舰船制造维修中的无损检测新技术

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1、舰 船 制 造 维 修 中 的 无 损 检 测 新 技 术随 着 船 舶 制 造 行 业 的 发 展 ， 人 们 对 船 舶 生 产 工 艺 水 平 要 求 越 来 越 高 ， 对 无 损 检 测 器 材 的 需 求 量 也越 来 越 多 ， 超 声 波 测 厚 仪 ， 超 声 波 探 伤 仪 ， 磁 粉 探 伤 机 ， X 射 线 探 伤 机 等 检 测 器 材 倍 受 欢 迎 。1 引 言 随 着 舰 船 构 造 复 杂 化 、 模 块 化 、 信 息 化 、 智 能 化 程 度 的 提 高 ， 对 舰 船 维 修 的 手 段 和 技 术 提 出 了更 高 的 要 求 。 作 为 舰 船

2、维 修 手 段 和 技 术 之 一 的 无 损 检 测 方 法 正 发 挥 着 越 来 越 重 要 的 作 用 ， 这 在 很大 程 度 上 取 决 于 以 下 几 个 方 面 ： 人 们 对 舰 船 构 造 质 量 意 识 、 安 全 意 识 的 提 高 ;对 舰 船 现 役 设备 健 康 状 况 的 了 解 和 对 其 寿 命 预 测 的 需 要 ;计 算 机 技 术 的 发 展 推 动 传 统 无 损 检 测 技 术 发 展 ;现 代 信 息 处 理 技 术 为 无 损 检 测 技 术 注 入 新 的 活 力 ;传 统 的 无 损 检 测 技 术 不 能 满 足 舰 船 特 殊 构 件检

3、 测 的 需 要 ， 等 等 。 目 前 ， 在 舰 船 维 修 中 ， 检 测 方 法 有 ： (1)人 工 目 视 、 耳 听 、 鼻 闻 、 手 摸 等 。 这 种 方 法 简 单 、 直 观 ， 但 对 于 人 的 感 官 难 于 触 及 的 构 件检 测 ， 传 统 的 方 法 是 无 能 为 力 的 。 如 舰 船 管 道 外 面 有 包 覆 层 、 绝 热 层 ， 传 统 的 方 法 检 测 前 必 须 拆开 包 覆 层 、 绝 热 层 ， 必 须 对 管 道 表 面 进 行 清 洁 处 理 ， 并 且 舱 室 内 管 道 繁 多 ， 许 多 情 况 下 舱 室 内 的恶 劣 条

4、 件 无 法 对 管 道 实 施 检 测 。 (2)表 面 检 验 。 用 以 显 示 或 验 证 表 面 或 表 层 缺 陷 的 存 在 ， 可 供 采 用 的 方 法 有 磁 粉 法 、 液 体 渗 透法 、 涡 流 法 等 ， 这 些 方 法 的 主 要 缺 陷 是 必 须 对 构 件 表 面 进 行 预 先 的 清 洁 处 理 ， 耗 时 长 ， 检 测 效 率低 ， 另 外 ， 对 不 规 则 的 构 件 表 面 检 测 比 较 困 难 。 (3)体 积 检 验 。 用 以 查 明 表 面 下 缺 陷 以 及 缺 陷 深 度 、 大 小 等 ， 通 常 包 括 超 声 波 、 射 线

5、 照 相 检 验等 技 术 ， 超 声 波 检 测 属 于 点 接 触 式 检 测 ， 需 要 耦 合 剂 ， 容 易 漏 检 ， 对 人 的 操 作 技 术 水 平 要 求 高 ，效 率 也 较 低 ;射 线 检 测 主 要 是 对 人 的 身 体 有 害 ， 必 须 有 很 严 格 的 保 护 措 施 。 综 上 所 述 ， 根 据 舰 艇 维 修 的 特 点 及 检 测 方 法 现 状 ， 有 必 要 对 无 损 检 测 新 方 法 进 行 研 究 。 无 损 检测 新 技 术 应 该 具 备 以 下 功 能 或 特 点 ： 可 以 克 服 常 规 无 损 检 测 方 法 的 局 限 性

6、 ， 实 现 非 接 触 、 大 范 围或 长 距 离 的 快 速 检 测 ;可 以 克 服 舰 船 构 件 有 油 污 ， 或 弯 曲 ， 或 有 包 覆 层 等 限 制 性 条 件 ;可 以对 难 于 接 触 或 到 达 的 构 件 进 行 检 测 ;可 以 在 不 拆 掉 舰 船 构 件 包 覆 层 的 情 况 下 ， 对 舰 船 构 件 各 种缺 陷 进 行 准 确 判 断 和 精 确 定 位 ， 缩 小 维 修 范 围 ， 避 免 不 必 要 的 拆 卸 和 更 换 ， 降 低 人 工 检 测 强 度 ，节 省 人 力 和 物 力 。 2 无 损 检 测 新 技 术 无 损 检 测

7、新 技 术 与 常 规 老 技 术 是 相 对 而 言 的 ， 传 统 的 常 规 的 检 测 技 术 若 能 够 赋 予 新 的 内 容 就 可称 为 新 的 。 超 声 、 射 线 、 涡 流 等 是 传 统 的 检 测 方 法 ， 但 随 着 物 理 、 机 械 、 电 子 、 材 料 学 科 和 计 算机 技 术 、 传 感 器 /换 能 器 技 术 、 信 号 处 理 技 术 、 缺 陷 识 别 技 术 的 发 展 与 融 入 ， 正 在 不 断 得 到 新 的发 展 和 应 用 1。 目 前 ， 无 损 检 测 新 技 术 主 要 有 ： 静 电 传 感 器 技 术 、 空 气 耦

8、 合 传 感 器 方 法 、 电 磁声 传 感 器 方 法 、 激 光 超 声 方 法 、 光 全 息 摄 影 或 干 涉 技 术 、 磁 致 伸 缩 传 感 器 方 法 、 混 合 超 声 技 术 等 ，本 文 主 要 简 述 几 种 较 流 行 的 无 损 检 测 新 技 术 2。 2.1 空 气 耦 合 超 声 波 浸 润 检 测 是 一 种 研 究 许 多 材 料 性 能 的 比 较 流 行 的 技 术 。 然 而 ， 使 用 水 作 为 耦 合 介 质 在 某些 场 合 又 不 太 适 用 。 如 被 检 测 材 料 吸 收 水 ， 或 者 被 污 染 的 地 方 或 者 浸 水 反

9、 而 会 有 损 材 料 。 于 是 ，使 用 空 气 作 为 耦 合 介 质 引 起 了 人 们 的 极 大 的 兴 趣 。 然 而 ， 超 声 波 在 空 气 中 衰 减 比 在 水 中 大 得 多 ，尤 其 对 于 频 率 高 于 1MHz 或 更 高 时 。 因 此 ， 人 们 把 注 意 力 集 中 在 设 法 改 进 传 感 器 的 设 计 以 提 高 其灵 敏 度 和 带 宽 。 目 前 ， 最 常 用 的 空 气 耦 合 传 感 器 是 基 于 压 电 或 静 电 设 计 。 压 电 空 气 耦 合 传 感 器 使 用 通 常 的 压 电陶 瓷 元 件 ， 其 主 要 问 题

10、是 声 阻 抗 不 匹 配 ， 导 致 发 射 和 接 收 的 效 率 很 低 ， 为 了 减 少 能 量 损 失 ， 通 常使 用 匹 配 层 材 料 ， 然 而 理 想 的 声 阻 抗 匹 配 材 料 很 难 找 到 。 另 一 种 方 法 是 通 过 改 变 传 感 器 所 用 的 压电 材 料 自 身 的 机 械 和 电 气 性 能 以 提 高 发 射 和 接 收 的 效 率 。 而 由 电 容 (或 静 电 )设 计 的 空 气 耦 合传 感 器 比 压 电 型 传 感 器 的 频 率 带 宽 要 宽 ， 能 量 相 对 比 较 容 易 耦 合 到 被 测 物 体 中 ， 在 电 容

11、 传 感 器 里面 通 常 安 装 有 固 体 支 撑 板 ， 并 用 聚 合 物 薄 膜 拉 伸 ， 此 结 构 很 好 地 改 变 了 声 阻 抗 不 匹 配 的 问 题 。 空 气 耦 合 超 声 波 传 感 器 主 要 优 点 是 使 用 空 气 耦 合 介 质 可 以 避 免 弄 脏 被 检 测 物 体 ， 不 需 液 体 耦 合剂 可 以 实 现 快 速 扫 描 。 其 主 要 局 限 性 在 于 灵 敏 度 较 低 。 人 们 正 不 断 地 寻 找 合 适 的 低 阻 抗 、 低 衰 减的 匹 配 材 料 ， 辅 以 适 当 的 匹 配 电 路 ， 频 率 可 达 兆 赫 兹

12、， 换 能 器 的 性 能 将 极 大 提 高 。 因 此 ， 这 必 将推 动 超 声 波 技 术 在 机 器 人 控 制 、 材 料 无 损 评 价 以 及 其 它 方 面 的 应 用 和 发 展 。 2.2 电 磁 声 电 磁 声 方 法 是 基 于 涡 流 和 磁 场 的 交 互 作 用 ， 利 用 电 磁 声 探 头 产 生 和 接 收 超 声 导 波 。 它 是 将 高 频电 流 通 入 靠 近 被 检 金 属 表 面 的 发 射 线 圈 中 ， 在 金 属 表 面 的 趋 肤 层 内 感 应 出 相 同 频 率 的 涡 流 ， 若 同时 在 金 属 表 面 施 加 一 个 磁 场

13、 ， 金 属 中 的 涡 流 在 磁 场 的 作 用 下 就 会 产 生 一 个 与 涡 流 频 率 相 同 的 力 ，即 洛 仑 兹 力 。 洛 仑 兹 力 带 动 金 属 材 料 晶 格 的 振 动 ， 并 在 工 件 内 传 播 就 形 成 了 声 波 。 由 于 电 磁 超 声方 法 不 使 用 耦 合 介 质 ， 所 以 它 可 用 于 高 温 、 高 速 、 表 面 粗 糙 工 件 的 检 测 。 另 外 ， 电 磁 超 声 的 频 率由 发 射 线 圈 中 的 交 流 电 频 率 决 定 ， 所 以 它 很 容 易 调 整 检 测 频 率 ， 以 适 应 不 同 的 检 测 对

14、象 和 检 测 要求 。 而 压 电 超 声 的 检 测 频 率 由 压 电 晶 片 的 固 有 频 率 决 定 ， 在 不 更 换 探 头 的 情 况 下 ， 无 法 变 更 频 率 ，这 一 点 无 法 与 电 磁 超 声 相 比 。 电 磁 声 传 感 器 一 般 分 为 两 种 ： 洛 仑 兹 力 式 和 磁 致 伸 缩 式 。 根 据 被 检 测 对 象 材 料 特 性 不 同 ，我 们 可 以 选 取 不 同 型 式 的 传 感 器 。 对 于 非 磁 性 导 电 材 料 的 检 测 ， 一 般 选 用 洛 仑 兹 力 式 电 磁 声 传 感器 ， 因 为 在 此 材 料 中 声

15、波 的 产 生 是 洛 仑 兹 力 作 用 在 材 料 晶 格 上 的 结 果 。 对 于 磁 性 导 电 材 料 的 检 测 ，根 据 检 测 的 实 际 情 况 ， 洛 仑 兹 力 式 和 磁 致 伸 缩 式 电 磁 声 传 感 器 可 能 都 要 利 用 。 因 为 在 磁 场 的 作 用下 ， 存 在 磁 致 伸 缩 力 ， 再 加 上 洛 仑 兹 力 同 时 影 响 离 子 的 运 动 。 在 磁 性 材 料 中 ， 电 磁 场 能 改 变 材 料的 磁 致 伸 缩 系 数 ， 从 而 产 生 周 期 变 化 的 磁 致 伸 缩 应 力 迭 加 在 洛 仑 兹 力 产 生 的 应 力

16、 上 。 在 应 用 高 的磁 场 强 度 使 材 料 达 到 磁 饱 和 以 后 ， 洛 仑 兹 力 成 为 产 生 声 波 的 唯 一 原 因 。 磁 致 伸 缩 力 在 磁 场 比 较 小的 时 候 占 主 导 地 位 ， 要 比 相 同 磁 场 作 用 下 洛 仑 兹 力 机 理 产 生 的 声 波 幅 值 强 得 多 。 因 此 ， 在 磁 场 比较 小 的 时 候 ， 用 磁 致 伸 缩 式 电 磁 声 传 感 器 检 测 灵 敏 度 比 较 高 ， 在 磁 场 强 度 很 大 以 致 使 材 料 达 到 磁饱 和 的 时 候 ， 用 洛 仑 兹 力 式 电 磁 声 传 感 器 检 测 灵 敏 度 比 较 高 。 使 用 电 磁 超 声 检 测 的 材 料 必 须 具 有 导 电 性 或 铁 磁 性 ， 或 导 电 性 和 铁 磁 性 都 具 有 ， 这 是 其 应 用 的局 限 性 之 一 ;另 外 ， EMAT 的 工 作 距 离 比 较 有 限 ， 通 常 只 有 几 个 毫 米 。 EMAT 相 对 压