电磁超声探伤仪在棒材检测中的应用

闻小德，刘超群



电磁超声探伤仪在棒材检测中的应用

闻小德，刘超群

(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜 271105)

介绍了棒材电磁超声探伤仪的设备结构、功能和工作原理，并对棒材内部缺陷进行了识别分析。相比常规水浸式压电超声，电磁超声探伤仪具有调整简便、适应温度范围广等优点，在棒材自动无损检测领域逐渐占据了重要地位。

棒材；电磁超声；压电超声；缺陷；自动

0 引言

为实现产品“无缺陷”交货，无损检测技术在产品静态和动态检测以及质量管理中，已成为不可缺少的重要环节[1]。

莱钢特钢于2014年建成的Φ90~Φ220 mm大棒无损检测生产线，该生产线即选用了进口的EMATEST-BB-220型电磁超声探伤仪用于探伤棒材的内部缺陷。

1 电磁超声探伤仪简介

该探伤仪通过A扫描、C扫描方式检测棒材中的夹杂、裂纹、缩孔等缺陷。EMATEST-BB-220型探伤仪将棒材内部缺陷定义为芯部缺陷和亚表面缺陷，利用不同的探头，设置不同的门槛完成检测。

1.1 设备主要性能参数

探头排列：8个回形线圈组合排列在横波探头CF内，10个蛇形线圈组合排列在垂直剪切波探头SSF中。

探头布置：CF探头与SSF探头对称布置在一对探头臂上。

探伤方式：探头线圈非接触式

探头抱合方式：电机驱动

声波辐射角度：CF探头垂直入射，SSF探头从+30°和-30°两个方向入射。

标棒校准方式：手动调整、自动标定

位置门代号：一次缺陷波-AD、一次底波-A1、二次缺陷波-、二次底波-A2、始波-AN

报警门代号：缺陷波-绿色(双门)、底波-黄色(单门)。

工作频率：CF探头3 MHz、SSF探头1.25 MHz

最大检测速度：1.5 m/s

端部检测盲区：≤50 mm

缺陷标记精度：≤±20 mm

信噪比：≥12 dB

1.2 设备结构及功能简述

该设备采用探头旋转、棒材直线通过式的探伤方法，主要由旋转探头机构、电气柜、计算机控制系统、操作台、缺陷标记器、标棒、去磁装置等组成。旋转探头机构包括探头架、探头线圈、永磁铁、滑靴、耐磨片等，旋转探头结构示意图见图1所示。

计算机控制系统包括硬件与软件，软件的作用主要是进行检测参数的设定，检测结果的动态显示、存储、打印等。其中A扫描主要是完成标棒校准时的参数设置，包括位置门(起点、宽度)、报警门高度、增益值、脉冲重复频率、端部检测盲区、检测速度等。C扫描图用于逐支显示棒材的检测结果，包括棒材的长度、缺陷的位置、缺陷的类型等。

1.3 标棒

该探伤仪采用当量法评定缺陷，标棒上加工有人工缺陷孔，见图2。探伤前根据探伤精度要求，选择特定尺寸人工缺陷的标棒来校准探伤仪，检测结果用当量孔来评定，该设备配备的标棒的缺陷尺寸见表1。

表1 不同规格标棒的人工缺陷尺寸

2 电磁超声检测的基本原理

棒材电磁超声波探伤仪的探头分为横波探头CF、垂直剪切波探头SSF，其中横波探头CF采用回形线圈，垂直剪切波探头SSF采用蛇形线圈，工作原理见图3。当磁铁产生的磁力线垂直于棒材表面时，涡流受力方向平行于棒材表面，质点产生与作用力垂直的超声横波，用于检测棒材芯部缺陷。

(a) 横波检测棒材芯部缺陷

(b) 垂直剪切波检测棒材亚表面缺陷

图3 棒材电磁超声检测原理图

Fig.3 Diagram of EMAT principle for round bar

将线圈制成蛇形，使相邻两部分绕组的电流方向相反，并使磁力线垂直于金属表面时，将在棒材内部产生垂直偏振横波，又称垂直剪切波，用于检测棒材亚表面缺陷。

棒材表面产生的电磁超声波向棒材内部传播，遇到缺陷时形成缺陷反射波，与棒材底反射波一起被电磁超声探头捕捉，并在回波器上以A扫描波形图的形式显示出来，据此可分析缺陷在棒材内的位置和大小[2-4]。

3 电磁超声检测的技术特点

相比于传统的压电超声检测技术，棒材电磁超声检测技术具有如下明显优点：

(1) 电磁超声的能量转换是在棒材表面的趋肤层内直接进行的，由于趋肤层是棒材的表面层，声波的辐射角度与棒材直径无关，因此，与水浸式压电超声相比，无需根据棒材直径频繁调整探头角度，可最大程度地减少人工校准的不可靠性。

(2) 在水浸式压电超声中，由于第I临界角和第II临界角的限制，为准确检测棒材亚表面缺陷，需保证横波声压最强，即超声波在棒材中的折射角度在45°左右[5]，其亚表面检测深度只有0.15左右(表示棒材直径)。电磁超声辐射角度为30°，亚表面检测深度可达0.25，因此，电磁超声的亚表面检测区域更大，CF探头与SSF探头声波覆盖区域重叠性更好，可实现棒材横断面的100%扫描。

(3) 由于棒材圆度的不稳定性、探伤辊道磨损等均会影响探头与棒材表面的垂直度。压电探头与棒材表面的倾角偏离2°~3°，就会造成棒材中声场的重大失真，缺陷很容易被漏检。

根据电磁效应的原理，电磁超声探头与棒材形成一定倾角的情况下，仍能保证超声波发射和接收的方向垂直于棒材表面，因此更适用于大直径棒材的检测。

(4) 水浸式压电探头易受侵蚀、刮伤、水温等不确定因素影响，探头需要经常标定，至少每4个小时校准一次。更换棒材规格时，直探头可以不调整，但斜探头必须调整，因此，每个规格棒材需准备一支对比样棒。

电磁超声探头因为不直接接触棒材表面，探头性能非常稳定，不需要频繁地维护、标定。电磁超声探伤仪相对压电超声还有一个巨大优势，即具有自动标定功能，当系统接收第一支新规格棒材时，电磁超声探头会发射一个参考信号，系统可根据接收到的参考信号的振幅自动计算并设置相应的报警线。

(5) 压电效应与温度有关，温度升高时压电效应减弱，当达到某一温度即居里温度时，压电效应完全消失。温度对压电超声的影响还表现在当温度升高时，超声波声速减小，斜探头的折射角增大，超声波在介质中传播的衰减加大[6]。由于压电超声采用水作为耦合介质，当棒材温度高于100 °C时，耦合水在棒材表面将形成气泡，会严重影响耦合效果。电磁超声探伤仪的使用温度范围广，适用的棒材温度范围为-30~650 °C，因此，电磁超声探伤仪可根据棒材缓冷工艺要求灵活组织生产，不会对轧线生产节奏造成影响，特别适合需缓冷处理的热轧大棒的探伤需要。

电磁超声检测技术虽然是一种非接触式探伤方法，具有突出的优点，但也存在不容忽视的缺点：

(1) 电磁超声换能器的转化效率低，其效率比传统压电换能器低20~40 dB[7]，因此，接收到的回波信号幅度小。

(2) 对提离值的要求苛刻，电磁超声换能器距离被检材料每增加1 mm，检测信号几乎成指数衰减。

(3) 对周围环境噪声敏感度高，噪声和干扰比较强，有用信号比较弱，接收到的回波信号常被淹没在噪声中，导致信噪比较低。

近年来随着计算机技术和磁性材料技术的进步，以及功率电子技术的发展，解决了电磁超声传感器换能效率低的功率问题[8]，电磁超声换能器的电声转换效率得到了很大提高，其检测灵敏度得到了改善，促使电磁超声检测技术得到了迅速推广和应用。

4 EMATEST-BB-220探伤仪的应用

该探伤仪使用A扫描，采用负半波显示，其显示回波特征包括了回波高度、回波位置、回波形状等。C扫描显示缺陷的波幅，并对芯部缺陷、亚表面缺陷在棒材长度方向上进行准确定位。

4.1 标棒校准要点

(1) 校准前应根据棒材规格选择相同或相近直径的标棒，并更换探头滑靴。清洁标棒表面污物和旋转探头机构内吸附的氧化铁皮等杂物。

(2) 利用样板测量耐磨片的磨损深度，通过在耐磨片背面加入0.05~1 mm的垫片来补偿被磨损的耐磨片的高度，最终保证探头线圈与耐磨片的间隙为0.1~0.2 mm。

(3) 根据标棒直径调整探头臂开口度，插入标棒，电机驱动探头臂抱合棒材，手动调整回旋螺母，使永磁铁与探头线圈间距保证在1~1.5 mm。

(4) 根据标棒直径设定位置门起始点和宽度、报警门高度、缺陷波峰幅度值、端部检测盲区、检测速度等参数，启用自动标定功能，自动校准CF探头和SSF探头的增益值。

(5) 若标棒直径与棒材直径不相同，在探头增益值校准完成后，根据棒材直径重新设定位置门起始点和宽度、端部检测盲区、检测速度等参数。

(6) 校准标棒时，要使每个探头准确检测到缺陷波形，动态测试时精确检测到标棒上的芯部人工缺陷和亚表面人工缺陷，即C扫描图上的缺陷显示位置与标棒上人工缺陷位置相一致。

4.2 缺陷识别

(1) 芯部缺陷检测

检测棒材芯部缺陷时，电磁超声探头发射超声横波垂直入射进棒材。A扫描横坐标显示出芯部缺陷的径向位置，纵坐标显示出缺陷的波幅，如图4所示。缺陷在棒材长度方向上的轴向位置由C扫描显示，图5为棒材内部缺陷的C扫描图，由图5可知缺陷的轴向位置。

(2) 亚表面缺陷检测

检测棒材亚表面缺陷时，电磁超声探头发射垂直剪切波斜入射进棒材内部，入射角度为30°，根据超声波检测原理，亚表面缺陷出现在A扫描上位置(表示棒材直径)，如图6所示。亚表面缺陷的轴向位置由C扫描图显示，如图5所示。

(a) C扫描图的上区域

(b) C扫描图的下区域

图5 棒材检测C扫描图

Fig.5 Diagram of C scan for bar

(3) 缺陷的定量

EMATEST-BB-220型电磁超声探伤仪可通过A扫描图和C扫描图实现对缺陷的定量分析。C扫描图分为上下两个区域，如图5所示，图5(a)显示各探头检测结果，图5(b)显示探头的检测波形。图5(a)的横坐标为棒材长度，纵坐标为探头编号。图5(b)的横坐标显示缺陷的轴向位置，纵坐标显示缺陷的波幅，即分贝值。

当缺陷大小超过报警线时，检测到缺陷的探头在对应的轴向位置记录缺陷，在图5(a)中标记为红色条块，无缺陷时则显示绿色。

定量分析时，鼠标点击红色条块，即可在图5(b)中看见缺陷的波形，直接读取缺陷波幅的分贝值以及缺陷与报警线的分贝差值。如图7所示，在A扫描图中的右上方也可直接读取缺陷波幅的分贝值。

5 结论

电磁超声检测适用于碳素钢、合金钢等轧制与调质状态的棒材、钢管等，可有效检测出棒材内部的疏松、缩孔、夹杂、白点、裂纹等各种缺陷。总之，电磁超声作为一项无损检测新技术，因其无需耦合、经济环保、检测速度快、适用温度范围广、对被检工件表面要求不高等优点，在棒材无损检测领域中占据越来越重要的地位，是棒材超声波检测发展的新趋势。

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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

闻小德(1985－), 男, 安徽安庆人, 工程师, 研究方向为轧钢与无损检测技术。

闻小德, E-mail: wenxiaode@126.com