緊固件裂紋無損檢測技術

■ 河南航天精工制造有限公司 （河南信陽 464000） 張玲玲 李常業 李祥軍 簡東平 劉 霖

緊固件目前廣泛應用于機械、建筑、橋梁和采油等工程領域。作為大型結構件的基本單元，許多緊固件在工作中會出現裂紋、腐蝕、凹坑以及人為損傷等缺陷，而裂紋缺陷所占的比重和危害性都非常大，嚴重威脅著現有結構和機構的安全性和可靠性。

裂紋檢測是對機械結構進行檢測與評估，以確定其是否有裂紋存在，進而判斷裂紋的位置和程度。隨著近現代機械制造、電子技術和計算機技術的迅猛發展，無損檢測技術得到了很大的發展，裂紋檢測技術也隨之得到迅速發展。本文首先介紹傳統裂紋檢測方法，在此基礎上，總結了現代的基于小波分析和電磁（渦流）脈沖的無損檢測方法，并指出緊固件裂紋檢測方法發展的熱點和方向。

1. 傳統的裂紋檢測方法

傳統的裂紋檢測方法有很多，可分為常規檢測和非常規檢測兩大類。常規檢測方法有渦流檢測、滲透檢測、磁粉檢測、射線檢測和超聲波檢測；非常規檢測方法有聲發射、紅外檢測和激光全息檢測。

（1）常規檢測方法 目前，機械、建筑和采油等工程領域一般簡單的裂紋檢測都采用常規檢測方法。針對不同的機構采用的檢測方法不同，例如，超聲檢測主要應用于對金屬板材、管材和棒材，鑄件、鍛件和焊縫以及橋梁、房屋建筑等混凝土構建的檢測；射線檢測主要用于機械、兵器、造船、電子、航空航天、石油化工等領域中的鑄件、焊縫等的檢測；磁粉檢測主要應用于金屬鑄件、鍛件和焊縫的檢測；磁粉檢測主要應用于金屬鑄件、鍛件和焊縫的檢測；滲透檢測主要應用于有色金屬和黑色金屬材料的鑄件、鍛件、焊接件、粉末冶金件以及陶瓷、塑料和玻璃制品的檢測；渦流檢測主要應用于導電管材、棒材、線材的探傷和材料分選。針對緊固件的裂紋檢測，可以采用超聲檢測和渦流檢測。例如，在緊固件小裂紋最佳渦流檢測參數試驗研究中，得到了小裂紋渦流檢測參數與相位信號呈線性關系的最佳檢測參數區段，這對提高棒料小裂紋檢測精度和外置式緊固件渦流檢測參數的選擇具有重要的指導作用。但渦流檢測干擾因素較多，需要特殊的信號處理技術。另外還有蘭姆波（Lamb wave）傳播能量譜結構裂紋檢測方法，具有穿透能力強、靈敏度高、快捷方便的特點，但是有時會產生盲區，發生阻塞現象，不能發現近距離裂紋，對所發現的缺陷作定性、定量表征比較困難。針對緊固件大部分都采用磁粉檢測和熒光探傷方法檢測，相對檢測效率較高，但是消耗人力、物力大，損害人的身體健康，同時由于受人為因素影響，經常會出現漏檢現象。

（2）非常規檢測方法 當對緊固件進行裂紋檢測時，若常規檢測方法達不到所要求的目的，可以考慮用非常規檢測方法。下面列舉三種常用的非常規裂紋檢測方法。

1）聲發射技術。該技術在承壓設備裂紋檢測方面最為成熟，在壓力容器、承壓管道的安全評定中已取得較為理想的效果，在航天航空、復合材料等裂紋檢測方面也得到大力發展。對于旋轉機械裂紋診斷，主要在旋轉軸、齒輪疲勞裂紋及軸承裂紋檢測等方面有一定程度的發展。聲發射的優點在于它是一種動態檢測方法，聲發射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是像超聲或射線探傷那樣由無損檢測儀器提供。聲發射檢測對缺陷很敏感，能夠整體探測和評價結構中的活性缺陷狀態。缺點是檢測受材料影響很大；檢測室受電噪聲和機械噪聲的影響；定位精度不高，對裂紋的識別只能給出有限的信息。

2）紅外檢測。主要應用于電力設備、石化設備、機械加工過程檢測、火災檢測、農作物優種以及材料與構件中的缺陷無損檢測。紅外無損檢測技術的優點在于它是非接觸式的檢測技術，遠距離空間分辨率高，安全可靠對人體無害，靈敏度高，檢測范圍廣、速度快，對被測物體沒有任何影響。紅外檢測的缺點是由于檢測靈敏度與熱輻射率相關，因此受試件表面及背景輻射的干擾，受缺陷大小、埋藏深度的影響，對原試件分辨率差，不能精確測定缺陷的形狀、大小和位置，檢測結果的解釋比較復雜，需要有參考標準，檢測操作人員需要經過培訓等。

3）激光全息檢測。主要用于蜂窩結構、復合材料檢測，固體火箭發動機的外殼、絕熱層、包覆層及推進劑藥柱各界面之間缺陷檢測，印制電路板焊點質量檢測以及壓力容器疲勞裂紋檢測等。它的優點是檢測方便，靈敏度很高，對被測對象沒有特殊要求，并能對缺陷進行定量分析。缺點是對于埋藏較深的脫粘缺陷，只有在脫粘面積相當大時才能夠被檢測出來。另外，激光全息檢測多在暗室進行，并需要采取嚴格的隔振措施，因此不利于現場檢測，具有一定的局限性。

2. 現代裂紋檢測新技術

隨著科學技術的迅速發展，機械、建筑和采油等工程領域對裂紋檢測的要求也越來越高，因此出現了很多裂紋檢測新技術。基于信號處理的裂紋檢測方法和電磁（渦流）脈沖無損檢測是現代常用的新技術。

（1）基于小波分析的裂紋檢測方法 隨著信號處理技術的發展，出現了基于信號處理的裂紋檢測方法，包括時間域、頻率域及時頻域方法，主要有傅里葉變換、短時傅里葉變換、Wigner-Vi l l e分布、希爾伯特-黃變換（HHT）、盲源分離等。其中小波分析的方法最具有代表性。直接利用小波分析的裂紋識別方法可以分為以下兩種：

1）基于時域響應的分析方法。包括利用時域分解圖的奇異點的方法、利用小波系數變化的方法和利用小波分解后能量變化的方法。基于時域響應的分析方法旨在發現裂紋損傷發生的時刻。

2）基于空間響應的分析方法。就是用空間位置的空間坐標軸代替時域響應信號的時間軸，以空間域響應作為輸入進行小波分析。基于空間域響應分析方法可以確定發生裂紋的位置。小波方法本身只能進行損傷發生時刻或損傷發生位置的判斷，且前者的應用更多一些。若想識別小裂紋，則需要將小波與其他方法結合對裂紋進行檢測。

（2）電磁（渦流）脈沖無損檢測 電磁技術結合超聲檢測、渦流成像、陣列渦流和脈沖渦流檢測等諸多功能，形成了現代電磁檢測新技術。其中常見的裂紋檢測技術有脈沖渦流檢測、脈沖渦流熱成像技術、脈沖渦流和電磁聲換能器（EMAT）雙探頭無損檢測以及金屬磁記憶檢測技術。

脈沖渦流用一個脈沖電流來激勵線圈，對檢測探頭感應的時域瞬態響應信號進行分析，選用信號的峰值、過零時間和峰值時間來對裂紋進行定量檢測。國防科技大學楊賓峰等用實驗證明脈沖渦流只需一次掃描就可對被測試件上不同深度的裂紋實現定量檢測；有研究人員利用諧波線圈的替代技術進行脈沖渦流檢測，以自身電場對導體內部總電場的貢獻的電偶極子形式的改變高于磁場傳感器所測導體上的改變，找到裂紋區電偶極子的分布密度來檢測裂紋。

脈沖渦流的缺點是脈沖渦流信號的峰值極易受到其他因素的影響（如提離效應），還有脈沖渦流探頭的檢測能力都會影響裂紋的檢測。

脈沖渦流成像儀器都采用線圈作為檢查傳感器。有人用霍爾傳感器作為檢查傳感器。近年來超量子干涉儀器開始應用到無損檢側領域。利用脈沖渦流熱成像技術消除了其他檢測中的提離效應，避免成像結果產生失真。

有研究人員用類似高斯光束形狀的YNG激光射入金屬板材表面，利用脈沖渦流和電磁聲換能器檢測技術，通過超聲波波形的突然變化或激光照射裂紋時波形中頻率成分的突然增加來識別裂紋。

3. 裂紋研究的熱點

目前對緊固件裂紋檢測的研究還僅停留在傳統檢測方法上，為了使檢測技術得到發展并解決實際應用問題，現在裂紋損傷識別的熱點主要集中在以下兩個方面：一是考慮不確定性影響的統計識別方法，二是緊固件微裂紋的識別。

裂紋損傷檢測會有很多不確定性，因此提出采用統計推斷方法處理系統識別問題。隨著損傷識別研究的飛速發展，基于概率統計理論的損傷識別方法的研究不斷深入。當前該方法的主要研究應用領域為系統辨識和模式識別。

現在已經有了檢測緊固件微裂紋的方法，例如基于ICT技術的微裂紋檢測、基于激光輔助加熱的激光超聲投捕法識別微裂紋，但是都有其局限性。例如，基于ICT技術的微裂紋檢測的局限性在于采集圖像中的灰度值與背景灰度值差別要求大，若灰度值與背景灰度值差別不大，則細節較難區分，因此影響圖像質量，造成圖像采集難度大，同時對圖像后處理也提出了更高的要求。而且再用VG Studio MAX軟件對微裂紋進行提取時，要提取包含全部微裂紋空間范圍，這具有不確定性。基于激光輔助加熱的激光超聲投捕法，識別微裂紋的局限性在于操作比較復雜，不能在惡劣的環境下檢測，所以還有待發展。

隨著社會經濟的不斷發展，對緊固件裂紋的檢測手段要求也越來越高，它必須符合實時在線檢測、靈敏度高、操作簡單以及不易受外界干擾等要求，能夠在惡劣的外部環境中工作；迅速準確地檢測到裂紋的位置、大小、寬度、深度和發展趨勢等；檢測結果可以圖像方式顯示，可以進行分析；集檢測速度快、效率高、結果直觀于一體。

4. 結語

對緊固件裂紋損傷識別雖然已經開展了很多研究工作，但是目前的損傷識別方法或指標僅局限于傳統檢測方法，考慮到檢測設備的成本、使用環境以及人為因素等，對于緊固件的多裂紋和微裂紋檢測是當今研究的熱點，要做到快速定位、精確定量，提高檢測精度和可靠性，實現對裂紋又好又快的檢測，這些都是緊固件裂紋檢測的發展方向。