关于先进超声检测技术的研究

关于先进超声检测技术的研究

李海涛

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨150066

摘要：通过先进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，在很多的超声检测中，主要是来自世界各地的无损检测研究人员集中交流了超声、射线、红外等先进检测技术与设备、空气耦合超声和激光超声等先进超声无损检测与设备的研究与应用新进展，探讨了先进超声无损检测技术与设备的发展方向，提出了需要进一步研究的若干问题，指出了未来发展的新机遇。

关键词：无损检测；新方法；新仪器

无损检测技术的问世，主要是得益于科学研究领域和工业应用领域的进程和发展，人们渴望建立能够对未知目标进行预测，对已知目标进行评估的方法，从而为科学研究、工程应用提供数据或者个人信息输入，材料研究和工程结构制造过程中的缺陷检测与评估具有最为典型的应用方向。

相控阵超声检测技术

研究进展

在相控阵超声技术方面，法国的CHAUVEAU等介绍了一种新型的相控阵声专用校准试块，能够满足相控阵超声的声速测量、声束指向性以及灵敏度测量和DAC曲线测量等校准要求，具有更高的校准功能集成和工艺效率；HARRIXH等提出了一种基于正弦波激励信号和组合延迟法则的FAAST相控阵超声快速扫描技术。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，能够显著提高相控阵超声技术的检测效率；ROBERT等提出了一种基于全矩阵数据的自适应相控阵超声成像方法，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OBERDORFER等提出了采用相控阵超声技术量化缺陷尺寸的DAC曲线简化计算方法，大幅度降低了相控阵超声DAC曲线计算复杂度和参数设置耗时。

1.2应用进展

在焊接结构检测方面，加拿大的LAMARRE等介绍了基于双线阵和双矩阵换能器的管道耐腐蚀合金焊缝相控阵超声检测方法。该方法采用并行布置的两个线阵或矩阵相控阵超声换能器对焊接结构进行扫描成像，其中一个换能器发射超声波并控制声束聚焦和偏转，另一个换能器接收超声反射信号，这种方式能够在焊缝区域产生更高超声能量、提高超声反射信号的信噪比，并去除单换能器发射接收时声波通过锲块传播导致的检测盲区。法国的DUPINT等介绍了利用相控阵超声技术检测各向异性材料焊缝结构的扇形扫描角度与声速校正方法，显著提高了各向异性材料焊缝缺陷的检出率和定位准确度。

在粘接结构检测方面，美国的STAIR等介绍了利用单晶压电超声技术和相控阵超声技术通过粘接界面反射信号幅度和渡越时间变化表征碳纤维复合材料-铝材粘接结构脱粘方法。

空气耦合超声检测技术

在空气耦合超声技术方面，西班牙的CUEVAS等介绍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上大型复合材料构件无损检测中的应用。德国的SCHADOW等介绍了一种基于钛电驻极体技术的新型聚焦空气耦合超声换能器，该技术采用具有钛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/气配层，具有更高的横向分辨力和良好的信噪比；HUBER将空气耦合超声兰姆波的检测技术和关节机器人技术结合起来，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；HILGER介绍了目前世界上最大的空气耦合超声C扫描系统技术框架和性能参数，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；ADEBAHR等介绍了一种基于关节机器人的空气耦合超声检测系统。

激光超声检测技术

在激光超声技术方面，澳大利亚的ROITHER等介绍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试验结果，通过合成孔径聚焦方法得到了铝板锻造裂纹的激光超声检测图像。德国的KRUX等试验研究了高温状态下热轧钢材料均匀性的激光兰姆在线实时检测方法。西班牙的CUEVAS等介绍了基于关节机器人技术的新型激光超声检测系统，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。

4、应用发展方向和待解决的问题

随着科学技术和制造技术的发展，在航空航天、高铁、船舶、核电和石油等领域，新材料、新结构、新工艺不断出现并得到应用，装备性能、制造质量和应用安全可靠性要求不断提高，这给无损检测技术提出了更高的要求，复杂结构检测、非接触检测、自动化检测和原位快速检测是无损检测技术的应用发展方向。

4.1相控阵超声检测技术

相控阵超声技术的核心是控制算法，通常采用的基于合成声束偏转、聚焦延时算法的相控阵超声检查方法和仪器已经标准化，近年来重点研究的基于全矩阵数据的相控阵超声成像算法也已经相对成熟，已经开发出的内置该算法的新型检测仪器。目前相控阵超声技术在飞行器复合材料构件检测、复杂焊缝检测、管道腐蚀检测和大型板材检测中已经得到比较广泛的应用。

4.2非接触超声检测技术

激光超声检测技术和空气耦合超声检测技术是目前主要研究的非接触超声检测技术。

但是，与常用的压电超声换能器的超声转换效率和探测灵敏度相比，脉冲激光热弹激励超声的光声转换率低，激光干涉探测装置的灵敏度低并容易受材料表面粗糙度和环境振动等因素影响。受限于上述因素，现有激光超声检测设备需要采用精密、复杂并且使用和维护成本高昂的超声激励和探测装置，以使其超声激发效率和探测灵敏度达到工业检测标准要求，而尚无法在检测性能、可靠性和经济性之间达到平衡，这是该技术设备至今尚未得到广泛应用的主要原因。

4.3技术方法的交叉、融合

通过不同激励、探测方法和缺陷表征与成像方法的交叉融合，提高检测方法的性能、适用性、可靠性和经济性是无损检测技术研究的重要方向。比如：通过将激光超声技术与空气耦合超声技术结合起来，利用脉冲激光激励超声波，空气耦合超声换能器探测超声波，并利用关节机器人进行仿形扫描检测，有望在非接触超声检测性能、适应性、可靠性和经济性方面达到新的平衡。

小结

以上所述，在相控阵超声、空气耦合超声、激光超声和机器人辅助检测技术等方面，在研究各技术的激励与探测新方法、成像新算法和新器件与设备的同时，需要探索通过不同激励、探测方法和成像算法的交叉融合产生的检测新技术，以及新型的机器人辅助检测技术，提高检测技术与设备的性能、实用性、可靠性和经济性。为了实现工业装备的智能化、高质量制造和高可靠性应用，需要研究发展专用精量化、标准化、自动化、自主化和智能化的超声无损检测技术与设备。

参考文献：

[1]周正干,孙广开.先进超声检测技术的研究应用进展[J].机械工程学报,2017,53(22):1-10.

[2]张贺斌.超声检测技术在复合材料构件上的应用研究[D].武汉理工大学,2011.

[3]韩明.大型零件多通道自动超声测控系统关键技术的研究[D].天津工业大学,2017.