无损检测新技术

无损检测新技术无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法[1] 。

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，无损检测的重要性已得到公认，主要有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。

其他无损检测方法有涡流检测（ECT）、声发射检测（AE）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）、超声波衍射时差法（TOFD）等。

一、磁记忆检测金属磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法。

克服了传统无损检测的缺点，能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区，即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，是无损检测领域的一种新的检测手段。

金属磁记忆方法自诞生以来，对其机理的解释就成为国内外学术界关注的焦点。

国外专家俄罗斯 Doubov教授最早提出：磁记忆现象的出现是由于工件载荷作用下在铁磁材料内部形成位错稳定滑移带，高密度的位错积聚部位形成磁畴边界(位错壁垒)，产生自有漏磁场。

在机理研究方面。

如从电磁学角度出发的电磁感应说，即铁磁性材料垂直于地磁场作用方向的横截面积，在定向应力作用下会发生应变，因而通过此横截面的磁通量会发生变化。

由电磁感应定律知，该截面上必然产生感应电流，并激励出感应磁场使工件磁化。

又如基于铁磁学基本理论的能量平衡说，即磁记忆效应产生的内在原因是金属组织结构的不均匀性，材料内部不均匀处会出现位错，在地磁场环境中施加应力，则会出现滑移运动…，其结果会引起位错的增殖，产生很高的应力能。

能量平衡的结果，使得铁磁零件内部磁畴的畴壁发生不可逆的重新取向排列，由于金属内部存在多种内耗效应，使得动载衙消除后，在金属内部形成的应力集中区会得以保留。

为抵消应力能，磁畴组织的重新排列也会保留下来，并在应力集中区形成类似缺陷的漏磁场分布形式，即磁场的切向分量为最大值，而法向分量符号发生改变，且具有过零值点。

丁辉等17呗0建立了裂纹类缺陷应力场和磁通量变化间的数学模型，为磁记忆检测裂纹类缺陷提供了理论依据。

在磁记忆检测技术应用研究方面，大庆石油学院开展的对带有预制焊接裂纹的球型容器、爆破试验后破裂的管件和带有焊接缺陷的管件进行了磁记忆检测实验研究，利用已知评价标准，准确找出了构件中的缺陷，充分验证了金属磁记忆方法的有效性。

中国科学院上海精密机械研究所等单位开展的利用地磁场检测钢球表面裂纹的可行性研究，表明钢球被地磁场磁化后，从位于地磁场中的磁阻传感器采样得到的信号就能够分辨出钢球表面缺陷，为磁记忆技术在轴承检测中的应用提供了可行性方案。

黄松岭等研究了焊缝附近残余应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量的关系，研究表明，二者具有较好的一致性。

北京理工大学在北京市自然科学基金资助下，和俄罗斯动力诊断公司及北京科技大学的研究人员开展合作，探讨磁记忆检测技术在应力腐蚀领域的应用。

磁记忆检测技术能否得到有效应用的关键是检测设备。

而检测设备的核心是磁敏传感器的研制。

很多敏感器件如霍尔磁敏元件、铁磁线圈和磁敏电阻等，从原理和技术指标衡量，都可以应用于磁记忆传感器的研制。

继俄罗斯动力诊断公司推出第一台磁记忆检测传感器后，国内已经相继推出了基于霍尔元件的磁记忆传感器和基于磁敏电阻的磁记忆传感器。

进行针对弱磁测量的传感器研制，是磁记忆检测技术研究的一个重要方面。

磁记忆检测的发展作为一种新兴的检测技术金属磁记亿检测法在拥有广阔的应用前景的同时，其基础理论和检测手段都有待完善，目前尚存在磁记忆现象明确而机理模糊、检测标准未定量化、对“危险区”的评判手段仍不完善等诸多急需解决的问题，还需进行大量以下研究。

(1)加强磁记忆检测技术的机理研究：从目前已有的资料来看，尽管有一些文献探讨磁记忆检测机理，但还没有达到十分透彻和系统的程度，形成较完整严密的理论体系。

这方面的研究涉及磁性物理学、铁磁学、金属材料学、弹塑性力学、断裂力学、磁弹性理论、信号与系统分析等多个学科的知识。

(2)开展磁记忆检测的定量化研究：在无损检测技术中，缺陷的定量检测是一个十分重要的问题。

磁记忆效应实质上是一种广义的漏磁场效应，和漏磁检测一样，也应该可以进行定量化研究。

但总体说来，这方面的研究还有待于深入，对于缺陷大小、形状和磁记忆参数之间的关系，还未见到系统的实验研究。

(3)系统开展磁记忆效应的机理性实验研究：在进行磁记忆机理研究时，可以更系统地开展实验研究，总结实验结果，归纳经验公式。

二、红外热波无损检测与常规的超声、射线等检测技术相比，该项检测技术具有非接触、全场、大面红外热波无损检测技术是近年来复合材料无损检测领域发展迅速的一种新方法积、快速、直观、易实现检测自动化等优点，采用专用软件对获得的红外图像信息处理后，可直接识别缺陷位置坐标，除此之外，检测时对周围环境没有特殊要求，设备轻便、可移动，特别适合现场应用和在线、在役检测，国外已经用于金属和非金属材料及其复合结构件的无损检测。

红外热成像技术理论及应用的研究重点是研究热源，产品被加热后，材料内部的缺陷改变复合材料局部的热性能，导致材料表面温度场的变化，通过材料表面的温度图谱即可判定缺陷，采用专用软件进行实时图像信号处理，显示出检测结果，从而达到检测目的。

如图1所示。

图1 红外热波无损检测原理图红外热成像技术就是把物体辐射或反射的红外波段图像转换成可见光波段人眼可观察图象的技术。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，红外辐射的强度（单位面积向半球方向发射的全波长辐射功率）可表示为：4T W εσ=式中：ε-- 灰体发射系数，σ-- 斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.66x10-8 Wm -2 K – 4）T -- 绝对温度在复合材料制造过程中，因制造工艺不合理使固体复合材料中产生缺陷时，缺陷尺寸相对于物体整个表面而言所占比例很小，所以，均匀加热缺陷部位时，为了使问题简化，缺陷附近区域的热传导可以用固体一维热传导（沿板厚方向）模型代替，如图2所示。

图2 复合结构件缺陷一维热传导模型根据固体热传导方程，简化后缺陷部位的一维热传导方程为：T k t T c 2∇=∂∂=ρ 缺陷胶层式中：ρ—密度，c—比热，k—热传导系数，∇— laplace算子，T—温度，t—时间如果复合结构件内存在缺陷，采用适当的热加载方式加热构件表面时，热波在构件内部传播，并在其内部扩散，由于试件内部存在着裂纹、气孔、分层等缺陷，这将引起试件的热传导、热容量等性能的改变，经过一定的时间，由于热流被缺陷阻挡，就会在缺陷附近发生热量堆积，而这些热量的堆积必定会以不同的温度分部反映出来，使得有缺陷区域的表面温度不同于没有缺陷区域对应的表面的温度，当用红外探测器扫描或观察试件表面时，红外热像仪就可以测定工件表面的温度分布状况，在试件加热或冷却过程中探测出物体表面温度变化的差异，进而判明缺陷的存在及其大小。

国内外发展概况目前国外红外热波无损检测技术的应用研究以美国较为领先，其次是瑞典、加拿大、英国和日本，主要应用于航空航天领域金属、陶瓷、橡胶等和发动机金属喷管胶接质量的检验。

美国GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋、NASA及海军等已广泛应用,美国、俄罗斯、法国、加拿大等国己把红外热波检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。

美国空间动力系统 GDSS 从 1992 年起就用该技术对 Atlas 空间发射舱复合材料的脱粘缺陷和A3火箭进行检测，目前红外无损检测已经正式应用于生产检测。

美国的无损检测协会负责编写、2001年出版的无损检测手册中，红外热像无损检测分册里有大量的篇幅论述红外热波无损检测技术在航空航天领域的应用。

美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前沿，取得了很多实际的研究成果。

在FAA 1998， 1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中，此技术击败包括X射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。

并逐渐被NASA、美国空军和海军、波音、洛克希德.各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。

自20世纪90年代中期以来.这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室，用于研究解决各自独特的无损检测问题。

目前国内红外热波无损检测技术尚处于试验研究阶段，国内科研单位在金属、金属与非金属复合结构中缺陷的红外无损检测与评价方面也进行了卓有成效的研究工作，如西安交大、北方交大、东南、天大、清华、621所、205所等，应用领域涉及电力、机车、医学、集成电路等热故障缺陷的检测和航空航天领域铝蜂窝结构、多层材料复合结构的分层、脱粘、裂缝等缺陷检测。

如火箭发动机的机体、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及飞机蜂窝状结构等部件。

2003年该项技术的应用研究列入国家863计划，同时得到211工程支持，北京首都师范大学、北京航空航天大学、北京航空材料研究院等单位进行了一些典型试件的应用试验，并获得了一些初步的实验结果。

但由于是试验研究项目，专用检测设备的开发应用尚处于实验室阶段，目前国内还无红外热相仪的专业生产厂家，主要依靠引进红外热相仪进行相关技术研究工作。

三、超声相控阵技术超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。

相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。

超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。

超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。

初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。

最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。

如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。

由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。