无损检测技术进展

2016世界无损检测技术新进展

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世界无损检测大会（WCNDT）每四年召开一次，反映了世界无损检测技术与设备最新研究、应用进展和发展趋势。2016年6月，第19届世界无损检测大会在德国慕尼黑召开，有来自46个国家和地区的近2200名代表参加，宣读和交流学术论文1000余篇[1]，报道了声、光、电、磁等多类检测方法的新进展，新型的传感技术与器件，检测图像与信号处理方法，以及复合材料、焊缝、管道、核压力容器等材料与结构的检测技术及应用。

大会报告按检测技术类型和应用领域共分144个专题进行分类报道[1]。在专项技术方面，大会报告专题涵盖了声发射技术、超声技术、计算机断层成像技术、红外热像技术、磁与渗透技术、微波及太赫兹技术、金属磁记忆技术、共振技术，以及声学非线性技术和机器人辅助检测技术等。在行业应用方面，涵盖了航空工程、船舶、铁路、汽车、核能工程、油气管道、土木工程、生物医学等领域的最新研究与应用进展。

本文简要分析本次大会报告呈现的世界无损检测技术研究与应用的新进展，浅要探讨无损检测技术的发展方向，需要进一步研究的若干问题，以及未来发展的新机遇。

1 无损检测技术方法研究的新进展

1.1 声学检测方法

（1）超声波检测方法

超声相控阵技术、非接触超声技术和超声导波技术是主要研究报道的技术方法。在超声相控阵技术方面，法国的CHAUVEAU等[2]报道了一种新型的超声相控阵专用校准试块，能够满足超声相控阵检测的声速测量、声束指向性及灵敏度测量和DAC曲线测量等校准要求，具有更高的校准功能集成度和工艺效率。

HARRICH等[3]提出了一种基于正弦波激励信号和组合延迟法则的FAAST超声相控阵快速扫描技术（如图1），该技术根据被检工件扫描范围和检测要求生成合成声束偏转、聚焦方案，基于延迟法则计算出阵列超声换能器各阵元的正弦波激励信号组合调制方式，通过一次发射正弦波激励信号并采集成像实现被检工件的扫描检测，能够显著提高超声相控阵技术的检测效率；ROBERT等[4]提出了一种基于全矩阵数据的自适应超声相控阵成像方法（ATFM），利用基于全聚焦成像的轮廓提取算法和基于相关运算的聚焦法则自动计算算法建立检测方案，可实时获取复杂型面结构的高质量检测图像。

德国的OBERDÖRFER等[5]提出了采用超声相控阵技术量化缺陷尺寸的DAC曲线简化计算方法，大幅降低了超声相控阵DAC曲线计算复杂度和参数设置耗时；WALTER等[6]研制出一种基于PMN-PT复合材料的超声相控阵换能器，与PZT相控阵换能器相比具有更高的灵敏度和更宽的频带范围；SCHMITTE 等[7]研制了一种内置TFM算法的超声相控阵检测仪器（如图2），该仪器的内置算法能够支持不同类型的耦合剂/工件界面（如管材的曲面界面等），在各向异性材料的检测算法中引入了声速的方向变化特性，并采用GPU加速技术大幅减小了TFM算法的图像重构耗时；DEUTSCH等[8]提出了一种基于全聚焦方法和声波模式转换的多波模式组合全聚焦成像检测方法，能够实现薄壁结构缺陷的高精度检测。

加拿大的GROTENHUIS等[9]介绍了其团队研制的内置全矩阵数据算法的超声相控阵检测仪器，该仪器经过六年的改进具有良好的检测性能和高鲁棒性，能够实现各种几何结构的三维成像；DEVOS等[10]研制出一种半柔性的矩阵阵列超声换能器，以提高新一代核电站大型整体转轴锻件各类缺陷的检出率、可靠性和检测效率。

中国的ZHOU等[11]基于超声相控阵的全矩阵数据方法提出了一种针对非平面界面的后处理成像校正算法和参量优化方法，显著提高了曲型结构缺陷的检测分辨力和表征准确度。

图1 FAAST超声相控阵快速扫描技术

图2 基于TFM算法和GPU加速技术的超声相控阵检测

非接触超声技术的研究主要包括激光超声技术和空气耦合超声技术。在激光超声技术方面，澳大利亚的ROITHER等[12]报道了利用激光超声技术在线实时检测铝材铸造缺陷的环境模拟实验结果，通过合成孔径聚焦方法得到铝板锻造裂纹的激光超声检测图像。

德国的KRIX等[13]实验研究了高温状态下热轧钢材料均匀性的激光兰姆波在线实时检测方法。西班牙的CUEVAS等[14]报道了基于关节机器人技术的新型激光超声检测系统（如图3），该系统在大型复杂型面构件的自动扫描检测方面，相比通常采用的手动检测方法和液浸式超声C扫描系统具有更高的型面适应性、扫描效率和重复一致性。

日本的HAYASHI等[15]在激光扫描兰姆波成像方法的基础上采用激光干涉测量装置建立了激光激励、激光探测的激光扫描成像系统，并提出了一种基于高重复频率光纤脉冲激光器的低频窄带Tone-burst超声兰姆波信号激励方法，提高了激光兰姆波信号的幅度和信噪比。

台湾的WU和日本的KOBAYASHI等[16]提出了一种基于激光扫描兰姆波成像原理和柔性超声换能器的激光超声检测方法，在曲面结构（如管材）的无损检测中具有更好的适应性；TSENG等[17]提出了利用激光扫描兰姆波成像方法反演重建被测结构全范围材料参数（如厚度、杨氏模量、泊松比等）的技术方法。

德国的KELKEL等[18]提出了一种利用激光激励和探测超声导波检测纤维增强复合材料缺陷的新方法（如图4），该方法采用了脉冲激光波长调制、脉冲时间调制和激光线源阵列空间调制三种技术，能够在复合材料中选择性地激励不同模态的超声导波，显著提高超声导波信号的幅度和信噪比。

中国的ZHOU等[19]提出了一种基于合成孔径算法的搅拌摩擦焊激光超声在线实时检测方法。

图3 基于关节机器人技术的新型激光超声检测系统

图4 基于激光激励和探测方法的复合材料超声导波检测

在空气耦合超声技术方面，西班牙的CUEVAS等[14]报道了基于关节机器人的新型空气耦合超声C扫描系统及其在飞机大型复合材料构件无损检测中的应用（如图5）。

德国的SCHADOW等[20]报道了一种基于铁电驻极体技术的新型聚焦空气耦合超声换能器，该技术采用具有铁电和压电特性以及低杨氏模量、低密度、低声速性质的多孔聚丙烯材料取代了通常采用的固/气匹配层，具有更高的横向分辨力和良好的信噪比。

HUBER等[21]将空气耦合超声兰姆波检测技术和关节机器人技术结合起来（如图6），实现了航空航天复合材料柱体结构的空气耦合超声同侧仿形扫描成像检测；HILLGER等[22]报道了目前世界上最大的空气耦合超声C扫描系统的技术框架和性能参数（系统示意图如图7），并开发出大型的八通道空气耦合超声检测系统，以提高航空航天大型复合材料构件的检测效率。