張曉欽，吳海虹

（江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215625）

近年來(lái)隨著鋼鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大鋼廠都在不斷地優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高產(chǎn)品品質(zhì)來(lái)贏得市場(chǎng)，其中寬厚板及中厚板產(chǎn)品在橋梁、船舶、石油管道等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，因這些行業(yè)領(lǐng)域的特殊性，對(duì)于鋼板的內(nèi)部質(zhì)量要求極高，而超聲波無(wú)損檢測(cè)作為鋼板內(nèi)部質(zhì)量的主要檢測(cè)手段，尤其是超聲波在線自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)于大批量生產(chǎn)，高精度要求的鋼板都可以滿足其檢測(cè)需求，可以通過(guò)全方位系統(tǒng)的檢測(cè)來(lái)確保產(chǎn)品品質(zhì)。

1 基本技術(shù)原理

1.1 PET 檢測(cè)原理

PET 的基本技術(shù)原理是利用壓電晶片的正負(fù)壓電效應(yīng)通過(guò)產(chǎn)生交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械形變而形成機(jī)械波（聲波），是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。一般通過(guò)電路激發(fā)產(chǎn)生超聲波，超聲波在工作邊角和缺陷處反射，發(fā)射信號(hào)被儀器接收實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)（圖1）。

圖1 PET 基本技術(shù)原理

1.2 EMAT 檢測(cè)原理

當(dāng)通以高變電流的導(dǎo)線（線圈）置于工件表面時(shí)，工件表面會(huì)產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)發(fā)生靜磁場(chǎng)相互作用就會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力。在洛倫茲力作用下工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，這是形成超聲波的動(dòng)力源，由于上述過(guò)程是可逆的，因此從工件邊角處或缺陷處反射回來(lái)的超聲波在外磁場(chǎng)作用下形成渦流，渦流磁場(chǎng)引起導(dǎo)線（線圈）兩端電壓發(fā)生變化（圖2），這一變化信號(hào)被設(shè)備接收即可以實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)。

圖2 EMAT 基本技術(shù)原理

2 PET 與EMAT 檢測(cè)對(duì)比

以江蘇沙鋼集團(tuán)鋼板總廠寬厚板車間的在線探傷儀為例：5 000 mm 寬厚板生產(chǎn)線使用的NDT 公司壓電式鋼板在線自動(dòng)探傷儀（圖3），3 500 mm 中厚板生產(chǎn)線使用的NK 公司電磁式鋼板在線自動(dòng)探傷儀（圖4）。

圖3 HP-B2/L2-TR 型PET 式自動(dòng)在線檢測(cè)設(shè)備-江蘇沙鋼集團(tuán)（2010 年）

圖4 EMAT-PL-3500 式自動(dòng)在線檢測(cè)設(shè)備-江蘇沙鋼集團(tuán)（2016 年）

2.1 適用范圍

兩種技術(shù)都是利用超聲波的發(fā)射與接收來(lái)完成檢測(cè)，原理上是互通的，只是EMAT 的超聲波是在工件表面產(chǎn)生，所以對(duì)于非鐵磁性的材料無(wú)法檢測(cè)，而PET 檢測(cè)則無(wú)此限制。

為了保證超聲波有效穿透被檢工件，PETT 檢測(cè)需要大量的耦合水來(lái)完成超聲波的傳輸，對(duì)檢測(cè)工件表面要求較高，不允許存在油污、油漆或氧化鐵皮，否則會(huì)形成大量的偽缺陷，嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果判定。EMAT 檢測(cè)無(wú)需耦合劑，對(duì)工件表面無(wú)特殊要求，即使存在油污、油漆或大面積氧化鐵皮，也不會(huì)受到干擾，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷。且無(wú)水耦合可以保證工件表面不會(huì)銹蝕，對(duì)于一些高要求的軍工類、航天類產(chǎn)品，無(wú)水檢測(cè)的必須項(xiàng)也可以滿足。

2.2 檢測(cè)能力

PET 檢測(cè)的工件參數(shù)范圍為：厚度6～50 mm，溫度0～85℃；EMAT 檢測(cè)的工件參數(shù)范圍為：厚度6～150 mm，溫度-20～650℃。EMAT 在檢測(cè)能力上遠(yuǎn)超PET，對(duì)于厚規(guī)格的高溫鋼板無(wú)需冷卻即可探傷。這對(duì)于在線生產(chǎn)過(guò)程壓縮有著積極的推動(dòng)作用。以沙鋼集團(tuán)為例，超過(guò)40 mm 厚度的鋼板，冷卻至50℃以下需要3 h 左右，之后才可通過(guò)在線檢測(cè)，若采用EAMT 式探傷儀，即可縮短檢測(cè)等待時(shí)間3 h，提高單位時(shí)間生產(chǎn)效率。

鋼板的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)一般參考FBH 5 mm，兩種檢測(cè)技術(shù)均可達(dá)到FBH 3mm 級(jí)別的檢測(cè)靈敏度，完全可以滿足鋼板的檢測(cè)驗(yàn)收要求。不過(guò)PET 式采用的是縱波檢測(cè)，而EMAT 式采用的是橫波檢測(cè)，在靈敏度上EMAT是優(yōu)于PET 的，但信號(hào)強(qiáng)度上卻不如PET 式。

兩種技術(shù)的檢測(cè)盲區(qū)均可縮減至下表2 mm 范圍內(nèi)，完全滿足日常檢測(cè)需求。但PET 檢測(cè)采用的是T1/R3一發(fā)三收式探頭，其焦距中心的菱形場(chǎng)區(qū)范圍檢測(cè)靈敏度較高，其他位置的靈敏度則相對(duì)較低，提高靈敏度雖然會(huì)緩解此問(wèn)題，但也可能導(dǎo)致過(guò)度評(píng)判，將合格缺陷拒收。EMAT 是通過(guò)重疊線圈產(chǎn)生均勻聲場(chǎng)，全厚度重疊覆蓋，能比較準(zhǔn)確地給各個(gè)缺陷定量，但缺陷的定位不如PET 精確。通過(guò)濾波技術(shù)，將未超標(biāo)缺陷不予顯示，可提高檢測(cè)畫面的清晰度，降低誤判率。

2.3 缺陷評(píng)估

兩者都是利用探頭的DGS 或DAC 曲線自動(dòng)校準(zhǔn)靈敏度，通過(guò)各種深度和孔徑的平底孔和平底槽來(lái)做動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，利用各自的軟件評(píng)估系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估，并以C掃描形式呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果。

PET 檢測(cè)在檢測(cè)瓢曲鋼板時(shí)，如果探頭支架未能調(diào)整到位，探頭則無(wú)法完全與板面耦合，傾斜角度達(dá)到1°時(shí)，底波將完全消失，導(dǎo)致缺陷漏檢或形成線形的偽缺陷，檢測(cè)圖形非常模糊，且無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估。EMAT 檢測(cè)在檢測(cè)瓢曲鋼板時(shí)，由于超聲波是在工件表面產(chǎn)生，會(huì)一直垂直于表面發(fā)射，所以即使探頭與鋼板接觸面的傾斜角度達(dá)到5°（實(shí)際測(cè)試中最大偏轉(zhuǎn)角度可以接近90°），也可以順利完成檢測(cè)，檢測(cè)圖形較為清晰，自動(dòng)評(píng)估準(zhǔn)確率較高（圖5）。

圖5 PET 與EMAT 檢測(cè)時(shí)傾角對(duì)波幅的影響比較

2.4 設(shè)備維護(hù)

PET 檢測(cè)主要的維護(hù)項(xiàng)在于探頭及支架，探頭需定期調(diào)節(jié)水膜厚度，調(diào)節(jié)難度較大，水膜厚度大于0.3 mm則會(huì)降低檢測(cè)靈敏度，水膜厚度小于0.3 mm 則會(huì)加劇探頭磨損；支架的保養(yǎng)和調(diào)節(jié)若不到位，會(huì)直接影響探頭的接觸角度和檢測(cè)結(jié)果。

EMAT 檢測(cè)由于探頭與鋼板不直接接觸，而是通過(guò)壓縮空氣形成0.1～0.7 mm 的空氣膜，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，探頭磨損大幅降低。但探頭磁場(chǎng)系統(tǒng)受外界環(huán)境影響大，探頭排布緊密，不易拆卸更換。

3 結(jié)束語(yǔ)

壓電式的自動(dòng)檢測(cè)裝置，技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍廣，但也存在溫度限制因素多，表面耦合要求高，誤信號(hào)較多等缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中制約著產(chǎn)品的檢驗(yàn)及判定工作。EMAT 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，早期一直處于測(cè)試階段，直至2006 年，由Nordinkraft 公司研制的第1 臺(tái)在線電磁超聲探傷儀在東京制鐵集團(tuán)投入應(yīng)用，雖然目前市場(chǎng)普及率遠(yuǎn)不及壓電式（PET）探傷儀，但其優(yōu)越的技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出了可觀的發(fā)展前景。在檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用方面EMAT 相比PET 具備大厚度、高溫度、無(wú)水耦合、低表面質(zhì)量及板型要求等優(yōu)勢(shì)，但EMAT 檢測(cè)對(duì)缺陷的定位不夠精確，設(shè)備維護(hù)成本相對(duì)較高，在系統(tǒng)軟件等方面還需進(jìn)一步完善。