，隨動跟蹤檢測。此種方法可連續檢測鋼管的縱向缺陷。
2）、鋼管螺旋前進，縱、橫向各兩組探頭分別沿著管體周向布置，探頭各自對管體進行隨動跟蹤檢測。此種方法可連續檢測鋼管的縱、橫向缺陷。
3）、鋼管原地旋轉，縱、橫向各兩組探頭在拖動小車的驅動下，直線前進，對管體表面進行螺旋式掃查。此種方法也可以連續檢測鋼管的縱、橫向缺陷。
（2）、高頻焊管焊縫在線EMA探傷設備
探傷主機放置在焊管機組的飛鋸前，兩組探頭騎在焊縫的兩側，在焊管連續焊接的過程中也同時完成了對焊縫的連續檢測。
（3）、管端EMA探傷設備
兩臺探傷主機分別布置在鋼管橫向移動裝置兩邊，鋼管在固定位置原地旋轉，縱、橫向探頭沿管體直線前進對管端進行螺旋式掃查。既可實現管端的縱橫向缺陷的連續檢測。
（4）、板材EMA探傷設備
探傷主機放置在焊管機組成型前的合適位置，鋼板直線前進，四個探頭沿板面按特定的距離依次排列，對鋼板進行100%的掃查，*終實現鋼板的連續檢測。
公安機關備案號：
