| 标准编号 | GB/T 20935.2-2018 (GB/T20935.2-2018) | | 中文名称 | 金属材料 电磁超声检测方法 第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法 | | 英文名称 | Metal materials -- Method of electromagnetic acoustic inspection -- Part 2: Standard practice for ultrasonic testing using electromagnetic acoustic transducer (EMAT) techniques | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H26 | | 国际标准分类 | 77.040.20 | | 字数估计 | 18,186 | | 发布日期 | 2018-03-15 | | 实施日期 | 2018-12-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 20935.2-2018
ICS 77.040.20
H26
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 20935.2-2009
金属材料 电磁超声检测方法
第2部分:利用电磁超声换能器
技术进行超声检测的方法
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
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 原理概述 1
5 意义和用途 4
6 应用条件 5
7 设备 5
8 校验 11
9 检测方法 12
10 结果判定 13
11 检测报告 13
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2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 20935.2-2009《金属材料电磁超声检验方法 第2部分:利用电磁超声换能器
技术进行超声检测的方法》,与GB/T 20935.2-2009相比主要技术变化如下:
---将范围中条目进行了合并,删除了原标准“1.7本部分以国际单位作为标准单位”和“1.8本部
分不论述与使用有关的安全问题。使用者有责任在使用前制定有益安全和健康的规程,并确
定其适用范围。”(见第1章,2009年版1.7和1.8);
---修改了规范性引用文件(见第2章,2009年版第2章);
---将第6章中人员资格要求修改为“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。”(见6.1,2009年版6.1)。
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/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、冶金工业信息标准研究院。
本部分主要起草人:张建卫、范弘、刘涛、徐磊、刘光磊、沈海红、董莉。
本部分所代替标准的历次版本发布情况为:
---GB/T 20935.2-2009。
金属材料 电磁超声检测方法
第2部分:利用电磁超声换能器
技术进行超声检测的方法
1 范围
GB/T 20935的本部分给出了利用电磁超声换能器(EMAT)进行特定超声检测的原理概述、意义
和用途,并规定了应用条件、设备、校验、检测方法、结果判定和检测报告。
本部分适用于使用者认为采用电磁超声换能器技术优于传统压电技术的场合;不适用于传统技术
更具优势的场合。
本部分适用于可由电磁方法产生声波的所有材料,包括铁磁性或非铁磁性金属材料。
注:本部分介绍了一些经过验证的电磁超声换能器技术的应用,但不意味这些技术是最佳或唯一的,仅仅是提供一
些应用的选择。
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 11344 无损检测 接触式超声脉冲回波法测厚方法
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
GB/T 20935.1 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/T 23900 无损检测材料超声速度测量方法
3 术语和定义
GB/T 12604.1、GB/T 12604.6和GB/T 20935.1界定的术语和定义适用于本文件。
4 原理概述
4.1 表面检测
4.1.1 在被检材料中激发的表面波可灵敏地探测出表面的不连续性,它是通过不连续性界面的反射回
波或透过波衰减来感知不连续性的,即可以采用脉冲反射技术或一发一收技术。
4.1.2 一种典型的激发表面波或兰姆波的电磁超声换能器见图1。施加的外磁场B0 平行于非铁磁性
或铁磁性材料表面,回折线圈平行放置在材料表面并通以射频(RF)电脉冲,通过感应在材料表面产生
电流,表面电流在磁场中受洛伦兹力作用,洛伦兹力激发出垂直于材料表面振动的应力波进而产生表面
波。电磁超声换能器一般产生双向表面波,通过特殊设计也可产生与传统超声检测相同的单向波。
说明:
1 ---回折线圈;
2 ---表面声波脉冲;
B0---外加磁场;
FL---洛伦兹力。
图1 产生表面波或兰姆波的典型电磁超声换能器
4.1.3 表面不连续可导致表面波的反射或衰减。在电磁超声换能器接收线圈附近,反射或衰减的超声
波使置于磁场中的导体产生振动,从而在线圈中感应出可测量的电压。
4.2 内部检测
4.2.1 为了发现材料内部的不连续性,应使用超声体波进行检测。与表面检测原理相同,内部检测也
是通过不连续性界面的反射回波或透过波衰减来感知不连续性的。
4.2.2 根据对象不同可选择纵波或横波检测。虽然直声束脉冲反射法最直观,但根据不连续性的位置
和取向等因素选择斜声束一发一收技术可能更为理想。
4.2.3 一种典型的激发体波的电磁超声换能器装置见图2。施加的外磁场B0 垂直于非铁磁性或铁磁
性材料表面,螺旋扁平线圈平行放置在材料表面并通以脉冲电流,通过感应在材料表面产生电流,表面
电流在磁场中受洛伦兹力作用,在材料表面形成振动的应力波。根据磁场方向不同,可激发垂直于工件
表面传播的径向偏振横波或平面偏振横波,图2装置激发的是径向偏振横波。在非铁磁性材料中也能
激发出可供使用的纵波;而在铁磁性材料,由于耦合效率极低所以很难激发纵波。内部检测可以使用通
过波型转换得到的纵波。7.2详细介绍了激发各种模式体波的电磁超声换能器和磁化装置。
说明:
1---磁铁;
2---螺旋线圈;
3---J(涡流);
4---FL(洛伦兹力);
5---B0(磁场);
6---超声波;
7---被检工件;
8---俯视图。
图2 产生体波的典型电磁超声换能器
4.3 测厚
4.3.1 超声波传入材料后在底面反射回表面,在声速已知情况下,通过测量声波传播的时间来计算材
料的厚度。对于已知材料,也可以标准厚度试块的传播时间为基准外推材料的厚度值,测试方法见
GB/T 11344。
4.3.2 材料中的超声波传播速度取决于该材料物理特性,即材料的刚度和密度。对于已知类型的材
料,一般认为其物理特性是一常数。速度近似值可以从很多资料中查到,也可按照GB/T 23900通过实
验得到。
4.3.3 应采用体波来测定声波在材料中的传播时间。虽然可以使用纵波,但一般应采用横波,这是因
为横波在材料中的传播速度较慢,对于较薄材料的测量更精确。虽然直声束脉冲回波法最简单和常用,
但在测量较薄材料时,如果要求扫描速度较快或分辨率较高,采用斜声束一发一收技术可能更为理想。
利用电磁超声换能器技术激发体波的方法在4.2.3和图2中进行了讨论和描述。
5 意义和用途
5.1 由于电磁超声换能器为非接触式,所以可用于自动检测、高速检测、动态检测,远距离或危险环境
下的检测,高温状态下的检测及粗糙表面状态下的检测。本部分包含使用电磁超声换能器进行表面和
内部探伤以及测厚的方法。
5.2 电磁超声换能器技术的独特性体现在超声波的发射和接收。除此之外,传统超声检测技术和方法
均适用于电磁超声。
5.3 由于电磁超声换能器通过电磁方法在材料中激发和接收声波,所以能够检测非铁磁或铁磁性金属
材料。线圈是电磁超声换能器激发超声波的最简单器件,使其通入交变电流,并置于材料表面的均匀磁
场中,在导体中感应出涡流。涡流在磁场中受到洛伦兹力作用,并通过与金属晶格碰撞或其他微观过程
将力传递给被检材料。洛伦兹力的方向随激励电流的频率交替变化,产生超声波。在铁磁性材料中,同
时伴随有另外一种耦合机制激发超声波,即由于磁滞伸缩效应,交变电流产生的动态磁场与材料磁化场
的相互作用形成另一种波源。上述两种转换机制都是可逆的,因此能够实现检测。图3给出了激发电
磁超声的转换机理、力及方向。
a) b) c)
说明:
J ---单个导体中的电流,单位为安培(A);
B0 ---外磁感应强度,单位为特斯拉(T);
Fm ---磁化力(铁磁性材料),单位为牛顿(N);
Fms---磁致伸缩力(铁磁性材料),单位为牛顿(N);
FL ---洛伦兹力(导体材料),单位为牛顿(N)。
图3 电磁超声产生机理
5.4 电磁超声换能器可激发出各种模式的超声波。与传统超声检测一样,声束角度和声波模式的选择
应根据材质、不连续性的可能位置和取向决定。为了正确选择波模,就应知道被检工件的几何形状以及
预期不连续性的大致位置、尺寸、取向和反射率,还应知道电磁超声换能器允许的提离范围及超声波传
播的物理规律。
5.5 对于需要灵活选择波模的应用场合,电磁超声换能器技术与传统的压电超声技术相比具有明显的
优势。电磁超声换能器可高效地产生表面波,且比传统压电超声探头更容易产生水平偏振横波(SH
波)。SH波在界面上不会发生波型转换且通过调节发射频率可使其入射角在0°~90°之间变化,这一
点非常重要。电磁超声换能器也能激发兰姆波,能对管材进行周向检测或对薄板进行整体检测。电磁
超声换能器可以很方便的重复制作,互换性较好,因此信号响应具有很好的重复性。
6 应用条件
6.1 人员资格
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。
6.2 方法和技术
除非专门指定,应使用本部分推荐的方法和技术。对专门指定的技术应在双方合同中注明。
6.3 报告内容和验收标准
除特殊说明,检测报告应与第11章的要求一致。验收标准应符合相关标准的规定或在双方合同中
予以规定。
6.4 修复和返工后的复检
本部分不包含修复、返工后的复检条款,若需要,可在双方合同中加以说明。
7 设备
7.1 表面检测
7.1.1 母材检测
7.1.1.1 线圈的设计
图4所示是一种典型的产生表面波的回折线圈,工作方式可以是脉冲反射式或一发一收式。
说明:
1---磁铁;
2---EMAT回折线圈结构示意图;
3---典型EMAT回折线圈。
图4 产生表面波的典型电磁超声换能器回折线圈
7.1.1.2 线圈的激励
应采用专用的大功率射频发射电路以周期脉冲串形式激励线圈。
7.1.1.3 工件的磁化
图5所示的是一种典型的为回折线圈提供外部磁场的磁化装置,它产生一个平行于被检表面的脉
冲磁场,脉冲发生器及其电源提供脉冲电流激励脉冲磁铁。该磁场也可由永久磁铁或直流电磁铁来
提供。
说明:
1---钢板;
2---磁芯;
3---表面波发生器;
4---脉冲磁化线圈;
5---电磁超声换能器线圈;
6---磁通量。
图5 产生表面波的典型电磁铁结构
7.1.1.4 仪器
仪器用来获取和分析来自电磁超声换能器的信号,实现信号处理和数据采集的电路是接收单元,它
对信号进行增益调节和滤波处理,这与传统超声仪器是一样的。仪器有多种采集和分析信号方式可供
操作者选择。计算机配上A/D转换板及相应的超声探伤软件即组成一套有效配置。也可采用与传统
超声仪类似的简单配置,将模拟信号送给示波器显示检测结果。另外,为了给信号采集提供准确的触
发,应采用脉冲发生器/接收器的同步电路。
7.1.1.5 对比试样
用于校验设备的对比试样应与被检材料具有相同的材质、厚度、表面状况及热处理状态。对比试样
上除了用于调整灵敏度的人工伤外,不应有影响人工伤正常指示的不连续性存在。人工伤的长度、宽度
和深度应与验收标准相一致。
7.1.2 焊缝检测
7.1.2.1 线圈的设计
多数情况下,检测母材所用电磁超声换能器线圈和磁铁(见7.1.1)可用于焊缝检测。然而在某些情
况下,焊缝表面不连续性的检测有一定难度,这是因为焊缝的根部和余高可能产生反射,有时反射很强
以致与不连续性信号相混淆,甚至淹没不连续性信号。使用衍射技术可以消除焊缝结构的反射信号,清
晰显现出不连续性。图6所示是一种专门设计的一发一收焦线重合的电磁超声换能器探头,在扫查时
与焊缝中心线成一定角度,选择适当频率使表面波波长与被检测工件近表面的不连续性尺寸相当,表面
的不连续性可通过宽角度的衍射检出,而焊缝根部和余高信号以镜面反射形式反射,不被线圈接收。
图6 产生表面波焦线重合的电磁超声换能器线圈
7.1.2.2 线圈的激励
应符合7.1.1.2规定。
7.1.2.3 工件的磁化
图5所示是一种为7.1.2.1线圈提供外部磁场的磁化装置,它产生一个平行于被检表面的脉冲磁
场。该磁场也可由永久磁铁或直流电磁铁提供。
7.1.2.4 仪器
应符合7.1.1.4规定。
7.1.2.5 对比试样
对比试样应符合以下规定:
a) 用于校验设备的对比试样应从与被检对象具有相同的材质、焊接磁性能、厚度、表面状况及热
处理状态的焊接件截取。对比试样上除了用于调整灵敏度的人工伤外,不应有影响人工伤正
常指示的不连续性存在。应在焊缝区制作对比人工伤以保证达到规定灵敏度。人工伤通常是
刻槽或平底孔。
b) 人工伤可制作在焊缝上、焊缝热影响区(即平行于焊缝的母材)中,或依照焊接验收标准的
规定。
c) 刻槽的长、深、宽尺寸应由使用方决定,并应与焊接验收标准相一致。
d) 槽深是指从槽边缘表面到最深处和最浅处的值。测量槽深可采用光学、复形、机械或其他方
法。槽深通常定义为公称厚度的百分比。
7.2 内部检测
7.2.1 母材检测
7.2.1.1 线圈的设计
内部检测是使用体波对材料内部进行检测。图7所示是能激发体波的各种电磁超声换能器线圈及
磁铁形式。与传统超声检测相同,工作方式既可以是脉冲反射式也可以是一发一收式。线圈由射频脉
冲激励,根据所需波型不同,可选择平行或垂直于材料表面的磁场。
说明:
1---SV横波;
2---SV横波或斜纵波;
3---回折线圈;
4---径向偏振横波;
5---SV横波;
6---螺旋线圈;
7---径向偏振横波;
8---SH横波或SH切变导波;
9---螺旋线圈。
图7 用于激发体波的典型电磁超声换能器线圈/磁铁形式
7.2.1.2 线圈的激励
采用专门的大功率射频发生器来激励线圈。对于回折线圈,激励信号是几个周期的脉冲串;对于螺
旋线圈,激励信号是尖脉冲或短脉冲串。
7.2.1.3 仪器
应符合7.1.1.4规定。
7.2.1.4 对比试样
应符合7.1.1.5规定。
7.2.2 焊缝检测
7.2.2.1 线圈的设计
用于焊缝内部检测的电磁超声换能器线圈与母材内部检测的线圈基本相同。图7所示的电磁超声
换能器线圈/磁铁也适用于焊缝内部检测,其工作方式可选择脉冲反射式或一发一收式,线圈由射频脉
冲激励,根据所选择的波型,磁化方向平行或垂直于工件表面。
7.2.2.2 线圈的激励
应符合7.1.1.2规定。
7.2.2.3 仪器
应符合7.1.1.4规定。
7.2.2.4 对比试样
应符合7.1.2.5规定。
7.3 测厚
7.3.1 薄工件
7.3.1.1 线圈的设计
以下电磁超声换能器方法宜用于测量2.54mm~12.7mm厚度的工件,特别是底面比较粗糙的
工件。
图8所示的是一种测量薄工件厚度的电磁超声换能器线圈,为发收一体结构。它以横波入射工件,
接收底面反射的纵波。线圈采用尖脉冲大电流激励。这种方法与典型的脉冲反射法相比有很多优点,
斜反射和波型转换的纵波产生的延迟减少或消除了一次反射波主脉冲过大所带来的一系列问题,同时
还允许使用低频(约1MHz),低频对底面不规则性不敏感。当底面不规则时(如蒸汽分配管),采用上
述方法使用一次回波才能得到准确测量结果。
图8 薄工件测厚用的收/发式电磁超声换能器线圈形状
7.3.1.2 线圈的激励
采用专门的大功率射频发生器来激励线圈。激励信号是尖脉冲或短脉冲串。
7.3.1.3 工件的磁化
图5所示是一个脉冲电磁铁,它用于为7.3.1.1所述的线圈提供磁场。该脉冲电磁铁在被检工件表
面产生切线方向的磁场,脉冲发生器及其电源提供脉冲电流激励脉冲磁铁。该磁场也可由永久磁铁或
直流电磁铁来提供。
7.3.1.4 仪器
以下是现场使用的测厚仪器:信号处理和数据采集由接收单元、工控机、模数转换板以及同步电路
组成。接收单元对电磁超声换能器信号进行增益调节和滤波处理,工控机配置任一商用A/D转换板卡
实现信号采集,商用软件或经修改的商用软件即能测量信号振幅和传播时间,并给出A扫显示和厚度
数据。传统超声测厚仪经过适当改装也可得到精确的测量结果。
7.3.1.5 对比试样
用于设备校验的对比试样应已知厚度,且与被检材料具有相同的材质、表面状况和热处理状态,以
及不应有不连续性或其他异物存在。
7.3.2 厚工件
7.3.2.1 线圈的设计
当工件厚度大于约6.35mm时,通常采用图9所示的扁平线圈,利用脉冲反射法,在工件中激发横
波,并监测工件的底面反射。线圈采用尖脉冲的大电流激励。
图9 厚工件测厚用的典型电磁超声换能器扁平线圈
7.3.2.2 线圈的激励
应符合7.3.1.2规定。
7.3.2.3 磁化
图10所示是一种为7.3.2.1中线圈提供磁场的磁化装置,它产生垂直于被检表面的磁场。
图10 为厚工件测厚用的典型电磁超声换能器扁平线圈设计的永久磁铁
7.3.2.4 仪器
应符合7.3.1.4规定。
7.3.2.5 对比试样
应符合7.3.1.5规定。
8 校验
8.1 通则
8.1.1 由于电磁超声换能器不像传统压电装置那样属于通用商品,因此在使用前设计者应能证明电磁
超声换能器满足灵敏度和频率特性要求。为此有必要用对比试样标定电磁超声换能器系统。
8.1.2 在检测前,宜使用标准要求的或协议规定的对比试样校验电磁超声换能器系统。
8.1.3 对比试样应与被检材料有相似的声学特性。对于特殊应用,应按第7章要求进行选择。
8.1.4 与传统超声相同,如果对比试样上人工伤信号的幅度与被检材料不同,应进行衰减补偿。
8.1.5 当设备或操作者有变化时,应使用对比试样重新校验设备。
8.1.6 在检测过程中,应每运行4h或按协议规定对设备校验一次,以保证电磁超声换能器系统的准确
性。不论何时,只要信号与初次校验时相差10%或更多,就应对设备进行调整。
8.1.7 当电磁超声换能器工作在扫查方式时,应对扫查速度与信号采集是否匹配进行验证,以保证达
到合同规定的检测分辨率。
8.1.8 除特别规定,电磁超声换能器系统一般提供A扫显示方式,至少应显示始脉冲和一次底面回波
信号,操作者可根据需要选择反射波的数量。
8.1.9 不同检测的校验方法是不同的。测厚和探伤的一般校验步骤见8.2和8.3。
8.2 测厚
8.2.1 对比试样至少应包括两个厚度值,一个在实际被检工件最小厚度值的10%范围之内,另一个在
最大厚度值的10%范围之内。宜在最大值与最小值......
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