1.  概述

中厚板在各行各業有著廣泛的應用，隨著工業技術的迅猛發展、社會生產生活水平的提高，
客戶對鋼板內部質量的要求也越來越嚴格。超聲波探傷作為一種重要的無損檢測技術，是目前對
中厚板內部質量進行檢測判定的主要手段。根據使用方式的不同，超聲波探傷分為人工手動探傷
和自動探傷，特別是在線自動探傷裝置具有檢測速度快、效率高以及占用生產場地少等明顯優點，
已成為近年國內外新建現代化中厚板廠的首要選擇。
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國外自上世紀六十年代末期便開始了自動超聲波探傷技術的研發，七十年代中后期開始廣泛
應用。目前在國內外中厚板生產領域內已投入運行自動超聲波探傷裝置中，應用*廣、數量*多
的是以壓電效應為原理的自動探傷裝置(即 PET 自動探傷裝置)。國內自寶鋼 5m 厚板廠 2002 年
成功引進壓電式在線自動超聲波探傷裝置以來，近年來新建的中厚板廠紛紛仿效。但壓電式超聲
波探傷裝置在使用過程中存在可探傷鋼板溫度范圍窄、探傷過程需消耗大量耦合水、探傷過程較
易受干擾出現誤判等問題，促使技術人員不斷尋求更適宜于中厚板的無損檢測新方式。
EMAT  探傷技術，即利用電磁超聲波進行無損檢測的技術，隨著計算機技術的發展和磁性
材料技術的進步，得到了快速的發展，現已走出實驗室進入了實際應用領域。在俄羅斯、烏克蘭、
土耳其和日本等地的中厚板廠已成功投產多余套 EMAT 自動探傷裝置。這些 EMAT 自動探傷裝
置的成功運行，顯示出 EMAT 探傷技術在工業化應用領域可觀的發展前景。

2.  EMAT 探傷技術的基本原理

EMAT  探傷技術的核心是電磁超聲換能器(Electromagnetic  Acoustic  Transducer，簡稱
EMAT)。EMAT  是一種新型的超聲波發射和接收裝置。與傳統的壓電超聲換能器(Piezoelectric
Acoustic Transducer，簡稱 PET)靠壓電晶片的壓電效應來發射和接收超聲波不同，EMAT 利用
電磁效應發射和接收超聲波。
EMAT  的主要組成部分有三個：一是用于提供穩恒磁場的永久磁鐵或電磁鐵，二是用于產
生高頻激發磁場的金屬線圈，三是被檢測工件。金屬線圈位于被檢測材料表面的穩恒磁場中，當
線圈內通入交變電流時，被檢材料表面根據變壓器原理感應出電流，電流在磁場中受洛侖茲力的
作用產生振蕩應力波，形成超聲波波源。在接收超聲波時，導體表面在磁場中振蕩而在線圈中感
應出電壓，上述轉換過程都是在材料的電磁趨膚層內進行的。從  EMAT  線圈接受來的信號電壓
通過低噪前置放大器放大并被發往信號處理部分，在那里信號被進一步放大、過濾并發往波形數
字化電路。計算機測量信號到達時間和數字化信號的振幅且可計算鋼板的厚度，而這一過程在一
個設定的時間間隔內不斷的進行以重復掃描并在計算機屏幕上進行顯示。
EMAT  不需要任何耦合介質、不需要與被檢材料接觸就可向其中發射和接收超聲波，是一
種重復性很好的非接觸式超聲波發射和接收系統，但就其原理而言，電磁超聲檢測的對象必須是
能夠產生電磁聲波的材料。
圖 1 所示為自動化的中厚板 EMAT 自動探傷裝置簡易原理圖。這種超聲波探傷儀采用脈沖
反射式技術，是按照超聲波在兩個不同聲阻抗介質的界面上將發生反射、反射能量的大小取決于
兩種介質聲阻抗的差異大小以及界面的取向和大小的原理來設計的。通常，鋼板的內部缺陷主要
包括分層、縮松、孔洞、夾雜、白點、氣泡、內裂、偏析及嚴重粗晶等。如圖 1 所示，鋼板表面
產生的電磁超聲波在向鋼板內部傳播的過程中當遇到缺陷時，形成缺陷反射波，與板底反射波一
起被接收裝置捕捉并在回波器上以波形圖的形式顯示出來，據此可分析缺陷在鋼板內的不同位置
和大小。
穩恒磁場的方向、金屬線圈的幾何形狀以及脈沖電流的頻率共同決定產生的電磁超聲波的種
類。在磁場和線圈的不同組合模式下，EMAT 可產生縱波、橫波、表面波(也稱瑞利波)  和板波(也
稱蘭姆波)。值得指出的是，傳統的壓電超聲換能器因為必須采用水等耦合介質，而液體和氣體
不能傳播橫波，所以壓電式超聲波探傷儀只能采用縱波，而  EMAT  探傷儀則可采用性能更優的
檢測橫波。
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3.  中厚板 EMAT 自動探傷裝置的技術特點

中厚板  EMAT  自動探傷裝置分為在線和離線兩種布置形式，均可實現全板面探傷。在線
EMAT 探傷裝置采用鋼板本體探傷和邊部探傷相結合的復合探傷方式。探傷過程中，鋼板沿輥道
運行，探傷裝置在原有位置保持固定。離線探傷裝置探傷過程中鋼板靜止，探頭在鋼板上表面沿
預定的軌跡移動。
圖  2  所示為俄羅斯北方鋼鐵公司的在線  EMAT  自動探傷裝置，其檢測的鋼板規格：寬度
1600~4800mm，厚度 10~50mm，長度 8~30m。

3.1   EMAT 自動探傷裝置的結構組成及特點

探傷裝置由探傷裝置本體、探頭、檢測儀表設備、計算機數據處理系統、檢測過程控制系統
和輔助裝置組成。本文在此重點介紹探傷裝置本體以及探頭。

3.1.1  探傷裝置本體

目前國內外已投產的 EMAT 自動探傷裝置全部采用上置式結構，即探傷裝置設置在鋼板運
輸輥道上方。檢測探頭布置在一組探傷小車上，在線探傷裝置的探傷小車可沿橫跨輥道的鋼結構
軌道運行，從在線的工作工位可進入輥道旁的維修工位。
檢測系統一般包括兩個部分，即板體檢測系統和縱向邊部檢測系統。此外，有極少數鋼廠設
有橫向邊部檢測系統。板體檢測系統一般包含兩排水平  EMAT  探頭組，兩排探頭以交叉形式布
置可獲得 100%探傷覆蓋率。根據板寬的不同，其板體探頭數量亦不同，以 5m 板寬為例，每排
設 39 個共 78 個探頭。邊部檢測系統有 2 組共 4 個探頭。每個探頭均可通過汽缸單獨升降，同
時可在一定范圍內前后和左右微調，有利于針對不同的板形隨動檢測。

3.1.2  探頭

 3.1.3  電氣及控制系統

4.1.3  EMAT 探傷速度快

在線 EMAT 自動探傷裝置檢測鋼板的速度可達到 2m/s，PET 自動探傷裝置檢測鋼板的*大
速度為 1m/s。
當鋼板通過速度過快時，PET 探頭與鋼板表面之間會形成氣泡使耦合失效。而 EMAT 探傷
裝置沒有這方面的限制，可大大提高檢測速度，從而提高了探傷設備的生產效率。例如，EMAT
自動探傷裝置針對 24m 長鋼板的一個探傷周期僅為 34s，而 PET 自動探傷裝置檢測 12m 長的鋼
板的一個探傷周期就需要 40s。

4.1.4  EMAT 抗干擾性強

探傷裝置在工作過程中，可能會受到噪音、電磁、鋼板表面氧化鐵皮等雜物、探頭傾角隨機
偏離等各種干擾。
探傷過程中的噪音主要包括鋼板沿運輸輥道運行時產生的廣譜噪音，以及耦合水產生的混
響。EMAT 探傷裝置產生的橫波對前者不敏感，PET 探傷裝置的信號系統如果設計得當，也能夠
對這種廣譜噪音進行處理，使其不影響探傷結果。后者只存在于  PET  探傷裝置的探傷過程中，
很可能導致誤判等錯誤。所以必須要求探頭進行嚴格的校準、有良好的耦合水水質和穩定的供水
系統。
以 EMAT 和 PET 為基礎的探傷裝置都可以通過先進的電子設備和信號處理系統，消除電磁
對探傷結果的干擾。
對 PET 探頭來說，鋼板表面的油漬、氧化鐵皮等雜物都會影響耦合效果和*終探傷結果。
此外，由于生產過程中鋼板外形的不穩定性，使得經過一段時間的運行之后，PET 探頭表面的塑
料保護膜會有不同程度的磨損，以及探傷過程中探頭的隨機偏離，這些因素都會影響探頭與鋼板
表面的垂直度。而 PET 探頭與鋼板表面的傾角偏離 2~3º，就會造成鋼板中聲場的重大失真，缺
陷很容易失檢。對  EMAT  探頭來說，就不存在上述的問題。根據電磁效應的原理，即使在探頭
與鋼板形成一定傾角的情況下，仍能保證超聲波發射和接收的方向垂直于鋼板表面。而探頭與鋼
板之間的氣墊層以及探頭外層的特殊陶瓷都能對探頭起到較好的保護作用。
如圖 3 所示，同等條件下，當探頭相對原設定位置的傾角從 0º增加到 1º的過程中，EMAT
探頭發射的超聲波波幅保持不變，而 PET 探頭的波幅則下降 25dB。

4.1.5  EMAT 產生的聲波場更均勻

4.2   EMAT 探傷裝置的局限性

電磁超聲波產生的特點決定了 EMAT 探傷裝置的使用特性。EMAT 探傷裝置只能應用于導
體和鐵磁性材料，對于不銹鋼中厚板，目前的  EMAT  探傷設備只能通過在對側墊普通鋼板的方
法，形成電磁場，從而對較薄的不銹鋼板進行探傷。對一定厚度以上的不銹鋼板還無法實現電磁
超聲波探傷。
鋼板經過電磁探傷后，會形成一定的滲磁效果，但與目前中厚板廠廣泛使用的電磁吸盤吊車
的滲磁影響相比，電磁探傷造成的滲磁程度較輕。可對于某些對滲磁量有特殊要求的鋼板而言，
經過電磁探傷后的成品板出廠前需進行消磁處理。
由于電磁超聲波信號處理系統的復雜性，EMAT探傷裝置需配備龐大的電氣系統，這使得EMAT
探傷儀更適合大型工業探測應用，不適用于手動探傷方式。
與 PET 探傷裝置相比，EMAT 所需的壓縮空氣耗量略大，一般對于探測*大板寬 4.9m 的
EMAT裝置，*大耗氣量達到40m /min，因而往往需要額外增加空氣壓縮機或儲氣罐來滿足其
用氣要求。

5.  結語

綜上所述，中厚板  EMAT  自動探傷裝置不僅可以實現中厚板  100%全板面的全自動化和高
速檢測，檢測時還不需要耦合介質，具備遠程檢測和惡劣工作條件的檢測以及高溫下及表面粗糙
不平等工況下檢測等優勢。
EMAT  自動探傷裝置在國外鋼廠的成功應用，已經引起了國內中厚板行業很多*技術人
員的關注。為更好的對產品質量進行檢測控制，國內湘潭鋼鐵公司的 5m 厚板項目已決定率先引
進和使用該產品。可以預見的是，未來  EMAT  探傷裝置的優越性將會得到業界的廣泛認可，從
而改變國內目前已形成的 PET 自動探傷裝置在中厚板行業的壟斷局面。
但是，由于目前國內中厚板行業執行的超聲波探傷標準(GB2970-2002  和  GB11259-1999)
僅適用于壓電式超聲波探傷，而對于采用  EMAT  方式進行中厚板產品的探傷檢測方法、對比試
塊、檢驗儀器和設備、檢驗條件與程序、缺陷的測試與評定、鋼板的質量分級、檢驗報告以及操
作人員培訓等都沒有正式的國家標準要求，尚待相關部門和工程技術人員盡快予以制定和完善。

參考文獻

【1】   中國機械工程學會無損檢測學會  編，《無損檢測概論》，機械工業出版社，1993 年
【2】   (英)J.  西拉德  主編，陳積懋，余南廷  譯，《超聲檢測新技術》，科學出版社，1991 年
【3】   曹建寧、蘇洸，《厚板自動超聲波探傷裝置及其布置－兼論使用中的若干工藝問題，全
國第三次中厚板學術年會，濟南：濟南鋼鐵集團總公司，2000 年 10 月
【4】    臧悅、石云峰、劉建磊、黃新，《寬厚板生產領域中在線自動超聲波探傷裝置的應用及
發展前景》，冶金自動化，2009 年增刊 2，P366~371
【5】   美國國家標準，ASTM  E1816-96，《用電磁聲學換能器技術進行超聲波檢測的標準規
范》，1996 年
【6】   中國國家標準，GB/T 20935.1-2007，《金屬材料電磁超聲檢驗方法》，2007 年