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1、第五节 无损检测技术一、无损检测技术概述所谓无损检测技术，是指在不破坏或不改变被检物体的前提下，利用物质因存在缺陷而使其某一物理性能发生变化的特点，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。它由无损检测和无损评价两个不可分割的部分组成。一个设备在制造过程中，可能产生各种各样的缺陷，如裂纹、疏松、气泡、夹渣、未焊透和脱粘等；在运行过程中，由于应力、疲劳、腐蚀等因素的影响，各类缺陷又会不断产生和扩展。现代无损检测与评价技术，不但要检测出缺陷的存在，而且要对其作出定性、定量评定，其中包括对缺陷的定量测量（形状、大小、位置、取向、内含物等），进而对有缺陷的设备分析其缺陷的危害程度，以便在保障安全运行的
2、条件下，作出带伤设备可否继续服役的选择，避免由于设备不必要的检修和更换所造成的浪费。现代工业和科学技术的飞速发展，为无损检测技术的发展提供了更加完善的理论和新的物质基础，使其在机械、冶金、航空航天、原子能、国防、交通、电力、石油化工等多种工业领域中得到了广泛的应用。它被广泛应用于制造厂家的产品质量管理、用户订货的验收检查以及设备使用与维护过程中的安全检查等方面，例如锅炉、压力容器、管道、飞机、宇航器、船舶、铁轨和车轴、发动机、汽车、电站设备等等方面，特别是在高温、高压、高速、高负载条件下运行的设备。无损检测技术包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等常规技术以及声发射检测、激光全
3、息检测、微波检测等新技术。常见的分类形式如表 2-17 所示。实践证明，开展无损检测技术，对于改进产品的设计制造工艺、降低制造成本以及提高设备的运行可靠性等具有重要的意义，已成为机械故障诊断学的一个重要组成部分。表2-17 无损检测的分类类别主要方法射线检测X射线，射线，高能X射线，中子射线，质子和电子用线声和超声检测声振动，声撞击，超声脉冲反射，超声透射，超声共振，超声成像，超声频谱，声发射，电磁超声电学和电磁检测电阻法，电位法，涡流，录磁与漏磁，磁粉法，核磁共振，微波法，巴克豪森效应和外激电子发射力学与光学检测目视法和内窥法，荧光法，着色法、脆性涂层，光弹性覆膜法，激光全息摄影干涉法，泄漏
4、检定，应力测试热力学方法热电动势，液晶法，红外线热图化学分析方法电解检测法，激光检测法，离子散射，俄歇电子分析和穆斯鲍尔谱其中，在工程技术中得到比较广泛的应用，并较成熟的检测方法有：x射线，超声，涡流、磁粉、渗透等常规的几种测试方法。二、超声波检测超声波检测是无损检测的主要方法之一。利用声响从物体外界不损坏地检测其内部情况的方法早就问世了。超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后若遇到缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延与衰减情
5、况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质等方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、设备简便和对人体无害等一系列优点，既适合在制造厂生产线上成批检查，也可以用于野外作业。（一）超声波基础 1超声波及其特性 所谓超声波，是一种质点振动频率高于20kHz的机械波，因其频率超过人耳所能听见的声频段而得名超声波。无损检测用的超声波频率范围为0.525MHz，其中最常用的频段为 15MHz。超声波是一种机械波，它是由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程。产生机械波有两个主要条件：一是作机械振动的波源，二是能传播机械振动
6、的弹性介质。 超声波之所以被广泛地应用于无损检测，是基于超声波的如下特性（1） 指向性好超声波是一种频率很高、波长很短的机械波，在无损检测中使用的超声波波长为毫米数量级。它像光波一样具有很好的指向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找所需物品一样在被检材料中发现缺陷。（2） 穿透能力强超声波的能量较高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿透能力强，在有些金属材料中，其穿透能力可达数米。 2超声波的分类 与其他机械波一样，超声波也可有多种方法来对其进行分类描述。按质点振动方向分根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为纵波、横波、表面波
7、和板波等。（1）纵波 纵波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向平行的波，用L表示。当弹性介质的质点受到交变的拉压应力作用时，质点之间产生相互的伸缩变形，从而形成纵波，又称压缩波或疏密波。纵波可在任何弹性介质（固体、液体和气体）中传播。由于纵波的产生和接收都比较容易，因而在工业探伤中得到广泛的应用。（2）横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，常用S或T表示。当介质质点受到交变的剪切应力作用时产生切变变形，从而形成横波，故横波又称剪切波。横波只能在固体介质中传播。（3）表面波 当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用 R表示。表面波是瑞利（R
8、ayleigh）于 1887年首先提出来的，因此又称瑞利波。 表面波同横波一样也只能在固体介质中传播，而且只能在固体表面传播。表面波的能量随距表面深度的增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，其振幅降至最大振幅的0.37倍。因此，通常认为，表面波检测只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。（4）板波 在厚度与波长相当的弹性薄板中传播的超声波称为板波。板波亦称兰姆波。其特点是整个板都参与传声，适用于对薄的金属板进行探伤。 （二）超声波检测设备 超声波检测设备是从事超声检测的工具，通常指超声波检测仪和超声波探头。此外，由于目前的超声检测方法多以直接耦合方式将探头与工件接触，故在此也对耦合剂作简要
9、介绍。 1超声波探头 超声波检测中，超声波的产生和接收过程是一个能量转换过程。这种转换是通过探头实现的，探头的功能就是将电能转换为超声能（发射探头）和将超声能转换为电能（接收探头）。探头通常又称为超声波换能器，是超声波检测设备的重要组成部分，其性能的好坏对超声波检测的成功与否起关键性作用。超声波检测用的探头多为压电型，其作用原理为压电晶体在高频电振荡的激励下产生高频机械振动，并发射超声波（发射探头）；或在超声波的作用下产生机械变形，并因此产生电荷（接收探头）。（1）探头的类型 超声波检测中，由于被检测工件的形状和材质、检测的目的和条件不同而使用不同形式的探头。按照在被检测工件中产生的波型不同，
10、可将超声波探头分为纵波探头、横波探头、板波（兰姆波）探头和表面波探头等四种类型。按入射声束方向分可分为直探头和斜探头两大类。按耦合方式分可分为直接接触式探头（探头通过薄层耦合剂与被探工件表面直接接触）和液浸式探头（探头与被探工件表面之间有一定厚度的液层）。按晶片数目分可分为单晶片探头、双晶片探头和多晶片探头等几种。按声束形状分可分为聚焦探头和非聚焦探头两大类。按频带分可分为宽频带探头和窄频带探头。按使用环境分可分为常规探头（通用目的）和特殊用途探头（如机械扫描切换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、瓷瓶检测专用扁平探头等）。（2）探头的结构 超声波检测中常用的探头主要有直探头、斜探头、表面波探头
11、、双晶片探头、水浸探头和聚焦探头等。直探头又称平探头，应用最普遍，可以同时发射和接收纵波，多用于手工操作接触法检测，既适宜于单探头反射法，又适宜于双探头穿透法。它主要由压电晶片、阻尼块、壳体、接头和保护膜等基本元件组成。其典型结构如图2- 所示。斜探头利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射入工件。压电晶片产生的纵波，在斜楔和工作界面发生波型转换。依入射角的不同，斜探头可在工件中产生纵波、横波和表面波，也可在薄板中产生板波。斜探头主要由压电晶片、透声楔块、吸声材料、阻尼块、外壳和电气接插件等几部分组成，其典型结构如图2-32 所示。a） b）图2-32 常见超声波探头的典型结构a）纵波直探头：l-接
12、头，2-壳体，3-阻尼块，4-压电晶片，5-保护膜，6-接地环b）横波斜探头：1-阻尼块，2-接头，3-吸声材料，4-壳体，5-透声楔块，6-压电晶片2超声波检测仪 超声波检测仪是超声检测的主体设备，其性能的好坏直接影响到检测结果的可靠性。超声波检测仪的作用是产生电振荡并加于探头，使之发射超声波，同时，还将探头接收的电信号进行滤波、检波和放大等，并以一定的方式将检测结果显示出来，人们以此获得被检工件内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息。（1）超声波检测仪的类型 按超声波的连续性，可将超声波检测仪分为脉冲波检测仪、连续波检测仪、调频波检测仪等。脉冲波检测仪通过向工件周期性地发射不连
13、续且频率固定的超声波，根据超声波的传播时间及幅度来判断工件中缺陷的有无、位置、大小及性质等信息，这是目前使用最为广泛的一类超声波检测仪。 按缺陷显示的方式分按其显示缺陷的方式不同，可将超声波检测仪分为A型、B型和C型等三种类型。 1）A型显示检测仪 A型显示是一种波形显示，检测仪示波屏的横坐标代表声波的传播时间域距离），纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位置，而由反射波的波高则可估计缺陷的性质和大小。 2）B型显示检测仪 B型显示是一种图像显示，检测仪示波屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间（或距离），因而可直观地显示出被探工件任
14、一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 3）C型显示检测仪 C型显示也是一种图像显示，检测仪示波屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工件表面移动时，示波屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像（顶视图），但不能显示缺陷的深度。三种显示方式的图解说明如图2-33 所示。图2- 超声波检测仪的三种显示方式 根据通道数的多少不同，可将超声波检测仪分为单通道型和多通道型两大类，其中前者应用最为广泛，而后者则主要应用于自动化检测。 目前广泛使用的是A型显示脉冲反射式超声波检测仪。 （2）A型显示脉冲反射式超声波检测仪 A型显示脉冲反射式检测仪主要
15、由同步电路、时基电路（扫描电路）、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路等几部分组成。此外，实用中的超声波检测仪还有延迟、标距、闸门和深度补偿等辅助电路。 其主要性能指标包括 水平线性 也称时基线性或扫描线性，是表征检测仪水平扫描线扫描速度的均匀程度，亦即扫描线上显示的反射波距离与反射体距离成正比的程度的性能指标。水平线性的好坏影响对缺陷的定位。 垂直线性 也称放大线性，它是描述检测仪示波屏上反射波高度与接收信号电压成正比关系的程度。垂直线性影响对缺陷的定量分析。 动态范围 是检测仪示波屏上反射波高度从满幅降至消失时仪器衰减器的变化范围。动态范围大，对小缺陷的检出能力强。 灵敏度 在规定深度内能检出的最小缺陷。 盲区 由探头到能够检测出缺陷位置的最小距离。 探测深度 在示波屏上能获得一次底面反射时的超声波的最大距离。 分辨力 能够区分两个缺陷的最小距离。与其他超声波检测仪相比，脉冲反射式超声波检测仪具有如下的突出特点在被检工件的一个面上，用单探头脉冲反射法即可检测，这对于诸如容器、管道等一些很难在双面放置探头进行检测的场合，更显示出明显的优越性；可以准确地确定缺陷的深度；灵敏度远高于其他方法；
