1 概述
中厚板在各行各业有着广泛的应用，随着工业技术的迅猛发展、社会生产生活水平的提高，客户对钢板内部质量的要求也越来越严格。超声波探伤作为一种重要的无损检测技术，是目前对中厚板内部质量进行检测判定的主要手段。根据使用方式的不同，超声波探伤分为人工手动探伤和自动探伤，特别是在线自动探伤装置具有检测速度快、效率高以及占用生产场地少等优点，已成为近年国内外新建现代化中厚板厂的首选。
国外自20世纪6O年代末期便开始了自动超声波探伤技术的研发，7O年代中后期该技术得到了广泛应用。目前，在国内外中厚板生产领域内已投入运行的自动超声波探伤装置中，应用最广、数量最多的是以压电效应为原理的自动探伤装置(即PET自动探伤装置)。国内自宝钢5m 厚板厂于2002年成功引进压电式在线自动超声波探伤装置以来，近年来新建的中厚板厂纷纷仿效。但压电式超声波探伤装置在使用过程中存在可探伤钢板温度范围窄、探伤过程需消耗大量耦合水、探伤过程易受干扰而出现误判等问题，促使技术人员不断寻求更适宜于中厚板生产的无损检测新方式。
随着计算机技术的发展和磁性材料技术的进步，EMAT探伤技术，即利用电磁超声波进行无损检测的技术，得到了快速发展，现已走出实验室进入了实际应用领域。俄罗斯、乌克兰、土耳其和日本等国的中厚板厂已成功投产多套EMAT 自动探伤装置，这些EMAT 自动探伤装置的成功运行，显示出EMAT探伤技术在工业化应用领域良好的发展前景。
2 EMAT探伤技术的基本原理
EMAT探伤技术的核心是电磁超声波换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)，是一种新型的超声波发射和接收装置。与传统的压电超声波换能器(Piezoelectric Acoustic Transducer，简称PET)靠压电晶片的压电效应来发射和接收超声波不同，EMAT利用电磁效应发射和接收超声波。
EMAT的主要组成部分有3个：一是用于提供稳恒磁场的永久磁铁或电磁铁，二是用于产生高频激发磁场的金属线圈，三是被检测工件。金属线圈位于被检测材料表面的稳恒磁场中，当线圈内通人交变电流时，被检材料表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛仑兹力的作用产生振荡应力波，形成超声波波源。在接收超声波时，导体表面在磁场中振荡而在线圈中感应出电压，上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的。从EMAT线圈接受的电压信号通过低噪前置放大器放大并被发往信号处理部分，在那里信号被进一步放大、过滤并发往波形数字化电路。由计算机测量出信号的到达时间和数字化信号的振幅，并计算钢板的厚度。这一过程在一个设定的时间间隔内不断地进行，以重复扫描并在计算机屏幕上进行显示。
EMAT不需要任何耦合介质、不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波，是一种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统，但就其原理而言，电磁超声波检测的对象必须是能够产生电磁声波的材料。
图1所示为中厚板EMAT 自动探伤装置简易原理图。这种超声波探伤仪采用脉冲反射式技术，是按照超声波在两个不同声阻抗介质的界面上将发生反射，反射能量的大小取决于两种介质声阻抗的差异大小以及界面的取向和大小的原理来设计的。通常，钢板的内部缺陷主要包括分层、缩松、孔洞、夹杂、白点、气泡、内裂、偏析及严重粗晶等。如图1所示，钢板表面产生的电磁超声波在向钢板内部传播的过程中遇到缺陷时，形成缺陷反射波，与板底反射波一起被接收装置捕捉，并在回波器上以波形图的形式显示出来，据此可分析缺陷在钢板内的不同位置和大小。稳恒磁场的方向、金属线圈的几何形状以及脉冲电流的频率共同决定产生的电磁超声波的种类。在磁场和线圈的不同组合模式下，EMAT可产生纵波、横波、表面波(也称瑞利波)和板波(也称兰姆波)。值得指出的是，传统的压电超声波换能器因为必须采用水等耦合介质，而液体和气体不能传播横波，所以压电式超声波探伤仪只能采用纵波，而EMAT探伤仪则可采用性能更优的横波检测。
3 中厚板EMAT 自动探伤装置的技术特点
中厚板EMAT 自动探伤装置分为在线和离线两种布置形式，均可实现全板面探伤。在线EMAT探伤装置采用钢板本体探伤和边部探伤相结合的复合探伤方式。探伤过程中，钢板沿辊道运行，探伤装置在原有位置保持固定。离线探伤装置探伤过程中钢板静止，探头在钢板上表面沿预定的轨迹移动。
3.1 EMAT 自动探伤装置的组成及特点
探伤装置由探伤装置本体、探头、检测仪表、计算机数据处理系统、检测过程控制系统和辅助装置组成。本文在此重点介绍探伤装置本体以及探头。
3.1.1 探伤装置本体
目前国内外已投产的EMAT 自动探伤装置全部采用上置式结构，即探伤装置设置在钢板运输辊道上方。检测探头布置在一组探伤小车上，在线探伤装置的探伤小车可沿横跨辊道的钢结构轨道运行，从在线的工作工位可进入辊道旁的维修工位。
检测系统一般包括两个部分，即板体检测系统和纵向边部检测系统。此外，有极少数钢厂设有横向边部检测系统。板体检测系统一般包含两排水平EMAT探头组，两排探头以交叉形式布置可获得100 探伤覆盖率。根据钢板宽度的不同，其板体探头数量也不同，以5m 板宽为例，每排设39个共78个探头。边部检测系统有2组共4个探头。每个探头均可通过气缸单独升降，同时可在一定范围内前后和左右微调，有利于针对不同的板形随动检测。
3.1.2 探头
目前中厚板探伤采用的新型EMAT四发四收探头由独立永磁体和金属线圈组成。每个EMAT探头内有4个交叉布置的线圈，每个线圈独立发射和接收超声波。
传统的EMAT探头利用电磁铁提供稳恒磁场，新型EMAT探头改用了独立永磁体来提供稳恒磁场。在一个工作周期后，该磁场可以被切断。与传统设计相比，新型EMAT探头的有效检测宽度较大，灵敏度高且更均匀(在65mm 的有效检测宽度范围内灵敏度变化不超过±1.5dB)。此外，新型探头设计大大减少了整套探伤装置的重量，提高了探伤过程和探头标定的自动化水平。
探头的工作频率在3～10MHz内可调。探头外设有特殊的陶瓷保护层，在探伤过程中，探头与钢板表面形成厚度为0.1～0.4mm 由压缩空气形成的气垫层，这些措施能有效保护探头在探伤过程中不受损坏。每个探头都有各自的悬挂装置和提升系统。探头的升降通过气缸全自动控制，且可在维修状态下单独升降。EMAT探头的标定过程是全自动的，并且可以在不停机的状态下进行，探头平均使用寿命可达500～2000km。新型EMAT探头的主要技术参数见表1。
3.1.3 电气及控制系统
在横跨辊道的钢结构轨道平台上，布置有前置放大器等检测仪表和电控柜。计算机数据处理系统安放在专门的操作室内，具备对检测数据进行收集、分析处理、提交及存储等功能。EMAT系统可根据需要以A/B/C 3种方式进行扫描和显示，还可在线测量钢板的厚度。可按照不同产品的要求选择相应的国内外探伤标准，进行探伤结果的评判，并可打印出相应的检测报告。
检测过程控制系统的主要功能是在探伤周期内控制探伤设备区域辊道的运转、探伤设备机械装置的动作，钢板坐标的跟踪和计算，边部检测探头跟踪板边过程的控制以及与车间控制系统的通讯等。
3.2 与传统PET探伤装置的比较
由于超声波产生的原理不同，EMAT探伤装置与传统的PET探伤装置相比，具有探伤过程不需耦合水、适用温度范围广、探伤速度快等明显优点。但同时也应该认识到，EMAT技术仅能应用于导体和铁磁性材料的缺点，有其局限性。
3.2.1 EMAT探伤装置不需耦合介质
PET探伤装置在探伤过程中需要大量的耦合水，为保证耦合质量以及探伤结果的准确性，PET探伤装置对水质的要求很高，且每吨钢需消耗10L高纯净水。除了造成水资源的浪费外，大量耦合水喷洒在钢板表面、探伤装置和附件辊道上，还会引起锈蚀，影响钢板的外观质量，并使设备的维护工作量增大。耦合水的声学噪音还会对PET探伤过程造成一定的影响，导致误判。另外，在寒冷地区的冬季，由于耦合水易结冰，会造成整套装置不能使用，因此必须要有相应的保温措施，给设备的维护和检修带来很多麻烦。
EMAT探伤装置因为不需要耦合介质，所以不存在上述问题。
3.2.2 EMAT探伤装置适用温度范围广
EMAT探伤装置用于检测钢板温度范围为一4O～650℃ ，PET探伤装置使用的温度范围为0～100℃ 。由于PET探伤装置需要水作为耦合介质，当钢板温度高于100℃时，耦合水在钢板表面将形成气泡，会严重影响耦合效果。
目前世界上已投产的在线PET 自动探伤装置多布置在冷床出口、切头剪前，这是为了选择对“母板”进行探伤，可保证钢板在切头尾和边部后，成品钢板中不会存在漏探区，实现100% 探伤。
但是这一布置形式的缺点在于，受轧制节奏快、冷床面积较小等因素的限制，经过冷床到达在线探伤装置处的钢板温度通常高于100℃ ，为避免出现误探及影响设备性能，生产厂通常采取的措施是对钢板做下线处理，这必然影响生产节奏。
EMAT探伤装置的使用温度范围广，可根据工艺需要灵活布置。
3.2.3 EMAT探伤装置探伤速度快
在线EMAT 自动探伤装置检测钢板的速度可达到2m/s，而PET 自动探伤装置只为lm/s。当钢板通过速度过快时，PET探头与钢板表面之间会形成气泡使耦合失效。而EMAT探伤装置没有这方面的限制，可大大提高检测速度。例如，EMAT自动探伤装置针对24m长钢板的一个探伤周期仅为34s，而PET 自动探伤装置检测12m长钢板的一个探伤周期就需要40s。
3.2.4 EMAT探伤装置抗干扰性强
探伤装置在工作过程中，可能会受到噪音、电磁、钢板表面氧化铁皮等杂物、探头倾角随机偏离等各种因素干扰。其中噪音主要来自钢板沿运输辊道运行时产生的广谱噪音，以及耦合水产生的混响。EMAT探伤装置产生的横波对前者不敏感，PET探伤装置的信号系统如果设计得当，也能够对这种广谱噪音进行处理，使其不影响探伤结果。后者只存在于PET探伤装置的探伤过程中，很可能导致误判。所以必须严格要求对探头进行校准、有良好的耦合水水质和稳定的供水系统。
以EMAT和PET为基础的探伤装置都可以通过先进的电子设备和信号处理系统，消除电磁对探伤结果的干扰。
对于PET探头，钢板表面的油渍、氧化铁皮等杂物都会影响耦合效果和最终探伤结果。此外，由于生产过程中钢板外形的不稳定性，使得经过一段时间的运行之后，PET探头表面的塑料保护膜会有不同程度的磨损，以及探伤过程中探头产生随机偏离，这些因素都会影响探头与钢板表面的垂直度。而PET探头与钢板表面的倾角偏离2。～3。就会造成钢板中声场的重大失真，缺陷很容易被失检。对于EMAT探头，就不存在上述的问题。根据电磁效应的原理，即使在探头与钢板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钢板表面。而探头与钢板之间的气垫层以及探头外层的特殊陶瓷都能对探头起到较好的保护作用。
如图2所示，同等条件下，当探头相对原设定位置的倾角从O。增加到1。的过程中，EMAT探头发射的超声波波幅保持不变，而PET探头的波幅则下降25dB。
3.2.5 EMAT探伤装置产生的声波场更均匀
目前，中厚板PET 自动探伤设备通常采用的探头是一发三收双晶直探头。探头的有效探测宽度50mm，单个晶片长度16.7mm。由于双晶探头的聚焦作用，在晶体与晶体之间的区域检测灵敏度降低。系统为了补偿该区域灵敏度的降低，容易造成过度判伤，即检测出的缺陷与实际相比有放大现象，使得原本在某一探伤标准下合格的钢板被误判为不合格钢板。PET双晶直探头对厚度小于20mm的钢板探伤效果较好，目前采用双晶直探头对20mm 以上厚度的钢板进行探伤尚未被某些标准所接受。
EMAT可在钢板内部形成均匀的电磁超声波场，使各区域的检测灵敏度均匀。同时，相邻EMAT探头间易形成重叠区域，满足一些特殊产品的探伤需求(这些产品通常要求相邻探头扫查面间有10%～25%左右的重叠)。
3.2.6 EMAT探伤装置的局限性
EMAT探伤装置只能应用于导体和铁磁性材料，对于某些不锈钢中厚板，目前的EMAT探伤设备只能通过在对侧垫上普通钢板的方法，形成电磁场，但也只能对较薄的不锈钢板进行探伤，对一定厚度以上的不锈钢板还无法实现电磁超声波探伤。
钢板经过电磁探伤后，会形成一定的渗磁效果，但与目前中厚板厂广泛使用的电磁吸盘吊车的渗磁影响相比，电磁探伤造成的渗磁程度较轻。对于某些对渗磁量有特殊要求的钢板而言，经过电磁探伤后的成品板出厂前需进行消磁处理。
由于电磁超声波信号处理系统较复杂，EMAT探伤装置需配备庞大的电气系统，这使得EMAT探伤仪更适于大型工业探测应用，不适用于手动探伤方式。
与PET探伤装置相比，EMAT所需的压缩空气耗量略大，一般对于探测最大板宽4.9m 的EMAT装置，最大耗气量达到40m3/min，因而往往需要额外增加空气压缩机或储气罐来满足其用气要求。
4 结语
EMAT自动探伤装置不仅可以实现中厚板100 全板面的全自动化和高速检测，且检测时不需要耦合介质，可远程检测，可在高温下及钢板表面粗糙不平等工况下检测。
EMAT自动探伤装置在国外钢厂的成功应用，已经引起了国内中厚板行业很多专业技术人员的关注。为更好地对产品质量进行检测控制，国内湘潭钢铁公司的5m厚板项目已决定率先引进和使用该产品。可以预见的是，未来EMAT探伤装置的优越性将会得到业界的广泛认可，从而改变国内目前已形成的PET 自动探伤装置在中厚板行业的垄断局面。
但是，由于目前国内中厚板行业执行的超声波探伤标准(GB2970—2002和GB11259—1999)仅适用于压电式超声波探伤，而对于采用EMAT方式进行中厚板产品的探伤检测方法、对比试块、检验仪器和设备、检验条件与程序、缺陷的测试与评定、钢板的质量分级、检验报告以及操作人员培训等都没有正式的国家标准要求，尚待相关部门和工程技术人员尽快予以制定和完善。
[参考文献]
[1]中国机械工程学会无损检测学会.无损检测概论[M].北京：机械工业出版社，1 993.
[2]陈积懋，余南廷.超声检测新技术[M].北京：科学出版社，1991.
[3]臧悦，石云峰，刘建磊，等.宽厚板生产领域中在线自动超声波探伤装置的应用及发展前景[J].冶金自动化，2009，(增刊2)：366— 371.
[4]曹建宁，苏洗.厚板自动超声波探伤装置及其布置一兼论使用中的若干工艺问题[A].全国第三次中厚板学术年会[c].济南：济南钢铁集团总公司，2000.
[5]ASTM E1816 96，用电磁声学换能器技术进行超声波检测的标准规范Es].
[6]GB/T 20935.1—2007，金属材料电磁超声检验方法[s].
[7]Michael Ege，Jurgen Schr6der，Andrey Kirikov.UltrasoNIc Testing of Hot Plate Using EMAT Technology[J/OI，].http：//www.ndt.net/artic1e/ecndt2OO6/doc/Tu.4.8.2.pdf，2006— 09.
[8]Andrey Kirikov.Industrial Ultrasonic Examination of Plates with EMAT[A].17th World Conference on Nondestructive Testing [C].Shanghai，China：The International Committee for Non—Destructive Testing，2008.
