淺談超聲檢測未來的發展方向

朱學耕

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

【關鍵詞】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

無損檢測的發展水平在一定程度上反映了一個國家的生產技術水平和經濟發展程度[1]，隨著我國經濟的高速發展以及生產技術水平的提高，在過去的一段時間內我國無損檢測水平得到了很大的提高。目前應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部缺陷的檢測，除此之外由于超聲檢測具有穿透能力強、操作簡單、檢測成本低[3]等優點已成為應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用在鐵軌、大型壓力容器、核設施安全控制等方面，主要是以分析波形的變化來判斷工件質量的好壞，然而隨著科技的進步，低效率的超聲檢測已不能適應工業的發展，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。

1 超聲檢測的基本原理

常規超聲檢測主要是利用超聲換能器發射與吸收聲波，根據波形的突變來判斷是否有缺陷的存在[4]。如果工件內沒有缺陷，超聲波在傳播的過程中相當于在同介質之間傳播，這樣聲波不會發生突變，直到聲波傳播到達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；當工件內有缺陷的時候，相當于工件內的材料組織特性發生了明顯的變化，這樣聲波在與異質材料發生相互作用的時候會產生另一個回波，這個回波就是缺陷回波，而沒有缺陷的地方，聲波還會繼續傳播直到與工件底部發生相互作用，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 超聲檢測發展趨勢

2.1 相控陣超聲檢測

常規的超聲檢測只能夠以波形的方式顯示缺陷的位置，但是當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現，針對這些問題，相控陣超聲檢測[5]以缺陷成像的技術能夠成功的發現較小的缺陷，并且此方法對缺陷的定位相當的精確，依據實驗數據基本能夠達到90%之上，目前相控陣超聲檢測已經能夠成功的檢測出汽輪機葉片缺陷、發動機曲軸、核裝置等，而且近年來生產的便攜檢測設備的生產更是在一定程度上促進了相控陣超聲檢測的應用。

2.2 非接觸空氣耦合超聲檢測

相控陣超聲檢測技術是接觸式檢測，這種方法有很多的優點，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]，它是以空氣為介質進行檢測，在一定程度上釋放了對聲束的約束，可以實現對工件的快速高效的檢測。其檢測原理與常規超聲檢測相同，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用。

2.3 非線性超聲檢測

常規的超聲檢測是利用聲波的線性傳播特性，來對材料的不連續性進行判斷，但是線性超聲在檢測中理論上會存在繞射波，即當缺陷的大小僅為超聲波長的二分之一時會產生繞射波，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或微小缺陷與其相互作用的非線性效應，實現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部晶格的變化，因此能夠發現微小缺陷的檢測，目前非線性超聲檢測已經能夠利用材料的非線性系數對材料的彈性常數測定、復合材料粘接面粘接強度評估、材料力學性能退化評價以及連續體鑄造鋼非金屬夾雜檢測等，除此之外，常規檢測只能對張開的裂紋進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非線性彈性系數對閉合裂紋進行評價，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非線性系數的測定能夠建立與缺陷大小之間的聯系，雖然非線性超聲檢測有一系列的優點，但是也存在不足，常規超聲檢測對缺陷的定位相當的精確而非線性超聲檢測需要對對缺陷信號的頻譜進行分析，因此對缺陷的定位比較的困難。目前利用非線性超聲進行檢測主要是得到的一些實驗結果，對于其機理研究比較的少，這也是下一步的研究要點。

2.4 自動化超聲檢測

隨著工業技術的發展以及人們對零件生產質量的要求，零件在生產時就需要進行質量監控，因此在生產階段就需要對其進行質量檢測，淘汰不合格產品，由于零件的生產量較大，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計自動化超聲檢測系統[8]，利用機器完成對工件的全面檢測，這不但解決了漏檢的可能，一旦發現存在缺陷的工件系統就會進行報警，然后將不合格產品重行進行再生產。

3 展望

超聲檢測已經從傳統的A掃描檢測發展到現在的相控陣B掃描檢測，實現對缺陷的成像；從接觸式檢測向非接觸式的空氣耦合檢測發展，釋放了對聲束的約束；從發現宏觀缺陷的常規線性檢測向發現微觀裂紋的非線性超聲檢測進步；此外快速的超聲檢測才能適應工業生產中的質量控制，因此自動化超聲檢測應用而生。這些新的方法的產生將成為未來一段時間超聲檢測的研究熱門，其將帶來巨大的經濟效益。

【參考文獻】

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[5]李衍.相控陣超聲檢測國際動態[J].無損探傷，2008，32（6）：56-60.

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

[8]張旭輝，張維光.基于PC的自動超聲檢測系統精確定時方法研究[J].組合機床與自動化加工技術，2006（2）：40-42.

[責任編輯：曹明明]