超声检测新技术及其进展

图２典型复合材料冲击损伤导波Ｃ一扫描结果
（３）相控阵检测技术 超声相控阵技术最早应用于医用Ｂ超，而超声相控阵技术的基本思路源于雷达电磁波相控阵技术的启
发，随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵检测技术近年又有了明显进展，特别是相控阵中的 换能器技术，随着复合材料压电晶片材料的推出和成熟，目前可以比较轻松地实现不同阵列换能器的设计制
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第十届无损检测学会年会论文集
图５典型焊缝超声可视化成像检测结果
后利用这四种声波信号到达的时间和路径，从解调出缺陷在焊缝厚度方向的取向长度。但在实际检测应用
中，往往由于各种因素的影响，不太容易同时出现这种理想的情况。不过，超声ＴＯＦＤ是传统超声反射／穿 透法焊缝超声检测的一种有益的补充，目前在压力容器、管道等规则的熔化焊焊缝检测方面有了实际的检测 应用。
阵在焊缝检测方面的实验结果，如图３所示，所用频率为４ＭＨｚ，１６个阵元的换能器，焊缝为Ｘ一形焊缝，焊 缝厚度１９．５ｍｍ，换能器前沿距焊缝中心３０ｒａｍ，从图中可以看出焊缝区的疏松和未融合，但图像的整体清 晰地不尽理想。在实际应用中，超声相控阵还面临一个调焦参数设置复杂和合成声束路径的尚不能实时可 视化等，影响了超声相控阵的实际检测应用。 （４）超声可视化成像检测技术 利用来自被检测材料或结构中的声波信息和扫描位置信息的融合，通过成像的方式再现被检测材料或 结构中的均匀性、连续性、缺陷或者弹性性能与微结构等，从而实现材料或结构的可视化成像检测。由于超 声在材料中的传播与材料的均匀性、微结构及缺陷的存在有密切的关系，当声波通过耦合介质（如液体或空 气）入射到材料表面时，随着入射声束角度的不同，可以得到不同模式的声波，可以根据被检测对象的不同， 选择合理的声波模式和检测方法，通过测量分析不同模式声波在材料中的传播特性及其变化，利用检测信息 与扫描位置信息重构，可以实现不同检测对象的超声可视化成像检测，超声Ｂ一、Ｃ一、Ｔ一扫描以及三维投 影成像等已成为超声可视化重要成像方式。目前超声可视化成像方法主要包括基于声波直接反射／折射、透 射和散射／衍射三大类，由于通过先进的超声可视化成像检测技术可以准确地获取材料及其结构内部缺陷大 小、位置以及三维分布特征，因而，超声可视化成像检测技术被受业内青睐，已经航空航天、冶金、压力容器等 许多领域工业领域得到非常重要的应用，目前已成为在复合材料、焊接等无损检测主要检测技术。图４是中 航复合材料有限责任公司（原北京航空制造工程研究所）利用所研究的高分辨率超声可视化成像检测技术， 对复合材料层压结构冲击损伤的超声ｃ一扫描可视化成像检测得到的结果，复合材料层压结构厚度８ｍｍ， 采用中航复合材料有限责任公司自主研发的ＣＵＳ一２ｌ成像自动扫描成像检测设备，图中非常清晰直观形象 地再现了复合材料中的冲击损伤的分布及其大小。图５是中航复合材料有限责任公司针对焊缝研究建立的 超声可视化成像检测方法与ＭＵＩ一２０Ｍ检测设备，对一实际管焊缝的进行超声可视化成像检测得到的典型 的结果，试样为①２７３ｍｍ的管焊缝，焊缝厚度为２５ｍｍ，缺陷为坡口未熔合，只需要一次扫描即可实现焊缝 的超声三视投影可视化成像检测，从图中可以十分清晰不同方式的超声投影成像可以十分清晰地看出坡口 未熔合在焊缝中的分布，如图５中白色箭头所指示的红色区域，而且还可以看出是利用一次声程（Ｉ）还是二
１前言
超声检测主要基予入射声波在材料内部形成的各种声学特征的变化与声学行为规律，通过采粥有效的
信号接收一处理一识别一显示技术，再现所测量得到的超声检测信号与影响材料内部均匀性和连续性（如缺 陷酶存在）之闻麴关联性，麸瑟实现材料及结梅的超声无损检测。由予通常憩够准确缝糕嚣入射声波在材料
内部形成的检测信号与反射体（如缺陷）位置之问在时域上的数理关系，且可以做到非接触、自动化、无污染，
接来源于应用需求，某个超声检测新技术往往是针对传统超声检测在解决某些检测对象时存在的
欠缺研究提出来的，实际捡测应用中，还是要针对具体的检测对象和检测要求、检测环境等合理选
用超声检测方法和检测技术。目前超声检测新技术已经在许多新材料新工艺新结构的无损检测中
发挥了十分重要的作用。 关键词：超声检测；无损检测；新技术
声检测方面有较好的实际应用。
（６）空气耦合检测技术口２ｑ引，是未来解决怒声外场和一些特殊场合，或者不宣秘不易接遥静应用场合超
声检测的一个发展方向。
２进震与问题
（１）爿Ｅ线性超声检测技术
基金项目：项目得到国家自然基金（６０７２７００１和６０５７２０９９）的资助。 作者简介：刘松平，理学博士，研究员，障士生导师，中航工渡特级专家，基础院荫席专家，《无损检测》副主编，长鬏扶攀复合材料秘烽接无 损检溅与评佰技术酶研究，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｓｐｉｎｇ＠ｐｕｂｌｉｃｂ．ｂｔａ．ｎｅｔ．ｃｎ。
（３）相控阵检测技术秘＿３｜，为菜些形状规则的检测对象提供了一个可视讫成像穰检测效率提升的技术
途径。 （４）超声可视纯戎像检测技术ｕ卜”】，是晷前稻今翳无损裣溅技术领域的一个重要发震方向，特剃是那些 能够实现工业级应用的高效超声可视化检测技术，应用前景非常可观。
（５）超声ＴＯＦＤ检测技术［１８ｑ¨，是传统焊缝超声反射黎捞射检测方法的一种季｝充，在一些熔瀑焊缝超
用。超声相控阵技术主要是通过控制阵列换能器各阵元的发射／接收，形成合成声束的聚焦、扫描等效果，从 而进行超声成像，同时简化超声扫描结构及其控制系统，因而，在一些结合形状规则、能够容易实现面耦合的
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第十届无损检测学会年会论文集 被检测对象的检测方面有较好的适用性。例如，Ｍｉｃｈａｅｌ ＢＥＲＫＥ和Ｐｅｔｅｒ ＲＥＮＺＥＬ曾报道过利用超声相控
图６焊缝超声ＴＯＦＤ检测原理
近年中航复合材料有限责任公司（原北京航空制造工程研究所）在超声ＴＯＦＤ检测方法研究基础上，提 出了一种基于纵波入射的在焊缝周围形成的衍射／散射声波的检测方法，这里暂且称之为超声ＬＴＯＦＤ
（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ
Ｗａｖｅ Ｔｉｍｅ
ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ
Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）检测方法，可以显著提高焊缝缺陷检测灵敏度，图７是采用
第十届无损检测学会年会论文集
超声检测新技术及其进展
刘松平。刘菲菲，白金鹏，李乐刚。史俊伟，傅天航
（中航盖亚复合榜耨技零中心／中航复合瓣辫有限责佞公司
原北京航空制遗工程研究所，北京 摘
１０００２４）
要：超声是霹雷麓于糖辫及结构免簇检测的一静ｌ＃常重要的捡测方法，逐年来起声检测技
术有了非常明显而快速的发展。结合近年来在超声检测技术领域的一戡典型进展，回顾了超声检 测薪技术及英发展，并结合典型秘应震实铡进行了分辑。分辑表嚷，超声梭溅新技术的遗展动力蛊
近年超声导波检测技术非常活跃，导波检测多数情况下是利用入射声波在被检测结构中受限作用引诱 产生（激发）沿被检测结构／材料某个方向传播的声波，从而实现对某些采用常规超声入射难以实现的场合或 对象进行超声检测。例如，当超声传播介质被局限在板状、棒状或管状的边界内，边界对超声波产生反复不 断的反射时就会形成超声导波传播模式，利用这种超声导波即可以实现板、棒或管状材料结构的缺陷检测。 频散性和多模式是导波检测最值得关注的特性，所谓频散性是指频率不同，波速不同，多模式则是指同一频 率，不同模式导波，其声速也不同。传统导波激励方法是利用压电换能器，通过设计合理的声柬入射角，在被 检测材料结构中激发导波。近年来利用空气耦合方法产生导波的方法也开始得到研究性验证，一般工作频
备，这位超声相控阵技术走向工业无损检测应用打下了非常重要的基础。目前单个相控阵换能器可以做到 ７６８晶片阵列。国内超声相控阵仪器和换能器制备条件也具有较高水平，比十几年前的换能器制备水平和
硬件条件有了质的提高，目前基本可以做到面向检测应用对象进行相控阵换能器的设计。目前，超声相控阵
检测技术已经开始在锅炉压力容器、海洋工程、石油化工工程等领域一些管道及其焊缝无损检测方面得到应
检测系统。由于单个ＴＬＰ扩散焊连接界面的结合尺寸在垂１ｍｍ以下，又属微细紧贴的固相连接界面，因 此，用常规超声检测方法很难实现这类焊接界面缺陷的检测。而利用线性超声检测技术则较好的实现这种
ＴＬＰ扩散焊结构的无损检测，图中红色箭头所指示区域和“Ｂ”所标示的椭圆虚线所在的区域即为焊接不良
区，而“Ｇ”所标示的椭圆虚线区域为焊接好区，显然，焊好区和焊接不良区存在明显不同的灰度分布。 （２）超声导波检测技术
率在几百赫兹，例如，Ｓ．Ｈｉｒｓｅｋｏｒｎ，Ａ．Ｋｏｋａ等针对ＣＦＲＰ复合材料试样中的冲击损伤，在实验室开展了
空气耦合导波检测方法研究，图２是一典型冲击损伤的导波ｃ一扫描检测结果，试样厚度５ｍｍ，冲击能量
５Ｊ，检测频率３００ｋＨｚ，从图中可以清晰的看出冲击损伤的分布。不过，针对航空复合材料工程结构，利用导 波进行检测，目前尚存不少的技术障碍需要突破，例如，复合材料的变厚、缺陷类型复杂、检测盲区和分辨率
要求高、材料的各向异性和强烈的声波衰减特Fra Baidu bibliotek，都为导波用于复合材料的检测检测带来巨大的制约。目前
比较有应用前景的方向是各种管道的导波无损检测，近年来这方面的进展也比较明显，特别基于电磁耦合激 励的导波检测技术，为在役管道的检测提供一种可行的快速检测技术途径。
导飘
８０ Ｏ（１
图１
典型ＴＬＰ扩散焊非线性超声检测结果
超声ＬＴＯＦＤ对一铝合金搅拌摩擦焊缝进行检测时，在焊缝区发现的一实际焊接工艺缺陷，试样厚度为
７ｍｍ，采用超声ＴＯＦＤ和Ｘ一射线检测方法，均未检出此缺陷，这主要因为搅拌摩擦焊焊缝区缺陷具有紧 贴、取向复杂的特点，需要有足够的检测灵敏度和分辨率才能检出这种缺陷，而ＬＴＯＦＤ正好利用入射声波
在这种缺陷产生的强烈衍射／散射声波进行缺陷检测，因而，ＬＴＯＦＤ对搅拌摩擦焊具有很好的检测效果。
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第十届无损检测学会年会论文集 近１０年来非线性超声检测技术有了可喜的实际应用性进展，它是利用比较低的频率获取高的检测灵敏 度和分辨率的一种廉价方法，在解决一些特殊材料结构中微细紧贴缺陷无损检测方面已显现出明显优势。
图１是中航复合材料有限责任公司（原北京航空制造工程研究所）研究采用的非线性超声ＴＬＰ扩散焊无损 检测方面典型的非线性超声扫描成像检测结果，采用该单位自主研发的ＭＵＩ一２０大型超声自动扫描成像
阂此，基于超声原理的各静检测方法弱捻测技术是目麓在工业应雳领域能够最大化实褒缺黧定量和巍动诧
环保型的无损检测方法。因而在工业检测应用领域，得到广泛的应用，也是国际上检测领域非常活跃的技术 热点方向。特别是隧着各种新材料、薪工艺、薪维掏、薪应震、新需求的不断被接出，绘超声检测带来了十分 臣大的发展动力和技术挑战。近年来超声检测技术发展异常活跃，突出地体现在了以下几个方面： （１）非线性超声检测技术Ｃ１－４３，为解决微细紧贴缺陷或者闭合型裂纹的缺陷提供了一个可行的技术途径 和解决方案。 （２）导波检测技术［５川］，是在役管道、某些几何形状特殊和难以可达的检测对象的一种可行的选择方法。
７搅拌摩擦焊超声ＬＴＯＦＤ检测结果
（６）空气耦合超声检测技术 空气耦合超声检测技术主要是针对那些不易或者不允许通过液体耦合剂进行声波耦合的应用场合或者
被检测对象提出来的，早期的声振检测就是一种典型的空气耦合检测方法，换能器与被检测零件表面采取干 耦合点接触，较好地实现了蜂窝胶接结构的无损检测，目前空气耦合超声技术主要集中以下几个方面： ①基于压电换能器的空气耦合超声检测技术，一般检测频率在几百ｋＨｚ；
次声程（ＩＩ）检出的坡口未熔合。
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图３典型焊缝超声相控阵Ｃ－－扫描结果
图４复合材料冲击损伤超声Ｃ－－扫描可视化成像检测结果
（５）超声ＴＯＦＤ检测技术 超声ＴＯＦＤ（Ｔｉｍｅ—ｏｆ—Ｆｌｉｇｈｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）检测方法的提出和技术发展与焊缝检测需求直接有关，是
利用入射声波在缺陷尖端部位的衍射波的传播时间差进行缺陷检测与定位，理想的情况下可以利用ＴＯＦＤ 评估缺陷（如裂纹）在壁厚方向的取向长度，如图６所示，所谓理想情况是指发射和接收探头位置合适，参数 合适，被检测焊缝结合形状和表面状况均较为理想的情况，与反射探头Ｔ相对应的一侧的接收探头Ｒ有可 能收到来自焊缝表面的直通波１１、缺陷上尖端衍射波２２、缺陷下尖端衍射波３３和焊缝底面反射波４４，然