超聲工業(yè)檢測技術(shù)

1、超聲工業(yè)檢測技術(shù)發(fā)展綜述摘要：系統(tǒng)介紹了超聲檢測技術(shù)的發(fā)展概況。較全面地展示了傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域綜述了非接觸檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)等超聲檢測新技術(shù)的最新研究成果。最后，討論了超聲檢測技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：超聲檢測；無損檢測；技術(shù)應(yīng)用；發(fā)展趨勢1、超聲檢測技術(shù)的地位和作用無損檢測(NDT)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段。其技術(shù)水平能反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國家的工業(yè)技術(shù)水平。無損檢測技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟效益十分明顯，統(tǒng)計資料顯示，經(jīng)過無損檢測后的產(chǎn)品增值情況為，機械產(chǎn)品為5，國防、宇航和原子能產(chǎn)品為1218，火箭為20。例如，德國奔馳公司汽車幾千個零件

2、經(jīng)過無損檢測后，整車運行公里數(shù)提高了一倍，大大增強了產(chǎn)品在國際市場的競爭能力；日本汽車在30零件采用無損檢測后，質(zhì)量迅速超過美國。因此，世界上的發(fā)達國家越來越重視無損檢測技術(shù)的應(yīng)用。日本在其制定的21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的四大技術(shù)之一的設(shè)備延壽技術(shù)中,把無損檢測技術(shù)放在十分重要的位置。而超聲檢測技術(shù)(UT)一直都是無損檢測研究的熱點,國外無損檢測的文獻資料中,有關(guān)超聲檢測內(nèi)容的比例約占45%,超聲檢測技術(shù)也是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)中使用得最多的一種。與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，它具有檢測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準(zhǔn)確，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。因此，UT

3、是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高，且發(fā)展較快的一種無損檢技術(shù)，這體現(xiàn)在改進產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、成品檢測以及設(shè)備服役的各個階段和保證機器零件的可靠性和安全性上。2、超聲檢測的發(fā)展歷程利用超聲技術(shù)來進行無損檢測始于20世紀(jì)20年代，蘇聯(lián)科學(xué)家在1929年提出了用超聲波來檢測金屬內(nèi)部缺陷的建議，并在戰(zhàn)后研制成第一種穿透式檢測儀器對材料進行檢測。但是這種方法檢測靈敏度低應(yīng)用范圍小，因此很快就被淘汰了。直到20世紀(jì)四五十年代，脈沖反射法和儀器的出現(xiàn)，給了超聲檢測技術(shù)新的生命，超聲檢測技術(shù)才迅速發(fā)展起來。40年代，美國的firestone公司先發(fā)制人，率先介紹了脈沖回波式超聲檢測儀，利用該技術(shù)，

4、超聲波可以從物體的同一側(cè)發(fā)射并接收，且它能夠檢測小缺陷，較為準(zhǔn)確的定位缺陷位置及缺陷尺寸。隨后，美國和英國就開始講這一儀器用于鍛鋼和厚鋼板的檢測。60年代，超聲檢測儀在靈敏度、分辨率和放大器線性等主要性能上取得了突破性進展，焊縫檢測問題得到了很好的解決。脈沖回波技術(shù)至今仍是通用性最好，使用最為廣泛的一種超聲檢測技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，超聲檢測發(fā)展成為一個有效而可靠的無損檢測手段，并得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。直到70年代以后，由于IC(集成電路)技術(shù)迅速發(fā)展，使實用的超聲檢測技術(shù)得以迅速發(fā)展，80年代末和90年代初，計算機和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，促進了超聲檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用深度、廣度的大力發(fā)展，數(shù)字式

5、超聲檢測儀開始出現(xiàn)，并將在日后逐步取代傳統(tǒng)的模擬式超聲檢測儀器。近20年來，超聲檢測技術(shù)取得了巨大進步，確立了重要的地位，其技術(shù)日趨成熟，幾乎滲透到所有工業(yè)及醫(yī)療部門，如作為基礎(chǔ)工業(yè)的鋼鐵工業(yè)、機器制造業(yè)、建筑業(yè)、石油化工業(yè)、鐵路運輸業(yè)、造船業(yè)、航空航天工業(yè)高速發(fā)展中的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)如集成電路工業(yè)、核電工業(yè)及醫(yī)學(xué)診斷等重要部門。在某些場合如大型油罐的在役測試，超聲技術(shù)已成為唯一可行的檢測手段。目前超聲檢測相關(guān)理論和方法及應(yīng)用的基礎(chǔ)研究正在逐步深入，本文第六節(jié)將介紹當(dāng)今超聲檢測技術(shù)的研究方向和發(fā)展趨勢。我國超聲檢測技術(shù)的研究、應(yīng)用和儀器研制隊伍正在不斷擴大，技術(shù)水平不斷提高，表明我國超聲檢測技術(shù)發(fā)展

6、已經(jīng)走出低谷，向新的高峰攀登。預(yù)計隨著新一代全數(shù)字化超聲儀器和功能強大的信號處理軟件的問世尤其是人們對超聲檢測技術(shù)理論的更深層次的研究與認(rèn)識超聲檢測技術(shù)將經(jīng)歷一個更高層次的發(fā)展階段并獲得更廣泛的應(yīng)用。3、超聲檢測基本原理眾所周知,2020000Hz為聲波的頻率范圍,頻率高于20000的機械波稱為超聲波。超聲檢測所用的頻率一般在0.510MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為15MHz。工業(yè)用超聲波方向性好,能量高，能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換，穿透能力強，在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時，能量損失小，傳播距離大，在一些金屬材料中穿透能力可達數(shù)米，這是其它檢測方法無法比擬的。超聲波檢測主

7、要是基于超聲波在工件中的傳播特性，由于不同的介質(zhì)聲阻抗不同,超聲波遇到雜質(zhì)或媒質(zhì)分界面就有顯著的反射。超聲波在介質(zhì)中的傳播特性,如波速、衰減、吸收等都與介質(zhì)的各種宏觀的非聲學(xué)的物理量有著密切的關(guān)系,如聲速與介質(zhì)的彈性模量、密度、溫度等有關(guān);聲強的衰減與材料的空隙率、粘滯性等有關(guān)。通過各種對超聲傳播特性中特征信息量的提取,可實現(xiàn)非聲量檢測,如濃度、密度、強度、硬度、濕度、流量、物位、厚度、彈性的測量,還能對物體的缺陷進行檢測和探傷,對材料進行物性評價。超聲波頻率越高,波長越短,擴散角越小,聲束越窄,能量越集中,分辨率越高,對缺陷的定位越準(zhǔn)確。高頻超聲波傳播特性是方向性好,能定向傳播。頻率在152

8、0MHz以上,主要用于金屬材料工件的超聲檢測?；炷恋确墙饘俨牧系某暀z測應(yīng)選用較低頻率的超聲波,常用頻率為20500KHz,因為混凝土為非均勻材料,散射作用使材料對聲波的衰減較大,方向性差,頻率越高,傳播距離越小,繞過顆粒的能力越差。超聲檢測系統(tǒng)重要部件探頭(換能器)是壓電晶片,是一種具有逆壓電效應(yīng)的壓電元件,其在交流電作用下產(chǎn)生機械振動。材料包括石英晶體、PZT(鋯鈦酸鉛)和偏鈮酸鋰等。探頭種類繁多,在不同場合需要用不同形式、不同頻率的探頭。4、超聲檢測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，應(yīng)用的深度和頻度也在逐漸加大。以下是超聲檢測技術(shù)當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域：(1)目前大量

9、應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件質(zhì)量在線監(jiān)控和產(chǎn)品的在役檢查。如鋼板、管道，焊縫、堆焊層、復(fù)合層、壓力容器及高壓管道、路軌和機車車輛零部件、核元件及集成電路引線的檢測等。正確的檢測方法和技術(shù)是超聲檢測取得成功的關(guān)鍵。近20年來，國內(nèi)外開發(fā)了許多有用的檢測方法和技術(shù)，如美國國家航空航天管理局LEWIS研究中心采用025MHa的激光聚焦束在高溫材料sicsic激發(fā)超聲波。通過觸點換能器得到超聲波衰減信號來檢測高溫材料；美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所發(fā)表論文“利用電磁超聲技術(shù)(EMAT)測量機翼的受力狀態(tài)”；美國EMATUT換能器公司利用EMAT換能技術(shù)對已經(jīng)埋入地下的輸氣管環(huán)焊縫進行檢測試驗研究；美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)

10、研究所利用EMAT技術(shù)預(yù)測沉淀硬化鋼的強度；日本大阪大學(xué)大阪瓦斯公司利用SH波的EMAT技術(shù)監(jiān)測管道的腐蝕。我國的鋼板超聲多次重合探傷法；厚壁高壓管焊口焊接高壓三通超聲波探傷法、多層粘結(jié)的超聲波自動檢測法與技術(shù)；復(fù)合材料UT技術(shù)；奧氏體不銹鋼UT技術(shù)；電磁超聲技術(shù)(EMAT)；固體內(nèi)超聲動態(tài)聚焦掃描技術(shù)及各種超聲自動探傷法和超聲成像檢測法與技術(shù)等日趨成熟。(2)各種新材料的檢測，如有機基復(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。如德國富郎霍夫研究所推出用超聲波顯微鏡對金屬包覆層材料壓合特征的研究，為改進壓合工藝提供了可靠參數(shù)；我國臺灣新竹交大提

11、出了用超聲研究金屬板與橡膠板粘合面的結(jié)合質(zhì)量；H本KANSAI能源公司和TOUOKU大學(xué)提出了用超聲波顯微技術(shù)對球形樣品疲勞破損的監(jiān)測。(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。如不銹鋼焊縫及堆焊層、厚壁高壓管焊口、鋁鎂合金及高壓螺栓等超聲波探傷,裂縫自身高度和高溫超聲檢測、鐵路進口鋼軌自動檢測車超聲自動檢測系統(tǒng)等方面都有很大進展。與現(xiàn)代工業(yè)高速度、高精度、高分辨力、高可靠性等要求的超聲檢測設(shè)備的自動化和儀器的計算機化,已成為微機控制自動超聲檢測系統(tǒng)。許多企業(yè)已擁有我國自己設(shè)計和制造的大

12、中小型多坐標(biāo)、多通道的自動超聲檢測系統(tǒng),滿足特殊情況下的探傷、檢測變速箱齒輪焊縫、鋼軌自動檢測等要求。許多廠家致力于將超聲信號處理的研究成果融合到儀器中去,以逐步實現(xiàn)智能化,如我國汕頭超聲電子公司等廠生產(chǎn)數(shù)字式或全數(shù)字式超聲探傷儀,應(yīng)用缺陷模式識別和模糊聚類技術(shù),100MHz高頻超聲檢測儀可檢測鈦合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等材料數(shù)十微米級的缺陷。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。如板形元件的結(jié)合質(zhì)量、板形元件組件的水道間隙、各

13、種管道容器的焊縫、容器與焊管的交貫面等超聲檢測。我國已能按標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)主的要求,使用國際先進設(shè)備,執(zhí)行國際通用法,完成核電廠和核設(shè)施的役前及在役檢查。(6)其它方面的超聲檢測。醫(yī)學(xué)診斷廣泛應(yīng)用超聲檢測技術(shù)就是一個非常好的例子，我們通常說的B超就是利用超聲波進行醫(yī)學(xué)診斷工作的一個實例;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)用于液壓控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)作非接觸檢測、辨識、性能分析和故障診斷等。這方面研究僅處于探索階段,還不夠成熟。5、超聲檢測新技術(shù)及其應(yīng)用針對近年來超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，可以總結(jié)出超聲檢測的新技術(shù)和新方法：(1)超聲導(dǎo)波技術(shù):超聲導(dǎo)波的頻散曲線對分

14、層和脫膠等嚴(yán)重危害復(fù)合材料的現(xiàn)象較靈敏。用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可準(zhǔn)確有效地對復(fù)雜的頻散曲線及頻譜曲線進行反演,由獲得的超聲參量推測出被測體的狀況。用于火箭殼體和航空結(jié)構(gòu)件進行無損檢測與評價。(2)聲發(fā)射新技術(shù):對構(gòu)件的安全性和失效行為進行動態(tài)檢測與評價。如:泄露的監(jiān)測和定位,材料與構(gòu)件中裂縫的檢測與分析,構(gòu)件在役條件下的失效的報警等。(3)新型非接觸超聲換能方法:電磁超聲法、空氣耦合法、激光超聲法。前者距離近,后面二者距離遠,有發(fā)展前途。電磁超聲法:在接近材料表面的位置激發(fā)磁場,材料表面部位產(chǎn)生感應(yīng)電流,引起超聲振動。探頭為強鐵磁材料和高頻線圈,當(dāng)線圈內(nèi)有電流時,材料內(nèi)部產(chǎn)生高頻電流和磁場作用下,

15、羅倫茲力使材料粒子振動。發(fā)出超聲波入射到材料內(nèi)部,即為電磁超聲波,使表面不平或高溫材料的探傷成為可能。空氣耦合法:固體氣體聲阻抗相差5個數(shù)量級,在氣固界面有極大的能量損耗,高頻空氣超聲換能器發(fā)射功率要大,要有良好的匹配和聲匹配。能量損失大,工業(yè)中應(yīng)用領(lǐng)域不廣,俄羅斯將該技術(shù)用于特殊航天構(gòu)件,尤其是非金屬復(fù)合材料構(gòu)件檢測與評價。激光超聲法:利用脈沖激光產(chǎn)生窄脈沖超聲信號,再用光干涉法檢測超聲波。具有時間和空間上的高分辨率?？蛇m合高溫環(huán)境測量。激光束可利用光學(xué)的方法進行掃描,可實現(xiàn)連續(xù)快速運動物體的非接觸檢測。不管激光束的入射方向如何,激光激發(fā)的超聲波總是垂直于被測物表面,所以比較適合于形狀復(fù)雜的

16、工件的檢測。激光超聲的脈沖寬度窄,檢測微小缺陷能力強和尺寸較小的工件檢測,如金剛石構(gòu)件、人工晶體和薄膜材料。(4)超聲信息處理與模式識別?，F(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)在超聲檢測中的應(yīng)用于20世紀(jì)80年代開始,引入目的:定量化;分離和識別復(fù)雜的檢測信號。目前工業(yè)用超聲無損檢測大多還停留在了解材料和構(gòu)件是否有缺陷,或者憑經(jīng)驗大致判斷缺陷的大小和位置。但目前的理論和實驗研究表明,采用多參量的超聲數(shù)字信號處理與模式識別技術(shù)可給出檢測的量化結(jié)果,如缺陷的大小、位置、形狀或性質(zhì)。現(xiàn)代超聲技術(shù)與斷裂力學(xué)知識相結(jié)合,可望進一步對構(gòu)件的強度與剩余壽命進行評估。超聲檢測新技術(shù)的應(yīng)用,還包括超聲波應(yīng)力與殘余應(yīng)力測量技術(shù)、超

17、聲顯微鏡技術(shù)及超聲層析成像技術(shù)。超聲成像技術(shù)是對缺陷進行定量掃描的有效途徑,優(yōu)點是可提高信息量。超聲檢測新技術(shù)的出現(xiàn),使得超聲檢測中定性、定位和定量的可靠性得到提高,也使在高溫和復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的超聲檢測變成現(xiàn)實。6、超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢工業(yè)技術(shù)的發(fā)展一方面對超聲檢測技術(shù)提出了更高的要求，一方面也為超聲檢測技術(shù)提供了技術(shù)上的支持，這些效應(yīng)主要體現(xiàn)在：(1)工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量意識不斷提高以及在役設(shè)備壽命預(yù)測技術(shù)的要求;(2)復(fù)合材料、精細陶瓷等新材料的應(yīng)用,使傳統(tǒng)的超聲檢測方法遇到障礙,促使人們探索特殊的超聲檢測途徑;(3)現(xiàn)代信息科學(xué)為超聲檢測技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力,可對復(fù)雜的檢測信號和過程迅速有

18、效地提取和解讀。微機技術(shù)的發(fā)展帶動了傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)水平的提高,使檢測結(jié)果更直觀,如用二維、三維形式成像;(4)特殊的構(gòu)件對超聲檢測提出了非接觸的要求,促使超聲檢測從換能方法上有了新的突破。工業(yè)發(fā)展對超聲檢測技術(shù)的要求和支持，有力的促進了該技術(shù)的發(fā)展，同時也指明了其發(fā)展方向。根據(jù)工業(yè)發(fā)展的實際需要，對超聲檢測技術(shù)新要求主要有:(1)提高缺陷檢測的分辨率:檢測微小缺陷,材料內(nèi)部特定位置檢測,缺陷形狀檢測?？梢岳寐曂哥R使超聲波束聚焦成點或線,提高內(nèi)部特定位置探傷分辨率。(2)提高自動化水平:手動探傷到自動探傷,包括生產(chǎn)線上材料特定部位自動連續(xù)探傷。(3)盡可能做成非接觸式探傷,這對于不平或高溫材料的探傷是非常有必要的。根據(jù)上文中提到的工業(yè)要求，超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢可以總結(jié)如下:(1)向高精度、高分辨率方向發(fā)展。(2)高溫條件下的測量明顯增多,在線檢測、動態(tài)檢測增多。(3)在若干領(lǐng)域向超聲無損評價發(fā)展,使得超聲檢測內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲檢測技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合,對重要構(gòu)件進行剩余壽命評價;超聲檢測技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合,對材料進行物理評價。(4)在無損檢測方面向定量化、圖像化方向發(fā)展,超聲檢測系統(tǒng)將進一