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船舶制造維修中無損檢測(cè)的幾種新方法
隨著無損檢測(cè)技術(shù)的不斷提高，船舶制造行業(yè)在隨著不斷發(fā)展，人們對(duì)船舶生產(chǎn)工藝水平要求越來越高，對(duì)無損檢測(cè)器材的需求量也越來越多，丹東時(shí)代東科儀器有限公司近年來生產(chǎn)的各種超聲波測(cè)厚儀，超聲波探傷儀，磁粉探傷機(jī)，X射線探傷機(jī)、觀片燈，全自動(dòng)洗片機(jī)，超聲波探頭、工業(yè)膠片、射線防護(hù)服等各種無損檢測(cè)器材也不斷受到了廣大客戶的廣泛好評(píng)！下面我們?yōu)榇蠹医榻B一下再船舶維修中主要的集中新的檢測(cè)方法：
目前，在船舶維修中，檢測(cè)方法有：
（1）人工目視、耳聽、鼻聞、手摸等。這種方法簡單、直觀，但對(duì)于人的感官難于觸及的構(gòu)件檢測(cè)，傳統(tǒng)的方法是無能為力的。如艦船管道外面有包覆層、絕熱層，傳統(tǒng)的方法檢測(cè)前必須拆開包覆層、絕熱層，必須對(duì)管道表面進(jìn)行清潔處理，并且艙室內(nèi)管道繁多，許多情況下艙室內(nèi)的惡劣條件無法對(duì)管道實(shí)施檢測(cè)。
（2）表面檢驗(yàn)。用以顯示或驗(yàn)證表面或表層缺陷的存在，可供采用的方法有磁粉法、液體滲透法、渦流法等，這些方法的主要缺陷是必須對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行預(yù)先的清潔處理，耗時(shí)長，檢測(cè)效率低，另外，對(duì)不規(guī)則的構(gòu)件表面檢測(cè)比較困難。
（3）體積檢驗(yàn)。用以查明表面下缺陷以及缺陷深度、大小等，通常包括超聲波、射線照相檢驗(yàn)等技術(shù)，超聲波檢測(cè)屬于點(diǎn)接觸式檢測(cè)，需要耦合劑，容易漏檢，對(duì)人的操作技術(shù)水平要求高，效率也較低;射線檢測(cè)主要是對(duì)人的身體有害，必須有很嚴(yán)格的保護(hù)措施。
綜上所述，根據(jù)艦艇維修的特點(diǎn)及檢測(cè)方法現(xiàn)狀，有必要對(duì)無損檢測(cè)新方法進(jìn)行研究。無損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)該具備以下功能或特點(diǎn)：可以克服常規(guī)無損檢測(cè)方法的局限性，實(shí)現(xiàn)非接觸、大范圍或長距離的快速檢測(cè);可以克服艦船構(gòu)件有油污，或彎曲，或有包覆層等限制性條件;可以對(duì)難于接觸或到達(dá)的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè);可以在不拆掉艦船構(gòu)件包覆層的情況下，對(duì)艦船構(gòu)件各種缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和定位，縮小維修范圍，避免不必要的拆卸和更換，降低人工檢測(cè)強(qiáng)度，節(jié)省人力和物力。
2無損檢測(cè)新技術(shù)
無損檢測(cè)新技術(shù)與常規(guī)老技術(shù)是相對(duì)而言的，傳統(tǒng)的常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)若能夠賦予新的內(nèi)容就可稱為新的。超聲、射線、渦流等是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，但隨著物理、機(jī)械、電子、材料學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器/換能器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、缺陷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展與融入，正在不斷得到新的發(fā)展和應(yīng)用[1]。目前，無損檢測(cè)新技術(shù)主要有：靜電傳感器技術(shù)、空氣耦合傳感器方法、電磁聲傳感
器方法、激光超聲方法、光全息攝影或干涉技術(shù)、磁致伸縮傳感器方法、混合超聲技術(shù)等，本文主要簡述幾種較流行的無損檢測(cè)新技術(shù)[2]。
2.1空氣耦合
超聲波浸潤檢測(cè)是一種研究許多材料性能的比較流行的技術(shù)。然而，使用水作為耦合介質(zhì)在某些場(chǎng)合又不太適用。如被檢測(cè)材料吸收水，或者被污染的地方或者浸水反而會(huì)有損材料。于是，使用空氣作為耦合介質(zhì)引起了人們的極大的興趣。然而，超聲波在空氣中衰減比在水中大得多，尤其對(duì)于頻率高于1MHz或更高時(shí)。因此，人們把注意力集中在設(shè)法改進(jìn)傳感器的設(shè)計(jì)以提高其靈敏度和帶寬。
目前，zui常用的空氣耦合傳感器是基于壓電或靜電設(shè)計(jì)。壓電空氣耦合傳感器使用通常的壓電陶瓷元件，其主要問題是聲阻抗不匹配，導(dǎo)致發(fā)射和接收的效率很低，為了減少能量損失，通常使用匹配層材料，然而理想的聲阻抗匹配材料很難找到。另一種方法是通過改變傳感器所用的壓電材料自身的機(jī)械和電氣性能以提高發(fā)射和接收的效率。而由電容（或靜電）設(shè)計(jì)的空氣耦合傳感器比壓電型傳感器的頻率帶寬要寬，能量相對(duì)比較容易耦合到被測(cè)物體中，在電容傳感器里面通常安裝有固體支撐板，并用聚合物薄膜拉伸，此結(jié)構(gòu)很好地改變了聲阻抗不匹配的問題。
空氣耦合超聲波傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是使用空氣耦合介質(zhì)可以避免弄臟被檢測(cè)物體，不需液體耦合劑可以實(shí)現(xiàn)快速掃描。其主要局限性在于靈敏度較低。人們正不斷地尋找合適的低阻抗、低衰減的匹配材料，輔以適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐?，頻率可達(dá)兆赫茲，換能器的性能將極大提高。因此，這必將推動(dòng)超聲波技術(shù)在機(jī)器人控制、材料無損評(píng)價(jià)以及其它方面的應(yīng)用和發(fā)展。
2.2電磁聲
電磁聲方法是基于渦流和磁場(chǎng)的交互作用，利用電磁聲探頭產(chǎn)生和接收超聲導(dǎo)波。它是將高頻電流通入靠近被檢金屬表面的發(fā)射線圈中，在金屬表面的趨膚層內(nèi)感應(yīng)出相同頻率的渦流，若同時(shí)在金屬表面施加一個(gè)磁場(chǎng)，金屬中的渦流在磁場(chǎng)的作用下就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與渦流頻率相同的力，即洛侖茲力。洛侖茲力帶動(dòng)金屬材料晶格的振動(dòng)，并在工件內(nèi)傳播就形成了聲波。由于電磁超聲方法不使用耦合介質(zhì)，所以它可用于高溫、高速、表面粗糙工件的檢測(cè)。另外，電磁超聲的頻率由發(fā)射線圈中的交流電頻率決定，所以它很容易調(diào)整檢測(cè)頻率，以適應(yīng)不同的檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)要求。而壓電超聲的檢測(cè)頻率由壓電晶片的固有頻率決定，在不更換探頭的情況下，無法變更頻率，這一點(diǎn)無法與電磁超聲相比。
電磁聲傳感器一般分為兩種：洛侖茲力式和磁致伸縮式。根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象材料特性不同，我們可以選取不同型式的傳感器。對(duì)于非磁性導(dǎo)電材料的檢測(cè)，一般選用洛侖茲力式電磁聲傳感器，因?yàn)樵诖瞬牧现新暡ǖ漠a(chǎn)生是洛侖茲力作用在材料晶格上的結(jié)果。對(duì)于磁性導(dǎo)電材料的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的實(shí)際情況，洛侖茲力式和磁致伸縮式電磁聲傳感器可能都要利用。因?yàn)樵诖艌?chǎng)的作用下，存在磁致伸縮力，再加上洛侖茲力同時(shí)影響離子的運(yùn)動(dòng)。在磁性材料中，電磁場(chǎng)能改變材料的磁致伸縮系數(shù)，從而產(chǎn)生周期變化的磁致伸縮應(yīng)力迭加在洛侖茲力產(chǎn)生的應(yīng)力上。在應(yīng)用高的磁場(chǎng)強(qiáng)度使材料達(dá)到磁飽和以后，洛侖茲力成為產(chǎn)生聲波的*原因。磁致伸縮力在磁場(chǎng)比較小的時(shí)候占主導(dǎo)地位，要比相同磁場(chǎng)作用下洛侖茲力機(jī)理產(chǎn)生的聲波幅值強(qiáng)得多。因此，在磁場(chǎng)比較小的時(shí)候，用磁致伸縮式電磁聲傳感器檢測(cè)靈敏度比較高，在磁場(chǎng)強(qiáng)度很大以致使材料達(dá)到磁飽和的時(shí)候，用洛侖茲力式電磁聲傳感器檢測(cè)靈敏度比較高。
使用電磁超聲檢測(cè)的材料必須具有導(dǎo)電性或鐵磁性，或?qū)щ娦院丸F磁性都具有，這是其應(yīng)用的局限性之一;另外，EMAT的工作距離比較有限，通常只有幾個(gè)毫米。EMAT相對(duì)壓電傳感器來說，主要不足是其效率比較低。直到zui近，這點(diǎn)不足限制了EMAT在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用。但是，EMAT是目前流行的主要無損評(píng)價(jià)技術(shù)之一。因?yàn)樗哂袔状髢?yōu)點(diǎn)：無需耦合劑;可非接觸操作;可高溫操作;可利用SH波檢測(cè)以及適合發(fā)射和接收瑞利波、Lamb波和SH波。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等的發(fā)展，EMAT技術(shù)將在各種應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷的改進(jìn)和發(fā)展。
2.3激光超聲
在常規(guī)的超聲檢測(cè)中，由于超聲波換能器本身帶寬的限制及換能器與試件之間的耦合等因素影響，無法產(chǎn)生很窄的單個(gè)超聲脈沖，而激光超聲技術(shù)可以重復(fù)產(chǎn)生很窄的超聲脈沖，在時(shí)間和空間均具有*的分辨率。在固體中激光激發(fā)超聲波的主要機(jī)理是熱彈性膨脹和試件表面材料熔化、蒸發(fā)而形成沖擊力兩種。若照射到試樣表面的激光能量不足以使表面熔化時(shí)，試樣內(nèi)超聲波脈沖主要是由于試樣吸收光能發(fā)生熱彈性膨脹而產(chǎn)生的。若激光能量足以使照射材料的表面熔化時(shí)，材料汽化產(chǎn)生沖量作用于表面，產(chǎn)生了一個(gè)法向作用力，激發(fā)出幅值較大的超聲波。固體中激光超聲波信號(hào)的檢測(cè)主要采用換能器法檢測(cè)和光學(xué)法檢測(cè)。換能器法檢測(cè)靈敏度較高，但帶寬有限，不適合檢測(cè)寬頻帶的激光超聲信號(hào)。而光學(xué)檢測(cè)法可很好解決上述問題。由于激光超聲不需任何耦合劑，能夠用于粉末、多孔材料，膠體及薄膜等通常接觸式換能器不能激發(fā)超聲的材料的檢測(cè)。激光超聲對(duì)被測(cè)試件的要求較低，對(duì)表面粗糙、曲率大和幾何形狀十分復(fù)雜的物體均能檢測(cè)。但有一些問題須進(jìn)一步解決。一是由激光能量到超聲能量的轉(zhuǎn)換效率問題。要提高激光超聲的強(qiáng)度，可以加大激光輻射能量，但不能太大，否則會(huì)損傷被測(cè)試件表面。二是激光超聲信號(hào)檢測(cè)靈敏度問題。由于換能器不太適合檢測(cè)激光超聲信號(hào)，所以應(yīng)發(fā)展光學(xué)檢測(cè)法。光學(xué)檢測(cè)法特別適合于窄脈沖激光產(chǎn)生的寬頻帶超聲信號(hào)檢測(cè)，但光學(xué)檢測(cè)法比換能器檢測(cè)靈敏度低，因此提高光學(xué)檢測(cè)法的靈敏度是目前發(fā)展趨勢(shì)之一。激光可以在不同形狀的試件中激發(fā)超聲波且是非接觸的，易于在高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環(huán)境下進(jìn)行超聲檢測(cè)，適合于超薄材料的檢測(cè)和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。
2.4磁致伸縮技術(shù)
鐵磁體在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其外型尺寸會(huì)發(fā)生變化，即產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變，從而在鐵磁體內(nèi)激發(fā)彈性導(dǎo)波。反過來，鐵磁體在受到磁致伸縮激勵(lì)力的作用下，其磁性將發(fā)生變化，即導(dǎo)致鐵磁體的磁導(dǎo)率或磁阻的變化，從而引起導(dǎo)波的反射、透射等。導(dǎo)波在傳播過程中，鐵磁體內(nèi)各部分均發(fā)生變化，與此相應(yīng)，其磁導(dǎo)率也將發(fā)生變化，它反過來使波的傳播特性也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鐵磁體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，而變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度必定引起接收線圈中的電壓變化，通過測(cè)量電壓信號(hào)——導(dǎo)波的反射情況，即可檢測(cè)出鐵磁體構(gòu)件中是否存在腐蝕、裂紋、破損等缺陷。也可以簡單的歸納為：導(dǎo)波產(chǎn)生——基于磁致伸縮效應(yīng)：即鐵磁性材料在外磁場(chǎng)的作用下，其實(shí)際的外型尺寸將發(fā)生小的改變;導(dǎo)波檢測(cè)——基于磁致伸縮逆效應(yīng)：即鐵磁性材料受到機(jī)械應(yīng)力（或應(yīng)變）時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度將發(fā)生變化。
磁致伸縮無損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單，操作容易，價(jià)格適中，適用于鐵磁性、非鐵磁性、鐵氧體等物質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸、大范圍、長距離、快速檢測(cè)。
2.5混合超聲
由于每一種無損檢測(cè)方法有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足的地方，因此，人們想出了結(jié)合幾種無損檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可稱為混合超聲檢測(cè)技術(shù)。有人使用激光產(chǎn)生超聲波圖像，并用壓電空氣耦合傳感器檢測(cè)缺陷信號(hào);有人開發(fā)了混合窄帶激光激勵(lì)和氣耦合檢測(cè)超聲波的檢測(cè)系統(tǒng)，適合于在線過程控制應(yīng)用;有人利用脈沖激光作為激勵(lì)源，用電磁聲傳感器EMAT檢測(cè)鋼板的焊縫缺陷，可以實(shí)現(xiàn)非接觸、快速檢測(cè);有人利用激光在材料表面激勵(lì)表面波、縱波和剪切波，并用EMAT檢測(cè)返回來的波，等等。
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