淺談超聲檢測未來的發(fā)展方向

朱學(xué)耕

【摘 要】超聲檢測作為五大常規(guī)超聲檢測中應(yīng)用最為廣泛的方法，目前已經(jīng)成功的應(yīng)用在鐵軌、大型壓力容器以及核裝置的檢測，隨著科技的發(fā)展，超聲檢測需要缺陷檢測的高效率、高精度與其相適應(yīng)，筆者針對超聲檢測近年來在這些方面的發(fā)展情況進(jìn)行了概述。

【關(guān)鍵詞】超聲檢測；缺陷；自動化；相控陣；空氣耦合

【Abstract】Ultrasonic testing as five conventional ultrasonic detection used the most widely used method， which has been successfully applied in detection of rails， large pressure vessel and a nuclear device， with the development of science and technology， ultrasonic detection to defect detection of high efficiency， high precision and adaptation， the author according to ultrasonic detection in recent years development in these areas are outlined.

【Key words】Ultrasonic detection；Defection；Automation；Phased array；Air coupling

0 引言

無損檢測的發(fā)展水平在一定程度上反映了一個國家的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度[1]，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，在過去的一段時間內(nèi)我國無損檢測水平得到了很大的提高。目前應(yīng)用較廣的無損檢測方法主要是滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測和超聲檢測[2]。這五中方法各有使用范圍，其中滲透檢測只能夠檢測工件的表面缺陷、磁粉檢測和渦流檢測能夠檢測工件的表面以及近表面缺陷，射線檢測能夠檢測工件的內(nèi)部缺陷，超聲檢測不但能夠檢測工件的表面缺陷還能夠完成對內(nèi)部缺陷的檢測，除此之外由于超聲檢測具有穿透能力強(qiáng)、操作簡單、檢測成本低[3]等優(yōu)點已成為應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法。超聲檢測目前已廣泛的應(yīng)用在鐵軌、大型壓力容器、核設(shè)施安全控制等方面，主要是以分析波形的變化來判斷工件質(zhì)量的好壞，然而隨著科技的進(jìn)步，低效率的超聲檢測已不能適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展，以及簡單的波形信號也很難分辨出缺陷是否存在，針對常規(guī)超聲檢測的這些缺陷，目前高效率、高分辨率的超聲檢測方法相繼出現(xiàn)。

1 超聲檢測的基本原理

常規(guī)超聲檢測主要是利用超聲換能器發(fā)射與吸收聲波，根據(jù)波形的突變來判斷是否有缺陷的存在[4]。如果工件內(nèi)沒有缺陷，超聲波在傳播的過程中相當(dāng)于在同介質(zhì)之間傳播，這樣聲波不會發(fā)生突變，直到聲波傳播到達(dá)工件的底部才會有反射聲波，這時候整個示波屏上顯示有端面回波和底面回波；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷的時候，相當(dāng)于工件內(nèi)的材料組織特性發(fā)生了明顯的變化，這樣聲波在與異質(zhì)材料發(fā)生相互作用的時候會產(chǎn)生另一個回波，這個回波就是缺陷回波，而沒有缺陷的地方，聲波還會繼續(xù)傳播直到與工件底部發(fā)生相互作用，因此在有缺陷的工件中不但有端面回波、底面回波還會有缺陷回波。

2 超聲檢測發(fā)展趨勢

2.1 相控陣超聲檢測

常規(guī)的超聲檢測只能夠以波形的方式顯示缺陷的位置，但是當(dāng)缺陷較小的時候缺陷波就很容易埋藏在噪聲中，這樣以來缺陷就很難發(fā)現(xiàn)，針對這些問題，相控陣超聲檢測[5]以缺陷成像的技術(shù)能夠成功的發(fā)現(xiàn)較小的缺陷，并且此方法對缺陷的定位相當(dāng)?shù)木_，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)基本能夠達(dá)到90%之上，目前相控陣超聲檢測已經(jīng)能夠成功的檢測出汽輪機(jī)葉片缺陷、發(fā)動機(jī)曲軸、核裝置等，而且近年來生產(chǎn)的便攜檢測設(shè)備的生產(chǎn)更是在一定程度上促進(jìn)了相控陣超聲檢測的應(yīng)用。

2.2 非接觸空氣耦合超聲檢測

相控陣超聲檢測技術(shù)是接觸式檢測，這種方法有很多的優(yōu)點，但是檢測過程中需要連接楔塊在一定程度上限制了聲束，空氣耦合超聲檢測是非接觸式超聲檢測[6]，它是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行檢測，在一定程度上釋放了對聲束的約束，可以實現(xiàn)對工件的快速高效的檢測。其檢測原理與常規(guī)超聲檢測相同，具體也分反射法和透射法，雖然非接觸空氣耦合超聲檢測能夠滿足航空復(fù)合材料的檢測，但是目前由于其聲場特性沒有及時的解決以及其聲阻抗較大等問題在一定程度上限制了其廣泛的應(yīng)用。

2.3 非線性超聲檢測

常規(guī)的超聲檢測是利用聲波的線性傳播特性，來對材料的不連續(xù)性進(jìn)行判斷，但是線性超聲在檢測中理論上會存在繞射波，即當(dāng)缺陷的大小僅為超聲波長的二分之一時會產(chǎn)生繞射波，因此理論上線性超聲檢測不能夠完成其波長二分之一以下的缺陷檢測，非線性超聲檢測[7]利用有限振幅聲波在材料中傳播時介質(zhì)或微小缺陷與其相互作用的非線性效應(yīng)，實現(xiàn)材料性能評估和微小缺陷的檢測。非線性超聲檢測能夠完成材料內(nèi)部晶格的變化，因此能夠發(fā)現(xiàn)微小缺陷的檢測，目前非線性超聲檢測已經(jīng)能夠利用材料的非線性系數(shù)對材料的彈性常數(shù)測定、復(fù)合材料粘接面粘接強(qiáng)度評估、材料力學(xué)性能退化評價以及連續(xù)體鑄造鋼非金屬夾雜檢測等，除此之外，常規(guī)檢測只能對張開的裂紋進(jìn)行檢測對于處于閉合階段的裂紋還無法檢測，非線性超聲檢測能夠根據(jù)非線性彈性系數(shù)對閉合裂紋進(jìn)行評價，缺陷的定量檢測一直是超聲檢測中的難點問題，非線性超聲檢測根據(jù)非線性系數(shù)的測定能夠建立與缺陷大小之間的聯(lián)系，雖然非線性超聲檢測有一系列的優(yōu)點，但是也存在不足，常規(guī)超聲檢測對缺陷的定位相當(dāng)?shù)木_而非線性超聲檢測需要對對缺陷信號的頻譜進(jìn)行分析，因此對缺陷的定位比較的困難。目前利用非線性超聲進(jìn)行檢測主要是得到的一些實驗結(jié)果，對于其機(jī)理研究比較的少，這也是下一步的研究要點。

2.4 自動化超聲檢測

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及人們對零件生產(chǎn)質(zhì)量的要求，零件在生產(chǎn)時就需要進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，因此在生產(chǎn)階段就需要對其進(jìn)行質(zhì)量檢測，淘汰不合格產(chǎn)品，由于零件的生產(chǎn)量較大，如果人工檢測不但檢測效率低很容易存在漏檢的可能，為了解決這個問題需要設(shè)計自動化超聲檢測系統(tǒng)[8]，利用機(jī)器完成對工件的全面檢測，這不但解決了漏檢的可能，一旦發(fā)現(xiàn)存在缺陷的工件系統(tǒng)就會進(jìn)行報警，然后將不合格產(chǎn)品重行進(jìn)行再生產(chǎn)。

3 展望

超聲檢測已經(jīng)從傳統(tǒng)的A掃描檢測發(fā)展到現(xiàn)在的相控陣B掃描檢測，實現(xiàn)對缺陷的成像；從接觸式檢測向非接觸式的空氣耦合檢測發(fā)展，釋放了對聲束的約束；從發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷的常規(guī)線性檢測向發(fā)現(xiàn)微觀裂紋的非線性超聲檢測進(jìn)步；此外快速的超聲檢測才能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量控制，因此自動化超聲檢測應(yīng)用而生。這些新的方法的產(chǎn)生將成為未來一段時間超聲檢測的研究熱門，其將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

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