無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)無(wú)損檢測(cè)是指在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能,不傷害被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；騖t"/subview/187964/_blank"缺陷存在引起的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類(lèi)型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法[1]

。無(wú)損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，無(wú)損檢測(cè)的重要性已得到公認(rèn)，主要有\(zhòng)t"/subview/187964/_blank"射線檢驗(yàn)（RT）、\t"/subview/187964/_blank"超聲檢測(cè)（UT）、\t"/subview/187964/_blank"磁粉檢測(cè)（MT）和液體滲透檢測(cè)（PT）四種。其他無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)（ECT）、\t"/subview/187964/_blank"聲發(fā)射檢測(cè)（AE）、熱像/紅外（TIR）、泄漏試驗(yàn)（LT）、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ACFMT）、漏磁檢驗(yàn)（MFL）、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)方法（RFT）、超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）等。一、磁記憶檢測(cè)金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)來(lái)檢測(cè)部件應(yīng)力集中部位的快速無(wú)損檢測(cè)方法?？朔藗鹘y(tǒng)無(wú)損檢測(cè)的缺點(diǎn)，能夠?qū)﹁F磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)，即微觀缺陷和早期失效和損傷等進(jìn)行診斷，防止突發(fā)性的疲勞損傷，是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一種新的檢測(cè)手段。金屬磁記憶方法自誕生以來(lái)，對(duì)其機(jī)理的解釋就成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)外專(zhuān)家俄羅斯Doubov教授最早提出：磁記憶現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于工件載荷作用下在鐵磁材料內(nèi)部形成位錯(cuò)穩(wěn)定滑移帶，高密度的位錯(cuò)積聚部位形成磁疇邊界(位錯(cuò)壁壘)，產(chǎn)生自有漏磁場(chǎng)。在機(jī)理研究方面。如從電磁學(xué)角度出發(fā)的電磁感應(yīng)說(shuō)，即鐵磁性材料垂直于地磁場(chǎng)作用方向的橫截面積，在定向應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)變，因而通過(guò)此橫截面的磁通量會(huì)發(fā)生變化。由電磁感應(yīng)定律知，該截面上必然產(chǎn)生感應(yīng)電流，并激勵(lì)出感應(yīng)磁場(chǎng)使工件磁化。又如基于鐵磁學(xué)基本理論的能量平衡說(shuō)，即磁記憶效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)在原因是金屬組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，材料內(nèi)部不均勻處會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)，在地磁場(chǎng)環(huán)境中施加應(yīng)力，則會(huì)出現(xiàn)滑移運(yùn)動(dòng)…，其結(jié)果會(huì)引起位錯(cuò)的增殖，產(chǎn)生很高的應(yīng)力能。能量平衡的結(jié)果，使得鐵磁零件內(nèi)部磁疇的疇壁發(fā)生不可逆的重新取向排列，由于金屬內(nèi)部存在多種內(nèi)耗效應(yīng)，使得動(dòng)載衙消除后，在金屬內(nèi)部形成的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)得以保留。為抵消應(yīng)力能，磁疇組織的重新排列也會(huì)保留下來(lái)，并在應(yīng)力集中區(qū)形成類(lèi)似缺陷的漏磁場(chǎng)分布形式，即磁場(chǎng)的切向分量為最大值，而法向分量符號(hào)發(fā)生改變，且具有過(guò)零值點(diǎn)。丁輝等17唄0建立了裂紋類(lèi)缺陷應(yīng)力場(chǎng)和磁通量變化間的數(shù)學(xué)模型，為磁記憶檢測(cè)裂紋類(lèi)缺陷提供了理論依據(jù)。在磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究方面，大慶石油學(xué)院開(kāi)展的對(duì)帶有預(yù)制焊接裂紋的球型容器、爆破試驗(yàn)后破裂的管件和帶有焊接缺陷的管件進(jìn)行了磁記憶檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，利用已知評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確找出了構(gòu)件中的缺陷，充分驗(yàn)證了金屬磁記憶方法的有效性。中國(guó)科學(xué)院上海精密機(jī)械研究所等單位開(kāi)展的利用地磁場(chǎng)檢測(cè)鋼球表面裂紋的可行性研究，表明鋼球被地磁場(chǎng)磁化后，從位于地磁場(chǎng)中的磁阻傳感器采樣得到的信號(hào)就能夠分辨出鋼球表面缺陷，為磁記憶技術(shù)在軸承檢測(cè)中的應(yīng)用提供了可行性方案。黃松嶺等研究了焊縫附近殘余應(yīng)力分布和試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量的關(guān)系，研究表明，二者具有較好的一致性。北京理工大學(xué)在北京市自然科學(xué)基金資助下，和俄羅斯動(dòng)力診斷公司及北京科技大學(xué)的研究人員開(kāi)展合作，探討磁記憶檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)力腐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用。磁記憶檢測(cè)技術(shù)能否得到有效應(yīng)用的關(guān)鍵是檢測(cè)設(shè)備。而檢測(cè)設(shè)備的核心是磁敏傳感器的研制。很多敏感器件如霍爾磁敏元件、鐵磁線圈和磁敏電阻等，從原理和技術(shù)指標(biāo)衡量，都可以應(yīng)用于磁記憶傳感器的研制。繼俄羅斯動(dòng)力診斷公司推出第一臺(tái)磁記憶檢測(cè)傳感器后，國(guó)內(nèi)已經(jīng)相繼推出了基于霍爾元件的磁記憶傳感器和基于磁敏電阻的磁記憶傳感器。進(jìn)行針對(duì)弱磁測(cè)量的傳感器研制，是磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。磁記憶檢測(cè)的發(fā)展作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)金屬磁記億檢測(cè)法在擁有廣闊的應(yīng)用前景的同時(shí)，其基礎(chǔ)理論和檢測(cè)手段都有待完善，目前尚存在磁記憶現(xiàn)象明確而機(jī)理模糊、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未定量化、對(duì)“危險(xiǎn)區(qū)”的評(píng)判手段仍不完善等諸多急需解決的問(wèn)題，還需進(jìn)行大量以下研究。(1)加強(qiáng)磁記憶檢測(cè)技術(shù)的機(jī)理研究：從目前已有的資料來(lái)看，盡管有一些文獻(xiàn)探討磁記憶檢測(cè)機(jī)理，但還沒(méi)有達(dá)到十分透徹和系統(tǒng)的程度，形成較完整嚴(yán)密的理論體系。這方面的研究涉及磁性物理學(xué)、鐵磁學(xué)、金屬材料學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、磁彈性理論、信號(hào)與系統(tǒng)分析等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。(2)開(kāi)展磁記憶檢測(cè)的定量化研究：在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，缺陷的定量檢測(cè)是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。磁記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一種廣義的漏磁場(chǎng)效應(yīng)，和漏磁檢測(cè)一樣，也應(yīng)該可以進(jìn)行定量化研究。但總體說(shuō)來(lái)，這方面的研究還有待于深入，對(duì)于缺陷大小、形狀和磁記憶參數(shù)之間的關(guān)系，還未見(jiàn)到系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。(3)系統(tǒng)開(kāi)展磁記憶效應(yīng)的機(jī)理性實(shí)驗(yàn)研究：在進(jìn)行磁記憶機(jī)理研究時(shí)，可以更系統(tǒng)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納經(jīng)驗(yàn)公式。二、紅外熱波無(wú)損檢測(cè)與常規(guī)的超聲、射線等檢測(cè)技術(shù)相比，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、全場(chǎng)、大面紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展迅速的一種新方法積、快速、直觀、易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，采用專(zhuān)用軟件對(duì)獲得的紅外圖像信息處理后，可直接識(shí)別缺陷位置坐標(biāo)，除此之外，檢測(cè)時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境沒(méi)有特殊要求，設(shè)備輕便、可移動(dòng)，特別適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和在線、在役檢測(cè)，國(guó)外已經(jīng)用于金屬和非金屬材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)。紅外熱成像技術(shù)理論及應(yīng)用的研究重點(diǎn)是研究熱源，產(chǎn)品被加熱后，材料內(nèi)部的缺陷改變復(fù)合材料局部的熱性能，導(dǎo)致材料表面溫度場(chǎng)的變化，通過(guò)材料表面的溫度圖譜即可判定缺陷，采用專(zhuān)用軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理，顯示出檢測(cè)結(jié)果，從而達(dá)到檢測(cè)目的。如圖1所示。圖1紅外熱波無(wú)損檢測(cè)原理圖紅外熱成像技術(shù)就是把物體輻射或反射的紅外波段圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光波段人眼可觀察圖象的技術(shù)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，紅外輻射的強(qiáng)度（單位面積向半球方向發(fā)射的全波長(zhǎng)輻射功率）可表示為：式中：--灰體發(fā)射系數(shù)，--斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.66x10-8Wm-2K–4）--絕對(duì)溫度在復(fù)合材料制造過(guò)程中，因制造工藝不合理使固體復(fù)合材料中產(chǎn)生缺陷時(shí)，缺陷尺寸相對(duì)于物體整個(gè)表面而言所占比例很小，所以，均勻加熱缺陷部位時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，缺陷附近區(qū)域的熱傳導(dǎo)可以用固體一維熱傳導(dǎo)（沿板厚方向）模型代替，如圖2所示。缺陷缺陷膠層圖2復(fù)合結(jié)構(gòu)件缺陷一維熱傳導(dǎo)模型根據(jù)固體熱傳導(dǎo)方程，簡(jiǎn)化后缺陷部位的一維熱傳導(dǎo)方程為：式中：—密度，—比熱，—熱傳導(dǎo)系數(shù)，—laplace算子，—溫度，—時(shí)間如果復(fù)合結(jié)構(gòu)件內(nèi)存在缺陷，采用適當(dāng)?shù)臒峒虞d方式加熱構(gòu)件表面時(shí)，熱波在構(gòu)件內(nèi)部傳播，并在其內(nèi)部擴(kuò)散，由于試件內(nèi)部存在著裂紋、氣孔、分層等缺陷，這將引起試件的熱傳導(dǎo)、熱容量等性能的改變，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，由于熱流被缺陷阻擋，就會(huì)在缺陷附近發(fā)生熱量堆積，而這些熱量的堆積必定會(huì)以不同的溫度分部反映出來(lái)，使得有缺陷區(qū)域的表面溫度不同于沒(méi)有缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的表面的溫度，當(dāng)用紅外探測(cè)器掃描或觀察試件表面時(shí)，紅外熱像儀就可以測(cè)定工件表面的溫度分布狀況，在試件加熱或冷卻過(guò)程中探測(cè)出物體表面溫度變化的差異，進(jìn)而判明缺陷的存在及其大小。國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況目前國(guó)外紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究以美國(guó)較為領(lǐng)先，其次是瑞典、加拿大、英國(guó)和日本，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域金屬、陶瓷、橡膠等和發(fā)動(dòng)機(jī)金屬?lài)姽苣z接質(zhì)量的檢驗(yàn)。美國(guó)GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋、NASA及海軍等已廣泛應(yīng)用,美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、加拿大等國(guó)己把紅外熱波檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量檢測(cè)、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測(cè)。美國(guó)空間動(dòng)力系統(tǒng)GDSS從1992年起就用該技術(shù)對(duì)Atlas空間發(fā)射艙復(fù)合材料的脫粘缺陷和A3火箭進(jìn)行檢測(cè)，目前紅外無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)正式應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)。美國(guó)的無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)編寫(xiě)、2001年出版的無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)中，紅外熱像無(wú)損檢測(cè)分冊(cè)里有大量的篇幅論述紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)韋恩州立大學(xué)的工業(yè)制造研究所在該技術(shù)領(lǐng)域的研究上一直得到美國(guó)政府機(jī)構(gòu)和許多大公司科研基金的支持，處在該領(lǐng)域研究的最前沿，取得了很多實(shí)際的研究成果。在FAA1998，1999和2000年飛機(jī)機(jī)身無(wú)損探傷技術(shù)競(jìng)標(biāo)中，此技術(shù)擊敗包括X射線、超聲波、暗電流檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)而唯一勝出。并逐漸被NASA、美國(guó)空軍和海軍、波音、洛克希德.各大汽車(chē)公司及各大航空公司等許多知名大公司所采用。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái).這些政府機(jī)構(gòu)和大公司紛紛設(shè)立了紅外熱波無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，用于研究解決各自獨(dú)特的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尚處于試驗(yàn)研究階段，國(guó)內(nèi)科研單位在金屬、金屬與非金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)中缺陷的紅外無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面也進(jìn)行了卓有成效的研究工作，如西安交大、北方交大、東南、天大、清華、621所、205所等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及電力、機(jī)車(chē)、醫(yī)學(xué)、集成電路等熱故障缺陷的檢測(cè)和航空航天領(lǐng)域鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、多層材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的分層、脫粘、裂縫等缺陷檢測(cè)。如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體、火箭殼體、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、渦輪葉片以及飛機(jī)蜂窩狀結(jié)構(gòu)等部件。2003年該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究列入國(guó)家863計(jì)劃，同時(shí)得到211工程支持，北京首都師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京航空材料研究院等單位進(jìn)行了一些典型試件的應(yīng)用試驗(yàn)，并獲得了一些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但由于是試驗(yàn)研究項(xiàng)目，專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前國(guó)內(nèi)還無(wú)紅外熱相儀的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家，主要依靠引進(jìn)紅外熱相儀進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究工作。三、超聲相控陣技術(shù)超聲相控陣技術(shù)的基本思想來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)是由許多輻射單元排成陣列組成，通過(guò)控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。超聲相控陣換能器由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成陣列,按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。超聲相控陣技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史。初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束對(duì)被檢器官成像;大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤伟?使目標(biāo)組織升溫并減少非目標(biāo)組織的功率吸收。最初,系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè),特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。如核電站主泵隔熱板的檢測(cè);核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動(dòng)檢測(cè)及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測(cè)。由于數(shù)字電子和DSP技術(shù)的發(fā)展，使得精確延時(shí)越來(lái)越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術(shù)發(fā)展的尤為迅速。超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個(gè)或多個(gè)探頭系統(tǒng)更大的能力。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過(guò)控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)(或來(lái)自)物