朱學(xué)耕

【摘 要】超聲檢測(cè)作為五大常規(guī)超聲檢測(cè)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(cè)，隨著科技的發(fā)展，超聲檢測(cè)需要缺陷檢測(cè)的高效率、高精度與其相適應(yīng)，筆者針對(duì)超聲檢測(cè)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(cè)；缺陷；自動(dòng)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(cè)的發(fā)展水平在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)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(guó)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(shí)間內(nèi)我國(guó)無損檢測(cè)水平得到了很大的提高。目前應(yīng)用較廣的無損檢測(cè)方法主要是滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)[2]。這五中方法各有使用范圍，其中滲透檢測(cè)只能夠檢測(cè)工件的表面缺陷、磁粉檢測(cè)和渦流檢測(cè)能夠檢測(cè)工件的表面以及近表面缺陷，射線檢測(cè)能夠檢測(cè)工件的內(nèi)部缺陷，超聲檢測(cè)不但能夠檢測(cè)工件的表面缺陷還能夠完成對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，除此之外由于超聲檢測(cè)具有穿透能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)成本低[3]等優(yōu)點(diǎn)已成為應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)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(cè)已不能適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展，以及簡(jiǎn)單的波形信號(hào)也很難分辨出缺陷是否存在，針對(duì)常規(guī)超聲檢測(cè)的這些缺陷，目前高效率、高分辨率的超聲檢測(cè)方法相繼出現(xiàn)。

1 超聲檢測(cè)的基本原理

常規(guī)超聲檢測(cè)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(huì)發(fā)生突變，直到聲波傳播到達(dá)工件的底部才會(huì)有反射聲波，這時(shí)候整個(gè)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(shí)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(shí)候會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)回波，這個(gè)回波就是缺陷回波，而沒有缺陷的地方，聲波還會(huì)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(huì)有缺陷回波。

2 超聲檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 相控陣超聲檢測(cè)

常規(guī)的超聲檢測(cè)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(shí)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(duì)這些問題，相控陣超聲檢測(cè)[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(duì)缺陷的定位相當(dāng)?shù)木_，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本能夠達(dá)到90%之上，目前相控陣超聲檢測(cè)已經(jīng)能夠成功的檢測(cè)出汽輪機(jī)葉片缺陷、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、核裝置等，而且近年來生產(chǎn)的便攜檢測(cè)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(cè)的應(yīng)用。

2.2 非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是接觸式檢測(cè)，這種方法有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是檢測(cè)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(cè)是非接觸式超聲檢測(cè)[6]，它是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，在一定程度上釋放了對(duì)聲束的約束，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的快速高效的檢測(cè)。其檢測(cè)原理與常規(guī)超聲檢測(cè)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(cè)能夠滿足航空復(fù)合材料的檢測(cè)，但是目前由于其聲場(chǎng)特性沒有及時(shí)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(cè)

常規(guī)的超聲檢測(cè)是利用聲波的線性傳播特性，來對(duì)材料的不連續(xù)性進(jìn)行判斷，但是線性超聲在檢測(cè)中理論上會(huì)存在繞射波，即當(dāng)缺陷的大小僅為超聲波長(zhǎng)的二分之一時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波，因此理論上線性超聲檢測(cè)不能夠完成其波長(zhǎng)二分之一以下的缺陷檢測(cè)，非線性超聲檢測(cè)[7]利用有限振幅聲波在材料中傳播時(shí)介質(zhì)或微小缺陷與其相互作用的非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料性能評(píng)估和微小缺陷的檢測(cè)。非線性超聲檢測(cè)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(cè)，目前非線性超聲檢測(cè)已經(jīng)能夠利用材料的非線性系數(shù)對(duì)材料的彈性常數(shù)測(cè)定、復(fù)合材料粘接面粘接強(qiáng)度評(píng)估、材料力學(xué)性能退化評(píng)價(jià)以及連續(xù)體鑄造鋼非金屬夾雜檢測(cè)等，除此之外，常規(guī)檢測(cè)只能對(duì)張開的裂紋進(jìn)行檢測(cè)對(duì)于處于閉合階段的裂紋還無法檢測(cè)，非線性超聲檢測(cè)能夠根據(jù)非線性彈性系數(shù)對(duì)閉合裂紋進(jìn)行評(píng)價(jià)，缺陷的定量檢測(cè)一直是超聲檢測(cè)中的難點(diǎn)問題，非線性超聲檢測(cè)根據(jù)非線性系數(shù)的測(cè)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(cè)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不足，常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的定位相當(dāng)?shù)木_而非線性超聲檢測(cè)需要對(duì)對(duì)缺陷信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，因此對(duì)缺陷的定位比較的困難。目前利用非線性超聲進(jìn)行檢測(cè)主要是得到的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于其機(jī)理研究比較的少，這也是下一步的研究要點(diǎn)。

2.4 自動(dòng)化超聲檢測(cè)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)零件生產(chǎn)質(zhì)量的要求，零件在生產(chǎn)時(shí)就需要進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，因此在生產(chǎn)階段就需要對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，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(cè)不但檢測(cè)效率低很容易存在漏檢的可能，為了解決這個(gè)問題需要設(shè)計(jì)自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)[8]，利用機(jī)器完成對(duì)工件的全面檢測(cè)，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(huì)進(jìn)行報(bào)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(cè)已經(jīng)從傳統(tǒng)的A掃描檢測(cè)發(fā)展到現(xiàn)在的相控陣B掃描檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的成像；從接觸式檢測(cè)向非接觸式的空氣耦合檢測(cè)發(fā)展，釋放了對(duì)聲束的約束；從發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷的常規(guī)線性檢測(cè)向發(fā)現(xiàn)微觀裂紋的非線性超聲檢測(cè)進(jìn)步；此外快速的超聲檢測(cè)才能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量控制，因此自動(dòng)化超聲檢測(cè)應(yīng)用而生。這些新的方法的產(chǎn)生將成為未來一段時(shí)間超聲檢測(cè)的研究熱門，其將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李曉川.無損檢測(cè)夢(mèng)想更飛揚(yáng)[J].中國(guó)船檢，2013（8）：106-108.

[2]賀延濤.基于紋理特征的磁片表面刀紋缺陷檢測(cè)[D].復(fù)旦大學(xué)，2012.

[3]李理.超生波檢測(cè)水泥混凝土路面厚度的方法探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012（11）：59-61.

[4]鮑曉宇.相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].清華大學(xué)，2003.

[5]李衍.相控陣超聲檢測(cè)國(guó)際動(dòng)態(tài)[J].無損探傷，2008，32（6）：56-60.

[6]周正干，魏東.空氣耦合式超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，44（6）：10-14.

[7]陳振華，史耀武，趙海燕，等.微小缺陷的非線性超聲檢測(cè)及其成像技術(shù)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)：中文版，2010，35（1）：9-13.

[8]張旭輝，張維光.基于PC的自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)精確定時(shí)方法研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006（2）：40-42.

[責(zé)任編輯：曹明明]