無損檢測技術(shù)與發(fā)展

曹冬冬

[摘要]本文針對應(yīng)用激光、超聲和射線等方法的無損檢測技術(shù),分別對其概念、檢測方法、優(yōu)缺點做了詳細(xì)闡述。在跟蹤和預(yù)測無損檢測技術(shù)未來發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上,說明了無損檢測技術(shù)在未來的工業(yè)檢測領(lǐng)域中的重大意義。

[關(guān)鍵詞]激光無損檢測 超聲無損檢測 射線無損檢測

在現(xiàn)代生產(chǎn)中針對不同對象選擇何種無損檢測方法已成為人們關(guān)注的問題,為解決好這個問題,就必須對無損檢測方法及其特征有較全面的了解。所謂無損檢測,是在不損傷材料和成品的條件下研究其內(nèi)部和表面有無缺陷的手段。也就是說,它利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異常或缺陷的存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化,評價結(jié)構(gòu)異常和缺陷存在及其危害程度。下面簡要介紹三種常用方法的應(yīng)用和發(fā)展。

一、激光技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

激光技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的獨(dú)特性能,使其在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,并逐漸形成了激光全息、激光超聲等無損檢測新技術(shù),這些技術(shù)由于其在現(xiàn)代無損檢測方面具有獨(dú)特能力而無可爭議地成為無損檢測領(lǐng)域的新成員。

1.激光全息無損檢測技術(shù)

激光全息術(shù)是激光技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用最早、用得最多的方法。激光全息無損檢測約占激光全息術(shù)總應(yīng)用的25%。其檢測的基本原理是通過對被測物體加外加載荷,利用有缺陷部位的形變量與其它部位不同的特點,通過加載前后所形成的全息圖像的疊加來反映材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。

激光全息無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾方面。

(1)將全息圖記錄在非線性記錄材料上,以實現(xiàn)干涉圖像的實時顯現(xiàn)。

(2)利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)獲取干涉條紋的實時定量數(shù)據(jù)。

(3)采用新的干涉技術(shù),如相移干涉技術(shù)。在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高全息技術(shù)的分辨率和準(zhǔn)確性。

2.激光超聲無損檢測技術(shù)

激光超聲技術(shù)是七十年代中期發(fā)展起來的無損檢測新技術(shù)。它利用Q開關(guān)脈沖激光器發(fā)出的激光束照射被測物體,激發(fā)出超聲波,采用干涉儀顯示該超聲波的干涉條紋。與其他超聲無損檢測方法相比,激光超聲檢測的主要優(yōu)越性如下。

(1)能實現(xiàn)一定距離之外的非接觸檢測,不存在耦合與匹配問題。

(2)利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時間分辨率,可以在寬帶范圍內(nèi)提取信息,實現(xiàn)寬帶檢測。

(3)易于聚焦,實現(xiàn)快速掃描和成像。

3.激光無損檢測的發(fā)展

激光超聲檢測成本高,安全性較差,目前仍處于發(fā)展階段。但在無損檢測領(lǐng)域,激光超聲檢測在以下幾方面的應(yīng)用前景引起了人們的關(guān)注:(1)可用于高溫條件下的檢測.如熱鋼材的在線檢測;(2)適用于某些不宜接近的樣品,如放射性樣品的檢測;(3)激光束可入射到任何部位,可用于檢測形狀奇異的樣品;(4)可用于超薄超細(xì)的樣品及表面或亞表面層的檢測。國外近幾年已有將激光超聲檢測用于飛機(jī)復(fù)合材料的檢測、熱態(tài)鋼的在線檢測的報道,在化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體濺射等高溫鍍膜工藝過程中膜層厚度的實時檢測方面也進(jìn)行了研究。

二、超聲檢測技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用與發(fā)展

超聲無損檢測技術(shù)(UT)是五大常規(guī)檢測技術(shù)之一,與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比,它具有被測對象范圍廣。檢測深度大;缺陷定位準(zhǔn)確,檢測靈敏度高;成本低,使用方便;速度快,對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點。

1.超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用

(1)目前大量應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件質(zhì)量在線監(jiān)控和產(chǎn)品的在投檢查。如鋼板、管道、焊鞋、堆焊層、復(fù)合層、壓力容器及高壓管道、路軌和機(jī)車車輛零部件、棱元件及集成電路引線的檢測等。

(2)各種新材料的檢測。如有機(jī)基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料等,超聲檢測技術(shù)已成為復(fù)合材料的支柱。

(3)非金屬的檢測。如混凝土、巖石、樁基和路面等質(zhì)量檢驗,包括對其內(nèi)部缺陷、內(nèi)應(yīng)力、強(qiáng)度的檢測應(yīng)用也逐漸增多。

(4)大型結(jié)構(gòu)、壓力容器和復(fù)雜設(shè)備的檢測。由于超聲成像直觀易懂,檢測精度較高。因此,近幾年我國集超聲成像技術(shù)及超聲信號處理技術(shù)等多學(xué)科前沿成果于一體的超聲機(jī)器人檢測系統(tǒng)已研制成功,為復(fù)雜形狀構(gòu)件的自動掃描超聲成像檢測提供了有效手段。

(5)核電工業(yè)的超聲檢測。

(6)其它方面的超聲檢測。如醫(yī)學(xué)診斷廣泛應(yīng)用超聲檢測技術(shù);目前人們正試圖將超聲檢測技術(shù)用于開辟其它新領(lǐng)域和行業(yè),如人們正努力將超聲檢測技術(shù)用于血壓控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)作非接觸檢測、辨識。性能分析和故障診斷等。

2.超聲檢測技術(shù)的發(fā)展

在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中,超聲成像技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)。超聲圖像可以提供直觀和大量的信息,直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì),有著非常廣闊的發(fā)展前景。現(xiàn)代超聲成像技術(shù)都是計算機(jī)技術(shù)、信號采集技術(shù)和圖象處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)據(jù)采集技術(shù)、圖象重建技術(shù)、自動化和智能化技術(shù)以及超聲成像系統(tǒng)的性能價格比等發(fā)展直接影響超聲檢測圖像化的進(jìn)程。現(xiàn)代超聲成像技術(shù)大多有自動化和智能化的特點,因而有許多優(yōu)點,如檢測的一致性好,可靠性、復(fù)現(xiàn)性高,存儲的檢測結(jié)果可隨時調(diào)用,并可以對歷次檢測的結(jié)果自動比較,以對缺陷做動態(tài)檢測等。

目前已經(jīng)使用和正在開發(fā)的成像技術(shù)包括:超聲B掃描成像,超聲C掃描成像、超聲D掃描成像,SAFT(合成孔徑聚焦)成像,P掃描成像,超聲全息成像,超聲CT成像等技術(shù)。

三、射線技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展

1.射線檢測技術(shù)的應(yīng)用

射線檢測技術(shù)是利用射線(X射線、射線、中子射線等)穿過材料或工件時的強(qiáng)度衰減,檢測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù)。穿過材料或工件的射線由于強(qiáng)度不同在X射線膠片上的感光程度也不同,由此生成內(nèi)部不連續(xù)的圖像。

(1)早期使用在石油工業(yè).分析鉆井巖芯。

(2)在航空工業(yè)用于檢驗與評價復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)。評價某些復(fù)合件的制造過程。也用于一系列情況下樣件的評價;這種檢測與評價過程,大大簡化了取樣破壞分析過程。

(3)檢測大型固體火箭發(fā)動機(jī),這樣的射線系統(tǒng)使用電子直線加速器X射線源,能量高迭25MeV,可檢驗直徑達(dá)3m的大型同體火箭發(fā)動機(jī)。

(4)檢驗小型、復(fù)雜、精密的鑄件和鍛件,進(jìn)行缺陷檢驗和尺寸測量。

(5)檢查工程陶瓷和粉末冶金產(chǎn)品制造過程發(fā)生的材料或成分變化,特別是對高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。

(6)組件結(jié)構(gòu)檢查。

2.射線檢測技術(shù)的發(fā)展

(1)數(shù)字射線照相技術(shù)時代。1990年,R.Halmshaw和N.A.Ridyard在《英國無損檢測雜志》上發(fā)表題為“數(shù)字射線照相方法評述”的文章,在評述了各種數(shù)字射線照相方法的發(fā)展之后認(rèn)為,數(shù)字射線照相時代已經(jīng)到來。近年來射線檢測技術(shù)發(fā)展的基本特點是數(shù)字圖象處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于射線檢測。射線層析檢測和實時成像檢測技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一是數(shù)字圖象處理技術(shù),即使常規(guī)膠片射線照相技術(shù),也在采用數(shù)字圖象處理技術(shù)。 (2)今后重點應(yīng)用的技術(shù)。1994年Harold Berger在美國《材料評價》發(fā)表的“射線無損檢測的趨勢”中提出,在20世紀(jì)的最后10年和21世紀(jì)的初期,下列技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用:①數(shù)字X射線實時檢測系統(tǒng)在制造、在役檢驗和過程控制方面。②具有數(shù)據(jù)交換、使用NDT工作站的計算機(jī)化的射線檢測系統(tǒng)。③小型、低成本的CT系統(tǒng)。④微焦點放大成像的x射線成像檢驗系統(tǒng)。⑤小型高靈敏度的X射線攝像機(jī)。⑥大面積的光電導(dǎo)X射線攝像機(jī)。

四、無損檢測的發(fā)展趨勢

1.超聲相控陣技術(shù)

超聲檢測是應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù),具有許多優(yōu)點,但需要耦合劑和換能器接近被檢材料,因此,超聲換能、電磁超聲、超聲相控陣技術(shù)得到快速發(fā)展。其中,超聲相控陣技術(shù)是近年來超聲檢測中的一個新的技術(shù)熱點。

超聲相控陣技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束,通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時間延遲,改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方向的變化,然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實現(xiàn)圖像成像。與傳統(tǒng)超聲檢測相比,由于聲束角度可控和可動態(tài)聚焦,超聲相控陣技術(shù)具有可檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷和較高的檢測頻率等特點,可實現(xiàn)高速、全方位和多角度檢測。對于一些規(guī)則的被檢測對象,如管形焊縫、板材和管材等,超聲相控陣技術(shù)可提高檢測效率、簡化設(shè)計、降低技術(shù)成本。特別是在焊縫檢測中,采用合理的相控陣檢測技術(shù),只需將換能器沿焊縫方向掃描即可實現(xiàn)對焊縫的覆蓋掃查檢測。

2.微波無損檢測

微波無損檢測技術(shù)將在330～3300 MHz中某段頻率的電磁波照射到被測物體上,通過分折反射波和透射波的振幅和相位變化以及波的模式變化,了解被測樣品中的裂紋、裂縫、氣孔等缺陷,確定分層媒質(zhì)的脫粘、夾雜等的位置和尺寸,檢測復(fù)合材料內(nèi)部密度的不均勻程度。

微波的波長短、頻帶寬、方向性好、貫穿介電材料的能力強(qiáng),類似于超聲波。微波也可以同時在透射或反射模式中使用,但是微波不需要耦合劑,避免了耦合劑對材料的污染。由于微波能穿透對聲波衰減很大的非金屬材料,因此該技術(shù)最顯著的特點在于可以進(jìn)行最有效的無損掃描。微波的極比特性使材料纖維束方向的確定和生產(chǎn)過程中非直線性的監(jiān)控成為可能。它還可提供精確的數(shù)據(jù),使缺陷區(qū)域的大小和范圍得以準(zhǔn)確測定。此外,無需做特別的分析處理,采用該技術(shù)就可隨時獲得缺陷區(qū)域的三維實時圖像。微波無損檢測設(shè)備簡單、費(fèi)用低廉、易于操作、便于攜帶.但是由于微波不能穿透金屬和導(dǎo)電性能較好的復(fù)合材料,因而不能檢測此類復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷,只能檢測金屬表面裂紋缺陷及粗糙度。

近年來,隨著軍事工業(yè)和航空航天工業(yè)中各種高性能的復(fù)合材料、陶瓷材料的應(yīng)用,微波無損檢測的理論、技術(shù)和硬件系統(tǒng)都有了長足的進(jìn)步,從而大大推動了微波無損檢測技術(shù)的發(fā)展。