電磁超聲探傷儀在棒材檢測中的應用

聞小德，劉超群

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電磁超聲探傷儀在棒材檢測中的應用

聞小德，劉超群

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業部，山東萊蕪 271105)

介紹了棒材電磁超聲探傷儀的設備結構、功能和工作原理，并對棒材內部缺陷進行了識別分析。相比常規水浸式壓電超聲，電磁超聲探傷儀具有調整簡便、適應溫度范圍廣等優點，在棒材自動無損檢測領域逐漸占據了重要地位。

棒材；電磁超聲；壓電超聲；缺陷；自動

0 引言

為實現產品“無缺陷”交貨，無損檢測技術在產品靜態和動態檢測以及質量管理中，已成為不可缺少的重要環節[1]。

萊鋼特鋼于2014年建成的Φ90~Φ220 mm大棒無損檢測生產線，該生產線即選用了進口的EMATEST-BB-220型電磁超聲探傷儀用于探傷棒材的內部缺陷。

1 電磁超聲探傷儀簡介

該探傷儀通過A掃描、C掃描方式檢測棒材中的夾雜、裂紋、縮孔等缺陷。EMATEST-BB-220型探傷儀將棒材內部缺陷定義為芯部缺陷和亞表面缺陷，利用不同的探頭，設置不同的門檻完成檢測。

1.1 設備主要性能參數

探頭排列：8個回形線圈組合排列在橫波探頭CF內，10個蛇形線圈組合排列在垂直剪切波探頭SSF中。

探頭布置：CF探頭與SSF探頭對稱布置在一對探頭臂上。

探傷方式：探頭線圈非接觸式

探頭抱合方式：電機驅動

聲波輻射角度：CF探頭垂直入射，SSF探頭從+30°和-30°兩個方向入射。

標棒校準方式：手動調整、自動標定

位置門代號：一次缺陷波-AD、一次底波-A1、二次缺陷波-、二次底波-A2、始波-AN

報警門代號：缺陷波-綠色(雙門)、底波-黃色(單門)。

工作頻率：CF探頭3 MHz、SSF探頭1.25 MHz

最大檢測速度：1.5 m/s

端部檢測盲區：≤50 mm

缺陷標記精度：≤±20 mm

信噪比：≥12 dB

1.2 設備結構及功能簡述

該設備采用探頭旋轉、棒材直線通過式的探傷方法，主要由旋轉探頭機構、電氣柜、計算機控制系統、操作臺、缺陷標記器、標棒、去磁裝置等組成。旋轉探頭機構包括探頭架、探頭線圈、永磁鐵、滑靴、耐磨片等，旋轉探頭結構示意圖見圖1所示。

計算機控制系統包括硬件與軟件，軟件的作用主要是進行檢測參數的設定，檢測結果的動態顯示、存儲、打印等。其中A掃描主要是完成標棒校準時的參數設置，包括位置門(起點、寬度)、報警門高度、增益值、脈沖重復頻率、端部檢測盲區、檢測速度等。C掃描圖用于逐支顯示棒材的檢測結果，包括棒材的長度、缺陷的位置、缺陷的類型等。

1.3 標棒

該探傷儀采用當量法評定缺陷，標棒上加工有人工缺陷孔，見圖2。探傷前根據探傷精度要求，選擇特定尺寸人工缺陷的標棒來校準探傷儀，檢測結果用當量孔來評定，該設備配備的標棒的缺陷尺寸見表1。

表1 不同規格標棒的人工缺陷尺寸

2 電磁超聲檢測的基本原理

棒材電磁超聲波探傷儀的探頭分為橫波探頭CF、垂直剪切波探頭SSF，其中橫波探頭CF采用回形線圈，垂直剪切波探頭SSF采用蛇形線圈，工作原理見圖3。當磁鐵產生的磁力線垂直于棒材表面時，渦流受力方向平行于棒材表面，質點產生與作用力垂直的超聲橫波，用于檢測棒材芯部缺陷。

(a) 橫波檢測棒材芯部缺陷

(b) 垂直剪切波檢測棒材亞表面缺陷

圖3 棒材電磁超聲檢測原理圖

Fig.3 Diagram of EMAT principle for round bar

將線圈制成蛇形，使相鄰兩部分繞組的電流方向相反，并使磁力線垂直于金屬表面時，將在棒材內部產生垂直偏振橫波，又稱垂直剪切波，用于檢測棒材亞表面缺陷。

棒材表面產生的電磁超聲波向棒材內部傳播，遇到缺陷時形成缺陷反射波，與棒材底反射波一起被電磁超聲探頭捕捉，并在回波器上以A掃描波形圖的形式顯示出來，據此可分析缺陷在棒材內的位置和大小[2-4]。

3 電磁超聲檢測的技術特點

相比于傳統的壓電超聲檢測技術，棒材電磁超聲檢測技術具有如下明顯優點：

(1) 電磁超聲的能量轉換是在棒材表面的趨膚層內直接進行的，由于趨膚層是棒材的表面層，聲波的輻射角度與棒材直徑無關，因此，與水浸式壓電超聲相比，無需根據棒材直徑頻繁調整探頭角度，可最大程度地減少人工校準的不可靠性。

(2) 在水浸式壓電超聲中，由于第I臨界角和第II臨界角的限制，為準確檢測棒材亞表面缺陷，需保證橫波聲壓最強，即超聲波在棒材中的折射角度在45°左右[5]，其亞表面檢測深度只有0.15左右(表示棒材直徑)。電磁超聲輻射角度為30°，亞表面檢測深度可達0.25，因此，電磁超聲的亞表面檢測區域更大，CF探頭與SSF探頭聲波覆蓋區域重疊性更好，可實現棒材橫斷面的100%掃描。

(3) 由于棒材圓度的不穩定性、探傷輥道磨損等均會影響探頭與棒材表面的垂直度。壓電探頭與棒材表面的傾角偏離2°~3°，就會造成棒材中聲場的重大失真，缺陷很容易被漏檢。

根據電磁效應的原理，電磁超聲探頭與棒材形成一定傾角的情況下，仍能保證超聲波發射和接收的方向垂直于棒材表面，因此更適用于大直徑棒材的檢測。

(4) 水浸式壓電探頭易受侵蝕、刮傷、水溫等不確定因素影響，探頭需要經常標定，至少每4個小時校準一次。更換棒材規格時，直探頭可以不調整，但斜探頭必須調整，因此，每個規格棒材需準備一支對比樣棒。

電磁超聲探頭因為不直接接觸棒材表面，探頭性能非常穩定，不需要頻繁地維護、標定。電磁超聲探傷儀相對壓電超聲還有一個巨大優勢，即具有自動標定功能，當系統接收第一支新規格棒材時，電磁超聲探頭會發射一個參考信號，系統可根據接收到的參考信號的振幅自動計算并設置相應的報警線。

(5) 壓電效應與溫度有關，溫度升高時壓電效應減弱，當達到某一溫度即居里溫度時，壓電效應完全消失。溫度對壓電超聲的影響還表現在當溫度升高時，超聲波聲速減小，斜探頭的折射角增大，超聲波在介質中傳播的衰減加大[6]。由于壓電超聲采用水作為耦合介質，當棒材溫度高于100 °C時，耦合水在棒材表面將形成氣泡，會嚴重影響耦合效果。電磁超聲探傷儀的使用溫度范圍廣，適用的棒材溫度范圍為-30~650 °C，因此，電磁超聲探傷儀可根據棒材緩冷工藝要求靈活組織生產，不會對軋線生產節奏造成影響，特別適合需緩冷處理的熱軋大棒的探傷需要。

電磁超聲檢測技術雖然是一種非接觸式探傷方法，具有突出的優點，但也存在不容忽視的缺點：

(1) 電磁超聲換能器的轉化效率低，其效率比傳統壓電換能器低20~40 dB[7]，因此，接收到的回波信號幅度小。

(2) 對提離值的要求苛刻，電磁超聲換能器距離被檢材料每增加1 mm，檢測信號幾乎成指數衰減。

(3) 對周圍環境噪聲敏感度高，噪聲和干擾比較強，有用信號比較弱，接收到的回波信號常被淹沒在噪聲中，導致信噪比較低。

近年來隨著計算機技術和磁性材料技術的進步，以及功率電子技術的發展，解決了電磁超聲傳感器換能效率低的功率問題[8]，電磁超聲換能器的電聲轉換效率得到了很大提高，其檢測靈敏度得到了改善，促使電磁超聲檢測技術得到了迅速推廣和應用。

4 EMATEST-BB-220探傷儀的應用

該探傷儀使用A掃描，采用負半波顯示，其顯示回波特征包括了回波高度、回波位置、回波形狀等。C掃描顯示缺陷的波幅，并對芯部缺陷、亞表面缺陷在棒材長度方向上進行準確定位。

4.1 標棒校準要點

(1) 校準前應根據棒材規格選擇相同或相近直徑的標棒，并更換探頭滑靴。清潔標棒表面污物和旋轉探頭機構內吸附的氧化鐵皮等雜物。

(2) 利用樣板測量耐磨片的磨損深度，通過在耐磨片背面加入0.05~1 mm的墊片來補償被磨損的耐磨片的高度，最終保證探頭線圈與耐磨片的間隙為0.1~0.2 mm。

(3) 根據標棒直徑調整探頭臂開口度，插入標棒，電機驅動探頭臂抱合棒材，手動調整回旋螺母，使永磁鐵與探頭線圈間距保證在1~1.5 mm。

(4) 根據標棒直徑設定位置門起始點和寬度、報警門高度、缺陷波峰幅度值、端部檢測盲區、檢測速度等參數，啟用自動標定功能，自動校準CF探頭和SSF探頭的增益值。

(5) 若標棒直徑與棒材直徑不相同，在探頭增益值校準完成后，根據棒材直徑重新設定位置門起始點和寬度、端部檢測盲區、檢測速度等參數。

(6) 校準標棒時，要使每個探頭準確檢測到缺陷波形，動態測試時精確檢測到標棒上的芯部人工缺陷和亞表面人工缺陷，即C掃描圖上的缺陷顯示位置與標棒上人工缺陷位置相一致。

4.2 缺陷識別

(1) 芯部缺陷檢測

檢測棒材芯部缺陷時，電磁超聲探頭發射超聲橫波垂直入射進棒材。A掃描橫坐標顯示出芯部缺陷的徑向位置，縱坐標顯示出缺陷的波幅，如圖4所示。缺陷在棒材長度方向上的軸向位置由C掃描顯示，圖5為棒材內部缺陷的C掃描圖，由圖5可知缺陷的軸向位置。

(2) 亞表面缺陷檢測

檢測棒材亞表面缺陷時，電磁超聲探頭發射垂直剪切波斜入射進棒材內部，入射角度為30°，根據超聲波檢測原理，亞表面缺陷出現在A掃描上位置(表示棒材直徑)，如圖6所示。亞表面缺陷的軸向位置由C掃描圖顯示，如圖5所示。

(a) C掃描圖的上區域

(b) C掃描圖的下區域

圖5 棒材檢測C掃描圖

Fig.5 Diagram of C scan for bar

(3) 缺陷的定量

EMATEST-BB-220型電磁超聲探傷儀可通過A掃描圖和C掃描圖實現對缺陷的定量分析。C掃描圖分為上下兩個區域，如圖5所示，圖5(a)顯示各探頭檢測結果，圖5(b)顯示探頭的檢測波形。圖5(a)的橫坐標為棒材長度，縱坐標為探頭編號。圖5(b)的橫坐標顯示缺陷的軸向位置，縱坐標顯示缺陷的波幅，即分貝值。

當缺陷大小超過報警線時，檢測到缺陷的探頭在對應的軸向位置記錄缺陷，在圖5(a)中標記為紅色條塊，無缺陷時則顯示綠色。

定量分析時，鼠標點擊紅色條塊，即可在圖5(b)中看見缺陷的波形，直接讀取缺陷波幅的分貝值以及缺陷與報警線的分貝差值。如圖7所示，在A掃描圖中的右上方也可直接讀取缺陷波幅的分貝值。

5 結論

電磁超聲檢測適用于碳素鋼、合金鋼等軋制與調質狀態的棒材、鋼管等，可有效檢測出棒材內部的疏松、縮孔、夾雜、白點、裂紋等各種缺陷。總之，電磁超聲作為一項無損檢測新技術，因其無需耦合、經濟環保、檢測速度快、適用溫度范圍廣、對被檢工件表面要求不高等優點，在棒材無損檢測領域中占據越來越重要的地位，是棒材超聲波檢測發展的新趨勢。

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Application of electromagnetic ultrasonic detector for round steel inspection

WEN Xiao-de, LIU Chao-qun

(Special Steel Business Unit, Laiwu Branch of Shan Steel Company Limited, Laiwu 271105, Shandong, China)

The equipment structure、function and basic principles of electromagnetic ultrasonic detector for round steel inspection were introduced, and the defect in the steel was recognized. It was compared with PZT ultrasonic testing, Some advantages of EMAT were introduced, such as easy adjustment, adapt to wide temperature range and so on, so an important position gradually in the field of NDT was occupied.

round steel; electromagnetic ultrasonic; piezoelectric ultrasonic; defect; automatic

TB559

A

1000-3630(2015)-05-0419-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.008

2014-05-30;

2014-09-01

聞小德(1985－), 男, 安徽安慶人, 工程師, 研究方向為軋鋼與無損檢測技術。

聞小德, E-mail: wenxiaode@126.com