1、機械故障診斷與維修課程論文無損檢測技術簡介及發展竇在鎮機 0801-120080520【摘要】【關鍵字】：無損檢測超聲波 射線 激光 渦流無損檢測技術是利用物質的某些物理性質因存在缺陷或組織結構上的差異使其物理量發生變化這一現象，在 不損傷被檢物使用性能及形態的前提下，通過測量這些變化來了解和評價被檢測的材料、產品和設備構件的性質、 狀態、質量或內部結構等的一種特殊的檢測技術。本文主要介紹了無損檢測技術的目前具體技術原理分類和應用， 同時就我國目前的檢測技術做綜述。1無損檢測簡介1.1概念在不破壞的前提下檢查共建宏觀缺陷或測量工件特征的各種技術的統稱。工業領域中的無損檢 測類似于人們買西瓜時的

2、“隔皮猜瓜”。買西瓜時，用手輕輕拍打西瓜外皮，聽聲響或憑手感，想 猜一下西瓜的生熟， 這是人們常有的習慣。 如果對猜想有懷疑， 則要求切開看個究竟了。用手輕拍,對西瓜是無有損壞的，非破壞性的，聽聲響或憑手感猜想西瓜生熟，“隔皮猜瓜”，這是生活中的“無損檢測”；而“切開看個究竟”，這就是生活中的破壞性檢查了。不論無損檢測技術如何發展，“隔皮猜瓜”這一主旨內涵不變；對檢測結果（猜想）有懷疑時，要解剖（切開）進行驗證，這一 基本思想也不變。古老而簡單的無損檢測方法，如敲擊器械，聽聲響，辨別有無裂紋等，是至今沿用的方法；但因它們對缺陷的位置和大小，做不出“基本相符”的判斷，而不被視無損檢測的技術 方法

3、。只有技術方法才可保證無損檢測結果如上所述的準確性和可重復性1.2無損檢測的目的無損檢測的目的大體上可從三個主要方面來闡述。1.2.1質量管理每一種產品均有其使用性能要求，這些要求通常在該產品的技術文件中規定，例如技術條件、 技術規范、驗收標準等，以一定的技術質量指標反映。無損檢測的主要目的之一，就是對非連續加工（例如多工序生產）或連續加工（例如自動化生 產流水線）的原材料、半成品、成品以及產品構件提供實時的工序質量控制，特別是控制產品材料 的冶金質量與生產工藝質量，例如缺陷情況、組織狀態、涂鍍層厚度監控等等，同時，通過檢測所 了解到的質量信息又可反饋給設計與工藝部門，促使進一步改進設計與制造

4、工藝以提高產品質量， 收到減少廢品和返修品，從而降低制造成本、提高生產效率的效果。例如，某廠生產 45#鋼球面管嘴模鍛件，對鍛件進行磁粉檢測發現存在鍛造折疊，使得鍛件報廢或 需要返修而成為次品，折疊出現率達到3040%通過改進模具設計和模鍛前的毛料荒形設計，以及改進模鍛時擺放毛料的方式，使折疊出現率下降到0%杜絕了因為折疊造成的廢品和返修品出現，從而大大節約了原材料和能源消耗，節省了返修工時，明顯提高了生產效率。又例如某廠用電弧爐冶煉 5CrNiMo熱作模具鋼，對鋼錠開坯鍛制成模具毛坯，在投入機械加工 之前采用超聲波檢測，發現比率高達48%存在白點缺陷而導致報廢。經過改進冶煉原材料的質量控制、

5、增加爐料烘烤工藝以去除濕氣，并且在鋼錠開坯鍛制成模具毛坯后立即進行紅裝等溫退火處理 等一系列的工藝改進，杜絕了白點的產生，大大提高了鋼材的收得率，節約了冶煉與鍛造的能源消 耗并明顯提咼了生產效率。由此可見，在生產制造過程中采用無損檢測技術，及時檢出原始的和加工過程中出現的各種缺 陷并據此加以控制，防止不符合質量要求的原材料、半成品流入下道工序，避免徒勞無功所導致的 工時、人力、原材料以及能源的浪費，同時也促使設計和工藝方面的改進，亦即避免出現最終產品 的“質量不足”。另一方面，利用無損檢測技術也可以根據驗收標準將材料、產品的質量水平控制在適合使用性 能要求的范圍內，避免無限度地提高質量要求造成

6、所謂的“質量過剩”。利用無損檢測技術還可以 通過檢測確定缺陷所處的位置，在不影響設計性能的前提下使用某些存在缺陷的材料或半成品，例 如缺陷處于加工余量之內，或者允許局部修磨或修補，或者調整加工工藝使缺陷位于將要加工去除 的部位等等，從而可以提高材料的利用率，獲得良好的經濟效益。因此，無損檢測技術在降低生產制造費用、提高材料利用率、提高生產效率，使產品同時滿足使用 性能要求（質量水平）和經濟效益的需求兩方面都起著重要的作用。1.2.2質量鑒定已制成的產品（包括材料、零部件等）在投入使用或作進一步加工，或進行組裝之前，需要進 行最終檢驗，亦即質量鑒定，確定其是否達到設計性能要求，能否安全使用，亦即

7、判別其是否合格， 以免給以后的使用造成隱患。例如，某廠從國外進口的 WNr2713熱作模具鋼軋棒，未經無損檢驗即投入鍛造加工，結果出現 大約56%的鍛件開裂報廢，經濟損失很大，其原因是該批軋棒中存在嚴重的白點缺陷。又如某廠使用5CrNiMo熱作模具鋼制成的三噸模鍛錘用整體模，在三噸模鍛錘上鍛制鋁合金鍛 件，僅生產了數十件鍛件，模具即開裂報廢，按模具的正常設計壽命應能至少生產數千件，其原因 是該模具存在嚴重的過熱粗晶。又如某汽車制造廠從國外進口的汽車發動機曲軸，在裝配前發現曲軸軸頸部位存在若干肉眼可 見的白斑，經渦流檢測確認屬于曲軸軸頸表面的氮化層剝落，從而避免了裝配后因軸頸快速磨損甚 至卡死造

8、成發動機事故，而且通過索賠挽回了可能造成的經濟損失。在許多的產品和制件中，由于例如葉片出現裂紋、齒輪含有夾渣等造成航空發動機試車以及飛 行過程中發生損壞，以及類似的因為零部件質量低劣而在后續使用中早期破損甚至釀成災難性事故 的例子和教訓是很多的，這里不予贅述。因此，產品使用前的質量驗收鑒定是非常必要的，特別是那些將在高應力、高溫、高循環載荷 等復雜惡劣條件下以及惡劣環境中工作的零部件或構件等，僅僅靠一般的外觀檢查、尺寸檢查、破 壞性抽檢等是遠遠不夠的，在這方面，無損檢測技術表現出能夠百分之百地全面檢查材料內外部的 無比優越性。1.2.3在役檢測使用無損檢測技術對運行期間或正在運行中的設備構件進

9、行經常性的或者定期的檢查，或者實 時監控（稱為在役檢測），能及時發現影響設備繼續安全運行或使用的隱患，防止事故的發生。例如 疲勞損傷，或者產品中原有的微小缺陷在使用過程中擴展成為危險性缺陷等等。特別是對于重要的 大型設備，例如鍋爐、壓力容器、核反應堆、飛機、鐵路車輛、鐵軌、橋梁建筑、水壩、電力設備、 輸送管道等等，防患于未然，更有著不可忽視的重要意義。定期或不定期在役無損檢測的目的并不僅僅是盡早發現和確認危害設備安全運行及使用的隱患并予 以及時清除，從經濟意義上來說，當今對無損檢測技術還要求在發現早期缺陷（例如初始疲勞裂紋） 后，通過無損檢測技術定期或實時（連續）監視其發展，對所探測到的缺陷能

10、夠確定其類型、尺寸、 位置、形狀與取向等，根據斷裂力學理論和損傷容限設計、耐久性等對設備構件的狀態、能否繼續 使用、安全使用的極限壽命或者剩余壽命做出評估和判斷。綜上所述，無損檢測技術不僅是產品設計制造過程和最終成品靜態質量控制的極重要手段，而且是 保障產品安全使用與運行的動態質量控制幾乎是唯一的手段。因此，可以說無損檢測的必要性貫穿 于設計、制造和運行全過程中的各個環節，其目的可以一言以蔽之，即是為了最安全、最經濟地生 產和使用產品。必須明確的是，盡管無損檢測技術在生產設計、制造工藝和質量管理、質量鑒定與控制、經濟 成本、生產效率等方面都顯示了極其重要的作用，但是無損檢測技術本身對具體某項產

11、品而言，似 乎并未直接增加什么內容，即不是所謂的“成形技術”。對產品所期待的使用性能和質量只能在產 品制造中達到而不可能在產品檢測中達到。無損檢測技術的根本作用只是保證產品的質量或使用性 能符合預期的目標，但是它是一種經濟效益好的、保證產品質量的、高科技的檢測技術。無損檢測技術的基礎是物質的各種物理性質或它們的組合以及與物質相互作用的物理現象。迄 今為止，包括在工業領域已獲得實際應用的和已在實驗室階段獲得成功的無損檢測方法已達五、六 十種甚至更多，隨著工業生產與科學技術的發展，還將會出現更多的無損檢測方法與種類。本書僅 能就幾個主要方面作簡單扼要的介紹。除了對于工業上已經廣泛應用的五大常規無損

12、檢測技術（超 聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線照相檢測）給予一定的工藝介紹外，對其他方法 僅作概念性介紹。若需對其中某項方法作深入了解時，應查閱相應方法的專業技術介紹資料。2無損檢測技術2.1激光技術在無損檢測領域的應用與發展激光技術在無損檢測領域的應用始于七十年代初期，由于激光本身所具有的獨特性能，使其在無損檢測領域的應用不斷擴大，并逐漸形成了 激光全息、激光超聲等無損檢測新技術 ，這些技術由于其在現代無損檢測 方面具有獨特能力而無可爭議地成為無損檢測領域的新成員。1.激光全息無損檢測技術激光全息術是激光技術在無損檢測領域應用最早、用得最多的方法。激光全息無損檢測約占激光全息術總

13、應用的 25%。其檢測的基本原 理是通過對被測物體加外加載荷，利用有缺陷部位的形變量與其它部位 不同的特點，通過加載前后所形成的全息圖像的疊加來反映材料、結構內部是否存在缺陷。激光全息無損檢測技術的發展方向主要有以下幾方面。（1）將全息圖記錄在非線性記錄材料上，以實現干涉圖像的實時顯現。（2）利用計算機圖像處理技術獲取干涉條紋的實時定量數據。（3）采用新的干涉技術，如相移干涉技術。在原來的基礎上進一步提高全息技術的分辨率和準確性。2.激光超聲無損檢測技術激光超聲技術是七十年代中期發展起來的無損檢測新技術。它利用Q開關脈沖激光器發出的激光束照射被測物體，激發出超聲波，采用干涉儀顯示該超聲波的干涉

14、條紋。與其他超聲無損檢測方法相比，激光超聲檢測的主要優越性如下。（1）能實現一定距離之 外的非接觸檢測，不存在耦合與匹配問題。（2）利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時間分辨 率，可以在 寬帶范圍內提取信息，實現寬帶檢測。（3）易于聚焦，實現快速掃描和成像。3.激光無損 檢測的發展 激光超聲檢測成本高，安全性較差，目前仍處于發展階段。 但在無損 檢測領域，激光超聲 檢測在以下幾方面的應用前景引起了人們的關注:（1）可用于高溫條件下的檢測 .如熱鋼材的在線檢測；（2）適用于某些不宜接近 的樣品，如放射性樣 品的檢測；（3）激光束可入射到任何部位，可用于檢測形狀奇異的樣品；（4）可用于超薄超細

15、的樣品及 表面或亞表面層的檢測。國外近幾年已有將激光超聲檢測用于飛機復合材料的檢測、熱態鋼的在線檢測的報道，在化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體濺射等高溫鍍膜工藝過程中膜層厚度的實時檢測方面也進行了研究。2.2超聲檢測技術在無損檢測中的應用與發展超聲無損檢測技術（UT）是五大常規檢測技術之一，與其它常規無損 檢測技術相比，它具有被測對象范圍廣。檢測深度大；缺陷定位準確，檢測 靈敏度高；成本低,使用方便；速度快，對人體無害以及 便于現場使用等特 點。1.超聲檢測技術的應用 （1）目前大量應用于金屬材料和構件質量在線監控 和產品的在投檢 查。如鋼板、管道、焊鞋、堆焊層、復合層、壓力容器及高壓管道

16、、路軌和機車車輛零部件、棱元件及集成電路引線的檢測等。（2）各種新材料的檢測。如有機基復合材料、金屬基復合材料、結構陶瓷材料、陶瓷基復合材料等，超聲檢測技術已成為復合材料的支柱。（3）非金屬的檢測。如混凝土、巖石、樁基和路面等質量檢驗，包括 對其內部缺陷、內應力、強度的檢測應用也逐漸增多。（4）大型結構、壓力容器和復雜設備的檢測。由于超聲成像直觀易懂，檢測精度較高。因此，近幾年我國集超聲成像技術及超聲信號處理技術等多學科前沿成果于一體的超聲機器人檢測系統已研制成功，為復雜形狀 構件的自動掃描超聲成像檢測提供了有效手段。（5）核電工業的超聲檢測。（6）其它方面的超聲檢測。如醫學診斷廣泛應用超聲檢

17、測技術；目前人們正試圖將超聲檢測技術用于開辟其它新領域和行業，如人們正努力將超聲檢測技術用于血壓控制系統進行系統作非接觸檢測、辨識。性能分析和故障診斷等。2.超聲檢測技術的發展 在現代無損檢測技術中，超聲成像技術是一種令人矚目的新技術。超 聲圖像可以提供直觀和大量的信息，直接反映物體的聲學和力學性質，有著非常廣闊的發展前景。現代超聲成像技 術都是計算機技術、信號采集技術和圖象處理技術相結合的產物。數據采集技術、圖象重建技術、自動化和智能化技術以及超聲成像系統的性能價格比等發展直接影響超聲檢測圖像化的進程。現代超聲成像技術大多有自動化和智能化的特點，因而有許多優點，如檢測的一致性好，可靠性、復現

18、性高，存儲的檢測結果 可隨時調用，并可以對歷次檢測的結果自動比較，以對缺陷做動態檢測等。目前已經使用和正在開發的成像技術包括：超聲B掃描成像，超聲C掃描成像、超聲 D掃描成像，SAFT（合成孔徑聚焦）成像，P掃描成像，超聲 全息成像，超聲CT成像等技術。三、射線技術在無損檢測領域內的應用與發展2.3射線檢測技術的應用射線檢測技術是利用射線 （X射線、射線、中子射線等）穿過材料或 工件時的強度衰減，檢測其 內部結構不連續性的技術。穿過材料或工件的 射線由于強度不同在 X射線膠片上的感光程度也不同，由此生成內部不 連續的圖像。（1）早期使用在石油工業.分析鉆井巖芯。（2）在航空工業用于檢 驗與評價

19、復合材料和復合結構。評價某些復合件的制造過程。也用于一系列情況下樣件的評價；這種檢測與評價過程，大大簡化了取樣破壞分析過程。（3）檢測大型固體火箭發動機，這樣的射線系統使用電子直線加速器 X射線源，能量高迭25MeV，可檢驗直徑達3m的大型同體火箭發動機。（4） 檢驗小型、復雜、精密的鑄件和鍛件，進行缺陷檢驗和尺寸測量。（5）檢查工程陶瓷和粉末冶金產品制造過程發生的材料或成分變化，特別是對高強度、形狀復雜的產品。（6）組件結構檢查。2.射線檢測技術的發展數字射線照相技術時代。1990年，R.Halmshaw和N.A.Ridyard 在英國無損 檢測雜志上發表題為“數字射線照相方法評述”的文章

20、，在評述了各種數字射線照相方法的發展 之后認為，數字射線照相時代已經到來。近年來射線檢測技術發展的基本特點是數字圖象處理技術廣泛應用于射線檢測。射線層析檢測和實時成像檢測技術的重要基礎之一是數字圖象處理技術，即使常規膠片射線照相技術，也在采用數字圖象處理技術。（2）今后重點應用的技術。1994年Harold Berger在美國材料評價 發表的“射線無損檢測的趨勢”中提出，在20世紀的最后10年和21世紀的初期，下列技術將得到廣泛應用 數字X射線實時檢測系統在制造、在役檢驗和過程控制方面。具有數據交換、使用NDT工作站的計算 機化的射線檢測系統。小型、低成本的CT系統。微焦點放大成像的x射線成像

21、檢驗系統。小型高靈敏度的 X射線攝像機。大面積的光電導X射線攝像機2.4電磁渦流檢測新技術陣列渦流(Arrays Eddy Current, AED)傳感器測試技術的研究始于20世紀80年代中期，在20世紀80年代末到90年代初，出現了一批電渦流陣列測試方面的文獻和專利。近十年來，隨著傳感 器技術的發展以及加工工藝技術水平的提高，電渦流傳感器陣列測試的研究和應用得到極大的發展，不僅用來測量大面積金屬表面的位移，而且由于具有同時檢測多個方向缺陷的優點，被廣泛應用于 金屬焊縫的檢測，飛行器金屬部件的疲勞、老化和腐蝕檢測，渦輪機、蒸氣發生器、熱交換器以及 壓力容器管道等的無損檢測中。陣列式渦流檢測探

22、頭是將很多小探頭線圈按特定的結構類型密布在 敞開或封閉的平面或曲面上構成陣列。工作是采用電子學的方法按照設定的邏輯程序，對陣列單元 進行實時/分時切換。將各單元獲取的渦流響應信號接入專用儀器的信號處理系統中去，完成一個陣列的巡回檢測，陣列式渦流檢測探頭的一次檢測過程相當與傳統的單個渦流檢測探頭對部件受檢面 的反復往返步進掃描的檢測過程。對于高分辨率的大面積渦流檢測，陣列式渦流檢測探頭明顯比傳 統的掃描探頭更具優勢，陣列式渦流檢測探頭在檢測時，其渦流信號的響應時間極短，只需激勵信 號的幾個周期，而在高頻時主要由信號處理系統的響應時間決定。因此，陣列式渦流檢測探頭的單 元切換速度可以很快，這一點是

23、傳統探頭的手動或機械掃描系統所無法比擬的。此外，傳感器陣列 的結構形式靈活多樣， 可以非常方便地對復雜表面形狀的零件進行檢測，而且這種發射/接收線圈的布局模式成倍的提高了對材料的檢測滲透深度，因此，陣列式傳感器的研究成為當前傳感器技術研 究中的重要內容和發展方向。遠場渦流(remote field eddy current, RFEC)檢測技術是一種能穿透鐵磁性金屬管壁的低頻渦流檢測技術。它使用一個激勵線圈和一個設置在與激勵線圈相距約二倍管內徑處的較小的測量線圈 同時工作，激勵線圈通低頻交流電，測量線圈能有效地接收穿過管壁后返回管內的磁場從而有效的檢測金屬管子內壁缺陷與管壁厚薄，遠場渦流檢測除

24、了具有常規渦流檢測的特點外還獨具有透壁性，能檢測整個管壁上的缺陷而不受趨膚效應的影響。早在1951年，美國便申請了遠場渦流試驗的專利。50年代末，遠場渦流檢測技術首先被應用于油井套管的檢測。但當時由于人們對遠場渦流技術機理 的認識有限和電子技術設備的限制，遠場渦流技術并沒有得到應有的重視。直到80年代中期，隨著遠場渦流理論的逐漸完善和實驗論證，遠場渦流檢測技術用于管道(特別是鐵磁性管道)檢測的優越性才被人們廣泛認識。一些先進的遠場渦流檢測系統也開始出現。并在核反應堆壓力管、石油及天 然氣輸送管和城市煤氣管道的檢測中得到實際應用。最近的一些研究表明，遠場渦流現象不僅存在 于管材中，而且存在與導電

25、板材中，由于遠場渦流檢測不受趨膚效應的限制，采用遠場渦流對板材 檢測深度的限制將會大大的降低，因此，通過將遠場渦流推廣到對導電導磁板材的檢測，遠場渦流 檢測的應用范圍將會越來越廣。在信號處理方面，遠場渦流檢測技術與多頻檢測技術的結合使用， 能夠有效的將支撐板等干擾信號分離出來。但是，常規渦流檢測中對于缺陷的定位比較容易，而由 于遠場渦流檢測中不存在趨膚效應及深度方向的相位滯后，因此在缺陷的定位方面還不能象常規渦 流檢測那樣精確，有待進一步的研究。3我國無損檢測目前狀況近年來我國超聲無損檢測事業取得了巨大進步和發展。超聲無損檢測已經應用到了幾乎所有工業部門，其用途正日趨擴大。超聲無損檢測的相關理

26、論和方法及應用的基礎性研究正在逐步深入， 已經取得了許多具有國際先進水平的成果。許多不同用途的微機控制自動超聲檢測系統已經應用于 實際生產。我國在這方面開展的主要研究有：計算機化超聲設備；用戶友好界面操作系統軟件；超聲數字信號處理，包括人工智能、神經網絡、模式識別、相位補償等；高頻超聲無損檢測技術：各種掃描成象技術：多坐標、多通道的自動超聲檢查系統：超聲機器人檢測系統：復雜構件的自動掃描超 聲成象檢測（如5維以上多維探頭調節結構等輔助設備的開發研究）等。這其中許多成果已經達到國際先進水平，這些研究為我國超聲無損檢測技術的持續發展提供了保證。無損檢測的標準化和規范化，檢測儀器的數字化、智能化、圖

27、象化、小型化和系列化工作也都 取得了很大發展。我國已經制訂了一系列國標、部標及行業標準，而且引進了ISO, ATSM DIN、SS BS NF、JIS等一百多個國外標準。無損檢測人員的培訓也逐漸與國際接軌。但是，我國超聲無損檢測事業從整體水平而言，與發達國家之間存在很大差距。具體表現在以下幾個方面：檢測專業隊伍中高級技術人員和高級操作人員所占比例較小，極大阻礙了超聲無損檢測技術自動化、智能 化、圖象化的進展。由于經驗豐富的老一輩檢測工作者缺乏把實踐經驗轉化為理論總結，而年輕的 檢測人員雖擁有豐富的計算機等現代技術，卻缺乏切實的實踐經驗這有可能導致現有的超聲檢測軟件系統不同程度的缺陷，降低了檢測的可靠性。特別像專家系統軟件，以及有自動判傷。自動評定 缺陷級別功能的軟件編寫應該引起足夠的重視。組織一定的人力、才力對超聲無損檢測的現場經驗 進行收集和總結，不斷充實檢測理論和檢測規范，把無損檢測技術人員和計算機技術人員有機結合 起來，才能開發出實用的無損檢測軟件。另外，應該樹立對各類無損檢測軟件的正確觀念，任何軟 件都是依靠正確的檢測方法、檢測狀態和在一定的適用范圍限制下得到的結果。專業無損檢測人員相對較少，現有無損檢測設備利用率低。我國無損檢測技術經過 40年的發展， 雖然應用已經遍及近 30個系統