超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和不足研究摘要超聲檢測技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測方法，近年來，已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來，該技術(shù)的特點是無需采用耦合劑、檢測效率高、能實現(xiàn)在線監(jiān)測，同時，通過使用不同配置的電磁超聲換能器進(jìn)行研究，可以實現(xiàn)對各種超聲波型進(jìn)行激勵與接收，極大地豐富電磁超聲檢測的應(yīng)用場景。同時，作為一種新出現(xiàn)的先進(jìn)檢測技術(shù)，電磁超聲檢測技術(shù)也存在著一些問題，如換能器換能效率低、對于粗晶材料的檢測結(jié)果較差等，有待進(jìn)一步的研究與開發(fā)。關(guān)鍵詞：電磁超聲；EMAT；應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\u5895引言 引言對于現(xiàn)代社會來說，先進(jìn)的超聲檢測技術(shù)為確保產(chǎn)品質(zhì)量提供了依據(jù)。在科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的今天，產(chǎn)品不僅結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，且所用材料日益進(jìn)步。這無疑給產(chǎn)品檢測增加了困難，與此同時，對于檢測技術(shù)也有很高的需求。傳統(tǒng)檢測技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)檢測，在這種形勢之下，先進(jìn)的超聲檢測技術(shù)漸漸走進(jìn)了人們的視線。先進(jìn)的超聲檢測技術(shù)，既能適應(yīng)苛刻的檢測環(huán)境，且檢測信號強(qiáng)，所以日益被人們所認(rèn)識。本文重點對先進(jìn)超聲檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并根據(jù)當(dāng)前面臨的困難加以歸納。1電磁超聲檢測技術(shù)原理EMAT在電磁超聲檢測中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。勵磁器、線圈、待檢件為組成EMAT最主要的3個組成部分。在實際工作中，為了得到良好的聚焦效果，需要設(shè)計出合適的勵磁器和待檢件結(jié)構(gòu)。其中勵磁器給出外加磁場，可使用永磁鐵，也可使用電磁鐵。永磁鐵在工作過程中產(chǎn)生渦流并使其與磁流體發(fā)生作用而將磁性能傳遞給被測物體表面。永磁鐵的尺寸很??；電磁鐵的去磁速度更快，通常有直流電磁鐵與交流電磁鐵兩種。電磁超聲換能器通過發(fā)射一定頻率的電磁波激勵待測試件內(nèi)部磁流體介質(zhì)產(chǎn)生渦流場，從而對被測材料進(jìn)行無損探傷。線圈中裝載有高頻交流電，用于生成待檢件上的渦電流，線圈布置形式為蛇形、回形與呂形等等。電磁超聲具有頻率高、能量大、穿透能力強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)點。待檢試件在EMAT中占有必不可少的地位，它是一個電導(dǎo)體或者磁導(dǎo)體，同時也清楚地表明電磁場超聲檢測適用于各種場合。由于渦流效應(yīng)和磁場耦合效應(yīng)都能使被測對象發(fā)生變形，因此，電磁超聲對缺陷具有很強(qiáng)的穿透能力。圖1.1電磁超聲檢測技術(shù)原理對非鐵磁性導(dǎo)電材料進(jìn)行電磁超聲檢測，其基本步驟如下：待檢試件和線圈置于外加磁場作用下，在線圈內(nèi)裝入高頻電流之后，線圈的四周會感應(yīng)到動態(tài)感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場進(jìn)一步使待檢試件內(nèi)產(chǎn)生電渦流。當(dāng)待檢體內(nèi)部有缺陷時，其內(nèi)部電介質(zhì)將被破壞，此時就會出現(xiàn)電磁力作用下的磁致伸縮效應(yīng)，從而引起試件表面的形變和位移。在外加磁場作用下，待檢測試樣表面因感生電渦流而產(chǎn)生，試件中微粒在洛倫茲力作用下會產(chǎn)生高頻振動，產(chǎn)生超聲波，以及向工件內(nèi)部擴(kuò)散，這一過程，就是完成了超聲波發(fā)射。當(dāng)電磁波從被測物體進(jìn)入探頭時，其能量首先以電磁能形式存儲在介質(zhì)之中，而后通過媒質(zhì)將電能轉(zhuǎn)換成熱能，此時介質(zhì)也就開始發(fā)熱。微粒振動方向和傳播方向決定超聲波種類。當(dāng)微粒沿垂直于探頭軸線的路徑運(yùn)動時，其速度大小將決定著回波波形。在電磁超聲接收環(huán)節(jié)，反射聲波引起試件內(nèi)微粒的振動，由此導(dǎo)致磁場發(fā)生干擾，然后將感生線圈中的電壓信號，達(dá)到檢測信號接收目的。針對EMAT外加磁場存在差異的問題，EMAT可以粗略地劃分為如下幾種類型：均勻靜磁場EMAT，不均勻靜止磁場EMAT，空間周期性靜止磁場EMAT。其中，以空間周期靜態(tài)磁場的影響最為明顯，其主要原因在于橫向電磁感應(yīng)強(qiáng)度與縱向電磁場之間存在一定的比例關(guān)系。在均勻靜態(tài)磁場EMAT條件下，受到洛倫茲力時，橫波就會出現(xiàn)，磁致伸縮效應(yīng)中產(chǎn)生了水平剪切波。當(dāng)外加電流為零時，會產(chǎn)生縱向超聲振動和橫向聲輻射現(xiàn)象。在非均勻靜態(tài)磁場EMAT條件下，由于磁場在不同地點的分布是不均勻，根據(jù)待檢件上外加磁場的分布情況，確定EMAT激勵超聲波的種類?？臻g周期性靜止磁場EMAT的磁場是由一系列周期性排列的磁體產(chǎn)生的，容易激發(fā)水平剪切波。2超聲檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀超聲檢測技術(shù)不是一個獨立的課題，內(nèi)容包括光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等組成的綜合型學(xué)科。超聲檢測技術(shù)由最初的開發(fā)應(yīng)用走向大范圍開發(fā)，這是國內(nèi)學(xué)專家、學(xué)者努力的成果。2.1國外研究現(xiàn)狀美國學(xué)者Yahiro等通過超聲波在傳播過程中的可逆性，超聲傳播信號通過固定換能器接收，在這一過程中，超聲檢測時被檢物體傳播過程被恢復(fù)。該方法可以將超聲圖像轉(zhuǎn)化為可視的三維圖形顯示出來。本研究的開展，為傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)帶來了全新可視化技術(shù)。超聲成像技術(shù)能夠直觀地顯示出樣品內(nèi)部缺陷的位置和形狀，從而幫助人們更容易地發(fā)現(xiàn)一些隱藏于表面之下的微小問題。英國學(xué)者Gogrn對商業(yè)產(chǎn)品封裝焊點進(jìn)行質(zhì)量檢查時發(fā)現(xiàn)，利用超聲檢測技術(shù)，它主要用于焊料凸點缺陷的檢測。他發(fā)現(xiàn)用這種方式可以快速地確定出焊接界面是否存在凸點缺陷。本研究建立超聲波質(zhì)量檢測的平臺。通過該試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測目標(biāo)物與聲束發(fā)生干涉時，由于反射波前存在微小變化，所以會出現(xiàn)“奇異”現(xiàn)象。美國學(xué)者Chiaor為論證超聲檢測技術(shù)可用于形狀復(fù)雜的檢測，利用激光超聲波掃描，驗證相鄰波減法異常播傳播。這說明，超聲波能夠有效地解決實際問題。這一研究也為超聲檢測技術(shù)發(fā)展指明了方向。我國學(xué)者也對其進(jìn)行過一些探索。美國學(xué)者Kanidbe在開發(fā)專用激光超聲換能器后，再利用該專用換能器進(jìn)行信號接收，基于超聲波速度與鋼軌壓力張力之間的變化規(guī)律，驗證了激光超聲換能器用于實際的可行性。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀倪晨開展了激光源發(fā)射超聲波機(jī)理及超聲波信號向材料內(nèi)傳播規(guī)律研究，該工藝?yán)脪呙杓す庠礄z測金屬材料表面損傷情況，發(fā)現(xiàn)利用超聲檢測技術(shù)對材料進(jìn)行損傷檢測，精度更高。董利明從實驗與數(shù)值兩方面進(jìn)行研究，將超聲檢測技術(shù)用于檢測金屬殘余中應(yīng)力，試驗結(jié)果表明，將超聲檢測技術(shù)用于金屬殘余余力的檢測具有可行性。在此基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步探討了超聲波在不同條件下及不同缺陷狀態(tài)下的衰減規(guī)律和影響因素，并提出一些建議以供參考。從上面的分析中就能看出來，經(jīng)過海內(nèi)外專家、學(xué)者的努力，超聲檢測技術(shù)在其中的運(yùn)用范圍也在逐步拓展，也漸漸被大家所接受。由于超聲檢測是一種非破壞性的測試手段，其能夠有效地實現(xiàn)在線檢測，所以該檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域之中，并受到廣泛關(guān)注。盡管國外對超聲無損檢測技術(shù)的研究起步比較早，但伴隨著我國工業(yè)生產(chǎn)需求的增加以及超聲檢測技術(shù)逐漸被人們所接受，近年來，國內(nèi)先進(jìn)超聲檢測技術(shù)也卓有成效。目前國內(nèi)的超聲檢測技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)，而且還能滿足一些特殊情況下的檢測需要。3超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，先進(jìn)的超聲檢測以其絕對優(yōu)勢而被人們所接受，被廣泛地應(yīng)用于許多行業(yè)中。3.1在鋼軌車軌領(lǐng)域的應(yīng)用就鋼軌車軌而言，因列車采用車軌次數(shù)多，并且大部分時間列車的負(fù)載較重，使車軌負(fù)擔(dān)過重。為了提高列車行駛效率，就必須降低鋼軌車軌間的磨損程度，減少行車故障。所以做好準(zhǔn)確檢測鋼軌車軌，是確保列車運(yùn)行安全，快速的根本。但在軌道上探測缺陷，由于對車軌地表下斜裂紋和速度的檢測都要確保實時性，再說車軌開裂很深、過于狹窄，對探測技術(shù)提出了更高要求。所以目前采用超聲波成像系統(tǒng)來檢測軌面斜紋。后者則需要不要聯(lián)系、高速、高效率地進(jìn)行檢驗。目前國內(nèi)外主要使用射線探傷法、超聲波法及渦流法等方法來完成這些任務(wù)。由于鐵路檢測的時間很短。所以可以通過使用超聲波來實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地檢測。3.2航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用就航空航天而言，因所用復(fù)合材料有很大特殊性，主要表現(xiàn)為有抗疲勞，抗腐蝕的能力、減震性好，密度小等優(yōu)異性能，因此，開展航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料探測時，需要檢測復(fù)合材料中是否存在缺陷至關(guān)重要，同時，要求又十分苛刻。目前，對于航空材料的無損檢測一般都是利用超聲波來完成，因為其操作簡單方便等優(yōu)點而得到廣泛地應(yīng)用。但航空航天領(lǐng)域構(gòu)造復(fù)雜，還有一些探測探針，在探測過程中，有的探測部分不易到達(dá)，采用了先進(jìn)的超聲檢測技術(shù)，可在多種復(fù)雜的表面上發(fā)揮作用，且準(zhǔn)確率高，效率高。3.3管道巖體領(lǐng)域的應(yīng)用就管道巖體而言，因巖體極易受應(yīng)力影響而失衡，造成事故。尤其是對于一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)來說，這種情況更加嚴(yán)重。所以在巖體的開采中，需準(zhǔn)確探測管道巖體，由此查明了巖體結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力變化規(guī)律。為了確保整個工程的質(zhì)量，必須要采用先進(jìn)的技術(shù)手段來對管道巖體進(jìn)行測量分析。并且在開采的過程中，還需要實時監(jiān)測巖體的情況，按巖體結(jié)構(gòu)改變而連續(xù)改變采出程度，確保操作安全。4超聲波技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢及存在的不足4.1技術(shù)優(yōu)勢從電磁超聲檢測基本原理中可以看出，電磁超聲波收發(fā)無需借助耦合劑，這樣在進(jìn)行檢測時，就不必采用常規(guī)壓電超聲所必需的耦合劑。此外，電磁超聲還具有良好的方向性特點，能夠?qū)Ρ粶y物體內(nèi)部缺陷位置準(zhǔn)確定位，提高檢測精度。同時電磁超聲檢測時對被檢零件的表面有無涂漆也沒有規(guī)定，這樣就省去了很多油漆打磨和還原時間。對消防管線、輸油和輸氣管線來說，傳統(tǒng)檢測方法執(zhí)行低效，通常要求檢測工期較長。針對這一問題，提出一種基于導(dǎo)波技術(shù)的電磁超聲無損檢測系統(tǒng)。另外，電磁超聲具有良好的方向性，可用于非接觸式的在線探傷。隨著技術(shù)發(fā)展，越來越多的應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下，如高壓輸電線路、海洋石油平臺以及石油化工設(shè)施等。對高溫部件，傳統(tǒng)的壓電超聲通常需采用高溫探頭及高溫耦合劑進(jìn)行檢測，其成本較高，檢測效率較慢且可重復(fù)性較差。在進(jìn)行電磁超聲的檢測時，EMAT中線圈無須與待檢件直接接觸，為了保護(hù)載流線圈，通常是在探頭正面增加一定厚的保護(hù)層。保護(hù)層可以是耐熱、隔熱材的料，這樣電磁超聲就能直接探測高溫管線，達(dá)到了不用成本高昂的高溫耦合劑就能進(jìn)行高效檢測的目的，并且檢測結(jié)果可重復(fù)性好。又因耐高溫，特殊場合可進(jìn)行焊接，并且在焊縫還未冷卻時，也能夠進(jìn)行快速檢測。4.2存在的不足與傳統(tǒng)壓電超聲相比，EMAT換能效率較低，這就需要提高發(fā)射功率，但同時又帶來了線圈易發(fā)熱等缺點。為了保護(hù)EMAT探頭，通常要求探頭正面有特定保護(hù)層，該保護(hù)層厚度直接影響電磁超聲檢測。一般會把保護(hù)層厚度與保護(hù)層與待檢零件表面之間距離的總和叫做提離距離。提離距離太大時，待檢件上EMAT激發(fā)超聲波很弱，導(dǎo)致檢測信號不佳。若提離值過小或超過一定范圍，則會使缺陷定位不準(zhǔn)，甚至無法判斷出是否存在裂紋等異常缺陷。以電磁超聲執(zhí)行測厚為例，已有的研究認(rèn)為提離距離不應(yīng)超過1mm，否則，測厚后的數(shù)據(jù)將嚴(yán)重失真的問題。另外，若保護(hù)層較薄或溫度過高也容易導(dǎo)致電磁波能量衰減較大，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的反射波干擾現(xiàn)象。為了得到更好的檢測效果，保護(hù)層的厚度不能太大，并且在檢測時，需要盡可能使探頭緊貼待檢件的表面。此外，為了避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致線圈溫度過高，需要定期對電磁超聲探頭和電源供電設(shè)備進(jìn)行冷卻降溫處理。目前，該方法還不能直接應(yīng)用于鋼鐵構(gòu)件內(nèi)部缺陷的無損檢測。它在奧氏體不銹鋼和其它粗晶材料中的測試效果有待進(jìn)一步提高。作為一門新興檢測技術(shù)，電磁超聲檢測技術(shù)在焊縫檢測靈敏度方面仍有改進(jìn)空間。目前，電磁超聲主要用于管道內(nèi)壁缺陷和焊接質(zhì)量的檢測。4.3應(yīng)用展望針對電磁超聲檢測技術(shù)特征，它所激發(fā)出的導(dǎo)波可沿管線表面擴(kuò)散，可以用于大批量、長距離管線腐蝕探測，并且在檢測過程中無需用到耦合劑，無須打磨油漆和其他附著物，達(dá)到高效快速檢測的目的。在管道內(nèi)壁上布置傳感器陣列并通過信號調(diào)理電路將激勵電信號轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)放大和濾波后送入計算機(jī)分析處理，從而完成了基于電磁超聲無損檢測技術(shù)的高溫部件厚度在線測量。在測厚過程中，應(yīng)用電磁超聲激發(fā)體波來探測。由于可以在高溫環(huán)境下進(jìn)行檢測，故無需等待機(jī)組停機(jī)、設(shè)備停運(yùn)，即可在線檢測關(guān)注區(qū)域，大大提升業(yè)主設(shè)備管理水平，保證了在用設(shè)備的安全，可靠地運(yùn)行。目前，電磁超聲測厚儀已經(jīng)成為一種成熟可靠的無損檢測方法，并得到廣泛應(yīng)用。以超聲波聲彈性理論為依據(jù)，電磁超聲檢測技術(shù)也可應(yīng)用于焊接殘余應(yīng)力檢測，在役螺栓軸力檢測領(lǐng)域?？偨Y(jié)總結(jié)了先進(jìn)超聲檢測技術(shù)應(yīng)用中，當(dāng)前，雖有很大成績。隨著科技水平不斷提高，超聲檢測技術(shù)也將更加完善。同時，為了更好地促進(jìn)我國工業(yè)的進(jìn)步，也必須要加強(qiáng)超聲檢測技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)工作。雖然該領(lǐng)域存在著發(fā)展困境，但中外研究者，一直沒有間斷過對超聲檢測技術(shù)進(jìn)行探究，這些難題終將迎刃而解。隨著科技水平的不斷提高以及人們對無損檢測要求的不斷提升，超