ICS 77.040.20 H 26 中华人民共和国国家标准 GB/T 20935.1—2018 代替GB/T20935.1—2007 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 Metal materials-Method of electromagnetic acoustic inspection- Part 1:Standard guide for electromagnetic acoustic transducers(EMATs) 2018-12-01实施 2018-03-15发布 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布 中国国家标准化管理委员会 GB/T 20935.1—2018 前言 GB/T20935《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； 一第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法； 一第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/T20935的第1部分。 本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本部分代替GB/T20935.12007《金属材料电磁超声检验方法第1部分：电磁超声换能器指 南》，与GB/T20935.1一2007相比主要技术内容变化如下： 增加了第5章 应用条件（见第5章）； 删除了第8章人员资格要求（见2007年版第8章）； 一删除了第9章应用内容（见2007年版第9章）； 增加了资料性附录A电磁超声换能器典型应用实例（见附录A）。 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：范弘、张建卫、张克、沈海红、徐磊、董莉。 本部分代替标准的历次版本发布情况为： GB/T20935.1—2007。 GB/T20935.1—2018 引言 超声技术已经充分确立了其在无损检测领域中的地位。起初，超声波的产生主要通过压电效应实 现电能与机械能的转换，这是产生超声波的一种有效方法。但它的缺点是，为了使超声波能顺利地进入 被检材料，需要液体做耦合介质。在使用耦合剂时，通常是将被检材料浸人液体或在材料表面涂抹薄层 液体。 电磁超声换能器不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波。但是，电磁超声检测的对 象必须是金属材料（铁磁性或非铁磁性）。电磁超声换能器的超声发射器由金属线圈组成，将其放在金 属材料（铁磁性或非铁磁性）表面的稳恒磁场中，利用交变电流来激励产生超声波。金属材料表面根据 变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛伦兹力的作用产生振荡应力波（在铁磁性导电材料中有时磁 致伸缩力和洛伦兹力共同作用）。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。电磁超声换能器是一种重复性很好的非接触式超声波 发射和接收系统。 GB/T20935.1—2018 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 1范围 GB/T20935的本部分给出了使用电磁超声换能器（EMATs）进行超声检测的意义和用途、应用条 件、标定、原理和系统配置指南。 本部分为确认电磁超声换能器在特定应用中的有效性提供基本参考。 在附录A中简要介绍了电磁超声换能器的一些应用实例。 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/T9445无损检测人员资格鉴定与认证 GB/T11259无损检测超声检测用钢参考试块的制作和控制方法 GB/T12604.1无损检测术语超声检测 GB/T12604.6无损检测术语涡流检测 JB/T10062超声探伤用探头性能测试方法 3 术语和定义 GB/T12604.1和GB/T12604.6界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 electromagnetic acoustic transducer;EMATs 电磁超声换能器 在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置。 3.2 洛伦兹力 Lorentz forces 电流在磁场中所受的力。 注：洛伦兹力垂直于磁场和电流方向，与电机的原理相同。 3.3 磁致伸缩力 magnetostrictiveforces 铁磁性材料在磁化时，磁畴壁移动产生的力 3.4 回折线圈 meandercoil 周期绕制的不相交且有均匀间距的电磁超声换能器线圈。 3.5 扁平（螺旋）线圈 pancake(spiral)coil 螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈。 1 GB/T20935.1—2018 3.6 体波bulkwave 无损检测中用来探测体积材料的超声波，可以是纵波也可以是横波。 4意义和用途 4.1概要 超声检测是一种广泛应用的无损检测方法，大多数超声检测使用压电晶片实现电能与声能的直接 转换。本部分介绍的是一种以非接触方式在铁磁性或非铁磁性金属材料中实现电能-声能转换的技术。 电磁超声换能器与压电超声探头相比有其独特性，在某些超声检测场合是一种重要的技术手段 4.2优点 因为电磁超声换能器技术是非接触式的，所以它不需要液体耦合，故而可用于动态检测、远距离或 危险场所的检测、高温和表面粗糙材料的检测。由于这种技术不使用具有潜在污染或危险的化学品，所 以是环保的。它对于复杂几何形状物体的扫查速度快。基于电磁超声波的产生机理，其信号具有很好 的可重复性。电磁超声换能器不需要模式转换就可产生水平偏振横波（SH波）并利用SH波进行扫描 检测。电磁超声换能器还具有利用电方法控制横波方向的能力。 注：传统超声技术需要使用环氧树脂或高黏滞性耦合剂才能产生这种模式的波，所以传统超声技术不轻易使用SH 波进行检测。 4.3 3局限性 电磁超声换能器效率很低。与传统超声方法相比，电磁超声换能器的插入损失高达40dB甚至更 多。电磁超声技术只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料。电磁超声换能器探头的设计比压电探头复 杂。由于效率低，电磁超声换能器需要特殊装置来发射和接收信号，强发射电流、低噪声接收器以及精 确阻抗匹配在系统设计中都是必须的。电磁超声换能器与压电换能器一样有其特定的应用范围。 5应用条件 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/T9445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标定 6.1对比试样 与传统的压电超声检测一样，电磁超声检测应制作一套能够显示被检材料预期不连续性的对比试 样，用来校验灵敏度，见GB/T11259（铝参考试块的制作与检验方法可参照本标准）。 6.2换能器 当修正或修改。本部分不包含专门用于电磁超声换能器的标定方法。 2 GB/T 20935.1—2018 7原理 7.1非磁性导电材料 7.1.1在导电材料中产生弹性波的机理取决于材料的性质。在非磁性导电材料中，声波的产生是洛伦 兹力作用在材料晶格上的结果。可以利用固体自由电子模型描述洛伦兹力的作用。根据导体自由电子 理论，原子的外层价电子脱离原子晶格的束缚，剩下带正电的离子处在自由电子云中。为了在材料中产 生弹性波，合成力应作用到材料晶格上。如果仅利用涡流线圈在导体中产生电磁场，则作用在材料晶格 上的合力为零，这是因为作用在电子上的力和离子上的力大小相等、方向相反，见式（1）、式（2）。 F电子=-qE ...(1) F离子=+qE 式中： q——电子电荷，单位为库仑(C)； 7.1.2如果上述电磁场处于外加稳恒磁场中，作用到晶格上合力就会产生弹性波。此合力就是作用到 电子和离子上的洛伦兹力，见式（3）。 F=qXB ...(3) 式中: U一一电子的运动速度，单位为米每秒（m/s）； B一一稳恒磁感应强度矢量，单位为特斯拉（T）。 这种力通过碰撞作用到晶格的离子上。 7.2磁性导电材料 在磁性导电材料中，磁致伸缩力和洛伦兹力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材 料的磁致伸缩系数，进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在洛伦兹力上。磁致伸缩力很复杂，它取决于 磁畴的分布，同时也受外加稳恒磁场强度和方向的影响。虽然从理论上分析磁性导电材料中的磁致伸 缩力很复杂，但这种附加力很有用，与单独由洛伦兹力产生的信号相比，这种力可大幅提高信号的强度 时候起主导作用，它比相同场强下由洛伦兹力产生的声波明显要强。所以，为了充分利用磁致伸缩效应 在磁性材料中激发超声波，在弱磁场强度下认真验证上述关系是非常必要的。 7.3波模 7.3.1概述 在磁铁和线圈的适当组合下，电磁超声换能器可以产生纵波、横波、表面波和兰姆波。外加磁场的 方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁超声换能器产生超声波的模式 7.3.2纵波 图1显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生纵波的。要产生纵 波，洛伦兹力方向和离子移动方向应垂直于导体表面。与铁磁性材料中的其他波模相比，纵波的产生效 3 GB/T 20935.1—2018 率很低。 说明： 1——电磁波； 一导体表面。 图1电磁超声纵波的产生 7.3.3横波 图2显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生横波的。为了产生横 波，洛伦兹力方向和离子位移方向均应平行导体表面。电磁超声换能器既能产生水平偏振的横波又能 产生垂直偏振的横波，这两种偏振波的区别如图3所示。 T 1 说明： 1一一电磁波； 2——导体表面。 图2电磁超声横波的产生 4