无损检测技术简介及发展

无损检测技术简介及发展

窦在镇

机0801-1 20080520

【摘要】【关键字】：无损检测超声波射线激光涡流

无损检测技术是利用物质的某些物理性质因存在缺陷或组织结构上的差异使其物理量发生变化这一现象，在不损伤被检物使用性能及形态的前提下，通过测量这些变化来了解和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、状态、质量或内部结构等的一种特殊的检测技术。本文主要介绍了无损检测技术的目前具体技术原理分类和应用，同时就我国目前的检测技术做综述。

1无损检测简介

1.1概念

在不破坏的前提下检查共建宏观缺陷或测量工件特征的各种技术的统称。工业领域中的无损检测类似于人们买西瓜时的“隔皮猜瓜”。买西瓜时，用手轻轻拍打西瓜外皮，听声响或凭手感，想猜一下西瓜的生熟，这是人们常有的习惯。如果对猜想有怀疑，则要求切开看个究竟了。用手轻拍，对西瓜是无有损坏的，非破坏性的，听声响或凭手感猜想西瓜生熟，“隔皮猜瓜”，这是生活中的“无损检测”；而“切开看个究竟”，这就是生活中的破坏性检查了。不论无损检测技术如何发展，“隔皮猜瓜”这一主旨内涵不变；对检测结果（猜想）有怀疑时，要解剖（切开）进行验证，这一基本思想也不变。古老而简单的无损检测方法，如敲击器械，听声响，辨别有无裂纹等，是至今沿用的方法；但因它们对缺陷的位置和大小，做不出“基本相符”的判断，而不被视无损检测的技术方法。只有技术方法才可保证无损检测结果如上所述的准确性和可重复性

1.2 无损检测的目的

无损检测的目的大体上可从三个主要方面来阐述。

1.2.1 质量管理

每一种产品均有其使用性能要求，这些要求通常在该产品的技术文件中规定，例如技术条件、技术规范、验收标准等，以一定的技术质量指标反映。

无损检测的主要目的之一，就是对非连续加工（例如多工序生产）或连续加工（例如自动化生产流水线）的原材料、半成品、成品以及产品构件提供实时的工序质量控制，特别是控制产品材料的冶金质量与生产工艺质量，例如缺陷情况、组织状态、涂镀层厚度监控等等，同时，通过检测所了解到的质量信息又可反馈给设计与工艺部门，促使进一步改进设计与制造工艺以提高产品质量，收到减少废品和返修品，从而降低制造成本、提高生产效率的效果。

例如，某厂生产45#钢球面管嘴模锻件，对锻件进行磁粉检测发现存在锻造折叠，使得锻件报废或需要返修而成为次品，折叠出现率达到30~40%。通过改进模具设计和模锻前的毛料荒形设计，以及改进模锻时摆放毛料的方式，使折叠出现率下降到0%，杜绝了因为折叠造成的废品和返修品出现，从而大大节约了原材料和能源消耗，节省了返修工时，明显提高了生产效率。

又例如某厂用电弧炉冶炼5CrNiMo热作模具钢，对钢锭开坯锻制成模具毛坯，在投入机械加工之前采用超声波检测，发现比率高达48%存在白点缺陷而导致报废。经过改进冶炼原材料的质量控制、增加炉料烘烤工艺以去除湿气，并且在钢锭开坯锻制成模具毛坯后立即进行红装等温退火处理等一系列的工艺改进，杜绝了白点的产生，大大提高了钢材的收得率，节约了冶炼与锻造的能源消耗并明显提高了生产效率。

由此可见，在生产制造过程中采用无损检测技术，及时检出原始的和加工过程中出现的各种缺陷并据此加以控制，防止不符合质量要求的原材料、半成品流入下道工序，避免徒劳无功所导致的工时、人力、原材料以及能源的浪费，同时也促使设计和工艺方面的改进，亦即避免出现最终产品的“质量不足”。

另一方面，利用无损检测技术也可以根据验收标准将材料、产品的质量水平控制在适合使用性能要求的范围内，避免无限度地提高质量要求造成所谓的“质量过剩”。利用无损检测技术还可以通过检测确定缺陷所处的位置，在不影响设计性能的前提下使用某些存在缺陷的材料或半成品，例如缺陷处于加工余量之内，或者允许局部修磨或修补，或者调整加工工艺使缺陷位于将要加工去除的部位等等，从而可以提高材料的利用率，获得良好的经济效益。

因此，无损检测技术在降低生产制造费用、提高材料利用率、提高生产效率，使产品同时满足使用性能要求（质量水平）和经济效益的需求两方面都起着重要的作用。

1.2.2 质量鉴定

已制成的产品（包括材料、零部件等）在投入使用或作进一步加工，或进行组装之前，需要进行最终检验，亦即质量鉴定，确定其是否达到设计性能要求，能否安全使用，亦即判别其是否合格，以免给以后的使用造成隐患。

例如，某厂从国外进口的WNr2713热作模具钢轧棒，未经无损检验即投入锻造加工，结果出现大约56%的锻件开裂报废，经济损失很大，其原因是该批轧棒中存在严重的白点缺陷。

又如某厂使用5CrNiMo热作模具钢制成的三吨模锻锤用整体模，在三吨模锻锤上锻制铝合金锻件，仅生产了数十件锻件，模具即开裂报废，按模具的正常设计寿命应能至少生产数千件，其原因是该模具存在严重的过热粗晶。

又如某汽车制造厂从国外进口的汽车发动机曲轴，在装配前发现曲轴轴颈部位存在若干肉眼可见的白斑，经涡流检测确认属于曲轴轴颈表面的氮化层剥落，从而避免了装配后因轴颈快速磨损甚至卡死造成发动机事故，而且通过索赔挽回了可能造成的经济损失。

在许多的产品和制件中，由于例如叶片出现裂纹、齿轮含有夹渣等造成航空发动机试车以及飞行过程中发生损坏，以及类似的因为零部件质量低劣而在后续使用中早期破损甚至酿成灾难性事故的例子和教训是很多的，这里不予赘述。

因此，产品使用前的质量验收鉴定是非常必要的，特别是那些将在高应力、高温、高循环载荷等复杂恶劣条件下以及恶劣环境中工作的零部件或构件等，仅仅靠一般的外观检查、尺寸检查、破坏性抽检等是远远不够的，在这方面，无损检测技术表现出能够百分之百地全面检查材料内外部的无比优越性。

1.2.3 在役检测

使用无损检测技术对运行期间或正在运行中的设备构件进行经常性的或者定期的检查，或者实时监控（称为在役检测），能及时发现影响设备继续安全运行或使用的隐患，防止事故的发生。例如疲劳损伤，或者产品中原有的微小缺陷在使用过程中扩展成为危险性缺陷等等。特别是对于重要的大型设备，例如锅炉、压力容器、核反应堆、飞机、铁路车辆、铁轨、桥梁建筑、水坝、电力设备、输送管道...等等，防患于未然，更有着不可忽视的重要意义。

定期或不定期在役无损检测的目的并不仅仅是尽早发现和确认危害设备安全运行及使用的隐患并予以及时清除，从经济意义上来说，当今对无损检测技术还要求在发现早期缺陷（例如初始疲劳裂纹）后，通过无损检测技术定期或实时（连续）监视其发展，对所探测到的缺陷能够确定其类型、尺寸、位置、形状与取向等，根据断裂力学理论和损伤容限设计、耐久性等对设备构件的状态、能否继续使用、安全使用的极限寿命或者剩余寿命做出评估和判断。

综上所述，无损检测技术不仅是产品设计制造过程和最终成品静态质量控制的极重要手段，而且是保障产品安全使用与运行的动态质量控制几乎是唯一的手段。因此，可以说无损检测的必要性贯穿于设计、制造和运行全过程中的各个环节，其目的可以一言以蔽之，即是为了最安全、最经济地生产和使用产品。

必须明确的是，尽管无损检测技术在生产设计、制造工艺和质量管理、质量鉴定与控制、经济成本、生产效率等方面都显示了极其重要的作用，但是无损检测技术本身对具体某项产品而言，似乎并未直接增加什么内容，即不是所谓的“成形技术”。对产品所期待的使用性能和质量只能在产品制造中达到而不可能在产品检测中达到。无损检测技术的根本作用只是保证产品的质量或使用性能符合预期的目标，但是它是一种经济效益好的、保证产品质量的、高科技的检测技术。

无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检测方法已达五、六十种甚至更多，随着工业生产与科学技术的发展，还将会出现更多的无损检测方法与种类。本书仅能就几个主要方面作简单扼要的介绍。除了对于工业上已经广泛应用的五大常规无损检测技术（超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线照相检测）给予一定的工艺介绍外，对其他方法仅作概念性介绍。若需对其中某项方法作深入了解时，应查阅相应方法的专业技术介绍资料。

2无损检测技术

2.1激光技术在无损检测领域的应用与发展

激光技术在无损检测领域的应用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的独特性能,使其在无损检测领域的应用不断扩大,并逐渐形成了激光全息、激光超声等无损检测新技术,这些技术由于其在现代无损检测方面具有独特能力而无可争议地成为无损检测领域的新成员。 1.激光全息无损检测技术激光全息术是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。激光全息无损检测约占激光全息术总应用的 25%。其检测的基本原理是通过对被测物体加外加载荷,利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点,通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映材料、结构内部是否存在缺陷。激光全息无损检测技术的发展方向主要有以下几方面。 (1)将全息图记录在非线性记录材料上,以实现干涉图像的实时显现。 (2)利用计算机图像处理技术获取干涉条纹的实时定量数据。 (3)采用新的干涉技术,如相移干涉技术。在原来的基础上进一步提高全息技术的分辨率和准确性。 2.激光超声无损检测技术激光超声技术是七十年代中期发展起来的无损检测新技术。它利用 Q 开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体,激发出超声波,采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与其他超声无损检测方法相比,激光超声检测的主要优越性如下。 (1)能实现一定距离之外的非接触检测,不存在耦合与匹配问题。 (2)利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率,可以在宽带范围内提取信息,实现宽带检测。 (3)易于聚焦,实现快速扫描和成像。 3.激光无损检测的发展激光超声检测成本高,安全性较差,目前仍处于发展阶段。但在无损检测领域,激光超声检测在以下几方面的应用前景引起了人们的关注:(1)

可用于高温条件下的检测.如热钢材的在线检测;(2)适用于某些不宜接近的样品,如放射性样品的检测;(3)激光束可入射到任何部位,可用于检测形状奇异的样品;(4)可用于超薄超细的样品及表面或亚表面层的检测。国外近几年已有将激光超声检测用于飞机复合材料的检测、热态钢的在

线检测的报道,在化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜层厚度的实时检测方面也进行了研究。

2.2超声检测技术在无损检测中的应用与发展

超声无损检测技术(UT)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。 1.超声检测技术的应用 (1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。 (2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。 (3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。 (4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂, 检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等

多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。 (5)核电工业的超声检测。 (6)其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。 2.超声检测技术的发展在现代无损检测技术中,超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术大多有自动化和智能化的特点, 因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声 B 扫描成像,超声 C 扫描成像、超声 D 扫描成像,SAFT(合成孔径聚焦)成像,P 扫描成像,超声全息成像,超声 CT 成像等技术。三、射线技术在无损检测领域内的应用与发展

2.3射线检测技术的应用

射线检测技术是利用射线(X 射线、射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减,检测其内部结构不连续性的技术。穿过材料或工件的射线由于强度不同在 X 射线胶片上的感光程度也不同,由此生成内部不连续的图像。 (1)早期使用在石油工业.分析钻井岩芯。 (2)在航空工业用于检验与评价复合材料和复合结构。评价某些复合件的制造过程。也用于一系列情况下样件的评价;这种检测与评价过程, 大大简化了取样破坏分析过程。 (3)检测大型固体火箭发动机,这样的射线系统使用电子直线加速器 X 射线源,能量高迭 25MeV,可检验直径达 3m 的大型同体火箭发动机。 (4)检验小型、复杂、精密的铸件和锻件,进行缺陷检验和尺寸测量。 (5)检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程发生的材料或成分变化, 特别是对高强度、形状复杂的产品。 (6)组件结构检查。 2.射线检测技术的发展 (1)数字射线照相技术时代。1990 年,R.Halmshaw 和 N.A.Ridyard 在《英国无损检测杂志》上发表题为“数字射线照相方法评述”的文章,在评述了各种数字射线照相方法的发展之后认为,数字射线照相时代已经到来。近年来射线检测技术发展的基本特点是数字图象处理技术广泛应用于射线检测。射线层析检测和实时成像检测技术的重要基础之一是数字图象处理技术,即使常规胶片射线照相技术,也在采用数字图象处理技

术。 (2)今后重点应用的技术。 1994 年 Harold Berger 在美国《材料评价》发表的“射

线无损检测的趋势”中提出,在 20 世纪的最后 10 年和 21 世纪的初期,下列技术将得到广泛应用:①数字 X 射线实时检测系统在制造、在役检验和过程控制方面。②具有数据交换、使用 NDT 工作站的计算机化的射线检测系统。③小型、低成本的 CT 系统。④微焦点放大成像的 x 射线成像检验系统。⑤小型高灵敏度的 X 射线摄像机。⑥大面积的光电导 X 射线摄像机

2.4电磁涡流检测新技术

阵列涡流(Arrays Eddy Current, AED)传感器测试技术的研究始于2O世纪80年代中期，在20世纪80年代末到90年代初，出现了一批电涡流阵列测试方面的文献和专利。近十年来，随着传感器技术的发展以及加工工艺技术水平的提高，电涡流传感器阵列测试的研究和应用得到极大的发展，不仅用来测量大面积金属表面的位移，而且由于具有同时检测多个方向缺陷的优点，被广泛应用于金属焊缝的检测，飞行器金属部件的疲劳、老化和腐蚀检测，涡轮机、蒸气发生器、热交换器以及压力容器管道等的无损检测中。阵列式涡流检测探头是将很多小探头线圈按特定的结构类型密布在敞开或封闭的平面或曲面上构成阵列。工作是采用电子学的方法按照设定的逻辑程序，对阵列单元进行实时/分时切换。将各单元获取的涡流响应信号接入专用仪器的信号处理系统中去，完成一个阵列的巡回检测，阵列式涡流检测探头的一次检测过程相当与传统的单个涡流检测探头对部件受检面的反复往返步进扫描的检测过程。对于高分辨率的大面积涡流检测，阵列式涡流检测探头明显比传统的扫描探头更具优势，阵列式涡流检测探头在检测时，其涡流信号的响应时间极短，只需激励信号的几个周期，而在高频时主要由信号处理系统的响应时间决定。因此，阵列式涡流检测探头的单元切换速度可以很快，这一点是传统探头的手动或机械扫描系统所无法比拟的。此外，传感器阵列的结构形式灵活多样，可以非常方便地对复杂表面形状的零件进行检测，而且这种发射/接收线圈的布局模式成倍的提高了对材料的检测渗透深度，因此，阵列式传感器的研究成为当前传感器技术研究中的重要内容和发展方向。

远场涡流(remote field eddy current, RFEC)检测技术是一种能穿透铁磁性金属管壁的低频涡流检测技术。它使用一个激励线圈和一个设置在与激励线圈相距约二倍管内径处的较小的测量线圈同时工作，激励线圈通低频交流电，测量线圈能有效地接收穿过管壁后返回管内的磁场.从而有效的检测金属管子内壁缺陷与管壁厚薄，远场涡流检测除了具有常规涡流检测的特点外还独具有透壁性，能检测整个管壁上的缺陷而不受趋肤效应的影响。早在1951年，美国便申请了远场涡流试验的专利。50年代末，远场涡流检测技术首先被应用于油井套管的检测。但当时由于人们对远场涡流技术机理的认识有限和电子技术设备的限制，远场涡流技术并没有得到应有的重视。直到80年代中期，随着远场涡流理论的逐渐完善和实验论证，远场涡流检测技术用于管道(特别是铁磁性管道)检测的优越性才被人们广泛认识。一些先进的远场涡流检测系统也开始出现。并在核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测中得到实际应用。最近的一些研究表明，远场涡流现象不仅存在于管材中，而且存在与导电板材中，由于远场涡流检测不受趋肤效应的限制，采用远场涡流对板材检测深度的限制将会大大的降低，因此，通过将远场涡流推广到对导电导磁板材的检测，远场涡流检测的应用范围将会越来越广。在信号处理方面，远场涡流检测技术与多频检测技术的结合使用，能够有效的将支撑板等干扰信号分离出来。但是，常规涡流检测中对于缺陷的定位比较容易，而由于远场涡流检测中不存在趋肤效应及深度方向的相位滞后，因此在缺陷的定位方面还不能象常规涡流检测那样精确，有待进一步的研究。

3我国无损检测目前状况

近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工

业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面开展的主要研究有：计算机化超声设备;用户友好界面操作系统软件;超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等;高频超声无损检测技术：各种扫描成象技术：多坐标、多通道的自动超声检查系统：超声机器人检测系统：复杂构件的自动扫描超声成象检测(如5维以上多维探头调节结构等辅助设备的开发研究)等。这其中许多成果已经达到国际先进水平，这些研究为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。

无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了ISO，ATSM、 DIN、SS、BS、NF、JIS等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间存在很大差距。具体表现在以下几个方面: 检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算机等现代技术，却缺乏切实的实践经验.这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件，以及有自动判伤。自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视。组织一定的人力、才力对超声无损检测的现场经验进行收集和总结，不断充实检测理论和检测规范，把无损检测技术人员和计算机技术人员有机结合起来，才能开发出实用的无损检测软件。另外，应该树立对各类无损检测软件的正确观念，任何软件都是依靠正确的检测方法、检测状态和在一定的适用范围限制下得到的结果。

专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备利用率低。我国无损检测技术经过40年的发展，虽然应用已经遍及近30个系统领域，直接从事无损检测技术方面的人员已近20万左右，但是高技术专业人员较少。目前我国的投入不比日本少，国民生产总值只有日本的三分之一左右，这主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。我们调研的几个大型机械制造企业，都拥有为数不少的无损检测设备，但由于对无损检测重要性认识不够，专门从事无损检测的人员缺乏等因素，无损检测在生产中并未发挥其应有的作用。无损检测方面的书籍缺乏，很不利于无损检测后继人员的培养。

重视对无损检测技术领域的信息技术应用。当信息技术和无损检测结合以后，人们就可以最大限度地从检测过程中获取大量信息。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。目前国内已经建立的无损检测专业网站或涉及无损检测技术范畴内容的网站的初步估算超过50个，但是专业的无损检测技术资讯综合网站少，仅有无损检测资讯网几家，其余网站的内容大多局限于其自身的生产经营、服务业务等，范围相对比较狭窄。重视无损检测技术领域的信息技术应用，建立无损检测各类相关技术、设备仪器等方面的专业的、综合性的资讯网站，是当前无损检测技术发展所必须的。要使超声检测的专业队伍技术水平普遇得到提高，就要认识到信息技术应用必要性。

总之，当前迫切需要解决的问题是涉及实际工程应用中亟待解决的问题，如检测方法的规范化，判伤的标准化，检测和验收标准的制订，操作步骤的程序化.检测技术领域的信息化。另外.应该注重对无损检测人员资格进行全国统一的培训、鉴定和考核，力争使无损检测人员的培训与国际接轨。

参考文献

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[7]《无损探伤》杂志1984~1987年

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