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技術中心

Technology

無損檢測技術新進展——第19屆世界無損檢測大會學術報告綜述(中)

發布時間: 2017-05-03

無損檢測技術新進展——

第19屆世界無損檢測大會學術報告綜述(中)

周正干  孫廣開
北京航空航天大學 機械工程及自動化學院

2  典型材料與結構檢測技術的新進展
2.1  復合材料構件檢測技術

在復合材料構件的無損檢測方面,德國的STEINHAUSEN等[48]提出了一種新型的環形陣列空氣耦合超聲換能器(如圖15),單個換能器可輸出三路超聲信號,通過對三路信號進行相位校正處理顯著提高了空氣耦合超聲檢測的縱向分辨力,得到了蜂窩夾芯復合材料構件脫粘的高分辨C掃描圖(如圖16);并提出一種基于雙換能器同側傾斜對稱接收和雙路信號差分處理的空氣耦合超聲檢測方法(如圖17),為基于空氣耦合超聲技術的同側檢測提供了新方法。

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圖15  環形陣列空氣耦合超聲換能器

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圖16  蜂窩夾芯復合材料構件脫粘的空氣耦合超聲檢測

日本的KOSUKEGAWA等[49]報道了利用相對低頻差分渦流探頭檢測碳纖維復合材料表層各層纖維分布方向的方法。該方法采用小于10MHz的差分渦流探頭對復合材料構件進行C型掃描成像,根據C型圖渦流分布特征表征表層各層纖維的實際分布方向。與高頻渦流探測方法相比,該方法具有更高信噪比和檢測精度,并簡化了檢測設備,降低了技術和設備復雜度。

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圖17  基于信號差分處理的空氣耦合超聲同側檢測方法


2.2  焊接結構檢測技術

在焊接結構檢測方面,加拿大的LAMARRE等[50]報道了基于雙線陣(DLA,Dual Linear Arrays)和雙矩陣換能器(DMA,Dual Matrix Arrays)的管道耐腐蝕合金焊縫超聲相控陣檢測方法。該方法采用并行布置的兩個線陣或矩陣超聲相控陣換能器對焊縫結構進行掃描成像(如圖18),其中一個換能器發射超聲波并控制聲束聚焦和偏轉,另一個換能器接收超聲反射信號,這種方式能夠在焊縫區域產生更高超聲能量、提高超聲反射信號的信噪比,并去除單換能器發射接收時聲波通過楔塊傳播導致的檢測盲區。

法國的DUPONT等[51]報道了利用超聲相控陣技術檢測各向異性材料焊縫結構的扇形掃描角度與聲速校正方法,顯著提高了各向異性材料焊縫缺陷的檢出率和定位準確度。瑞典的RUNNEMALM等[52]報道了一種用于航空發動機焊接零件焊縫結構表層缺陷檢測的主動紅外熱成像方法。

該方法采用連續激光線源作為激勵源在焊縫結構表面定向產生熱流分布,采用紅外熱像儀得到熱分布圖像表征表層裂紋等缺陷,并利用六軸關節型機器人作為檢測裝置的空間定位機構以實現零件全   部焊接區域的自動檢測(如圖19)。

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圖18  基于DLA和DMA的超聲相控陣焊縫檢測

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圖19  基于激光激勵和紅外探測的發動機零部件焊縫檢測

2.3  粘接結構檢測技術

在粘接結構檢測方面,法國的SIRYABE等[53]報道了鋁-環氧-鋁粘接結構界面粘接質量的超聲檢測方法,該方法通過測量粘接結構中不同角度入射聲波的透射系數反演環氧粘接層的彈性模量,根據環氧粘接層彈性模量的各向異性畸變特征表征層間界面粘接狀態的變化進而檢測粘接質量。

GAUTHIER等[54]報道了利用超聲蘭姆波特定頻率波數偏移和聲波模式幅度衰減表征鋁-環氧粘接界面不同粘接狀態的方法;TAUPIN等[55]報道了利用超聲漏蘭姆波相速度譜和波數譜特征變化表征鈦-復合材料粘接結構微米級粘結層厚度的方法;

ECAULT等[56]報道了一種基于激光沖擊波的復合材料粘接質量檢測方法(LASAT,Laser Shock Adhesion Test),該方法利用高功率密度脈沖激光在材料表面產生熔蝕效應形成沖擊波,根據激光沖擊波與粘接界面應力作用導致的界面損傷狀態及與不同粘接性質相應的損傷閾值表征原始界面粘接質量,基于損傷增量原理該方法可用于檢測弱粘接缺陷。

美國的STAIR等[57]報道了利用單晶壓電超聲技術和超聲相控陣技術通過粘接界面反射信號幅度和渡越時間變化表征碳纖維復合材料-鋁材粘接結構脫粘的方法。

2.4  結構腐蝕檢測技術

在結構腐蝕檢測方面,加拿大的TURCOTTE等[58]報道了基于超聲相控陣和3D掃描技術的結構腐蝕檢測方法(如圖20)。該方法采用3D掃描技術得到結構三維型面特征,并采用超聲相控陣技術對結構進行超聲掃描成像,將超聲掃描數據和結構型面數據結合得到表征結構內部腐蝕缺陷的三維圖。

法國的LEBER等[59]報道了基于全聚焦算法的結構腐蝕超聲相控陣檢測方法,該方法能夠減小腐蝕缺陷的檢測盲區,提高檢測分辨力,并更適合表征腐蝕型缺陷的復雜型面特征;ROY等[60]報道了利用自適應全聚焦超聲相控陣技術檢測近焊縫區腐蝕性缺陷的方法,該方法能夠自動測量計算結構型面特征并校正檢測參量,進而適應復雜焊縫結構特征,表征近焊縫區的腐蝕缺陷。

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圖20  結構腐蝕缺陷超聲相控陣三維成像檢測


3  無損檢測技術應用研究的新進展

3.1  飛機結構檢測技術

在飛機結構部件檢測方面,法國空客的GUIBERT等[61]報道了自主研制的超聲、渦流檢測儀器在空客飛機結構零部件無損檢測中的應用,主要包括:基于超聲相控陣技術的自動定量檢測儀器應用于飛機復合材料沖擊損傷檢測,該儀器內置自動參數設置和缺陷定量算法而無需操作人員具備專業技能(如圖21);基于超聲相控陣和3D跟蹤技術的檢測儀器應用于飛機曲面結構檢測,具有更高掃描效率和檢測可靠性;基于渦流技術的自動檢測儀器應用于飛機結構防腐保護層檢測,該儀器自動設置檢測參數,操作步驟簡單,無需操作人員具備專業技能(如圖22)。

BARUT等[62]報道了自主研制的無損檢測自動診斷程序工具包在空客飛機構件超聲檢測數據自動分析和缺陷自動識別與定征中的應用,該套工具實現了飛機結構零部件的自動化檢測數據分析和缺陷評定,顯著提高了飛機零件檢測效率、縮短了生產周期。

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圖21  基于超聲相控陣技術的自動定量檢測儀器及其應用

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圖22  渦流自動檢測儀器應用于飛機結構防腐保護層檢測

德國的FRACKOWIAK等[63]報道了兆赫茲脈沖渦流紅外熱成像技術在飛機發動機渦輪葉片檢測中的應用,利用該技術可分別對葉片涂層的裂紋、剝落、分層和基體結構裂紋等多種缺陷進行高分辨力的成像檢測(如圖23);BULLINGER等[64]報道了空客采用射線層析成像技術檢測飛機大型復合材料構件弧形、拐角部位缺陷的應用案例(如圖24),此類部位采用超聲技術難以檢測。

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圖23  兆赫子脈沖紅外熱成像技術應用于渦輪葉片檢測

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圖24  射線層析成像技術應用于飛機大型復材構件檢測


澳大利亞的HENKEL等[65]報道了AMAG rolling在2005年至2015年期間采用大型水浸超聲相控陣C掃描系統快速檢測大尺寸鋁板結構的應用情況,AMAG rolling向世界各主要飛機制造商供應鋁板結構用于飛機零部件制造,是世界上首個應用超聲相控陣C掃描系統的機構之一,并于2015年安裝了新型的超聲相控陣系統(如圖25)以進一步提高產量和生產效率。

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圖25  水浸超聲相控陣C掃描系統應用于大尺寸鋁板檢測

烏克蘭的UCHANIN等[66]通過分析飛機結構鋁合金零部件老化降質導致的機械性能參量變化及其與渦流電導率間的量化關系,提出了基于渦流電導率測量方法和儀器的鋁合金零件降質檢測方法,并應用于老舊飛機結構鋁合金零件老化降質機械性能的無損檢測與監測評估。

波蘭的WACHLACZENKO等[67]報道了一種非接觸葉片振動測量方法(TTM,Tip Timing Method)在發動機葉片無損檢測與結構監測中的應用,并已通過二十多年的應用實踐驗證了該方法在飛機發動機葉片疲勞裂紋檢測與監測方面的有效性。

3.2  核能結構檢測技術

在核能結構檢測方面,德國的SCHMITTE等[68]報道了一種用于核廢料儲存罐快速自動檢測的大型超聲相控陣檢測設備(如圖26)。

該設備采用7臺128通道相控陣儀器同時控制13個超聲相控陣換能器,激勵、接收不同聚焦深度和偏轉角度的橫波和縱波進行扇形掃描成像,利用門式掃描機構帶動相控陣換能器組在儲存罐表面沿軸向運動并由旋轉機構帶動儲存罐作周向旋轉運動,實現核廢料儲存罐整體結構的自動掃描檢測。

PAVLOVIC等[69]以缺陷檢出率(POD,Probability of detection)作為指示參量分析了應用超聲相控陣技術檢測核燃料儲存罐銅質殼體的可靠性,提出除缺陷幾何特征外,材料的細觀顆粒尺寸和缺陷表面特征等參量也會顯著影響POD指標,需要進一步分析各相關參量對POD指標的影響,建立包含全部影響參量的POD計算與評估模型。

法國的DOBIGNY等[70]報道了一種基于柔性矩陣超聲換能器和關節機器人技術的自動檢測設備(如圖27),該設備利用柔性換能器的型面適應性和超聲相控陣技術的聲束可控性能夠實現核設施大型復雜構件的自動掃描檢測。

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圖26  核廢料儲存罐大型超聲相控陣自動檢測設備

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圖27  基于柔性矩陣超聲換能器的自動檢測設備

3.3  鐵路檢測技術

在鐵道檢測方面,中國的PENG等[71]報道了超聲相控陣技術在高鐵車軸檢測中的應用,提出一種車軸結構界面回波各向異性擴散校正算法,顯著提高了車軸結構缺陷檢出率和檢測效率。

美國的DESAI等[72]報道了超聲相控陣技術在高鐵車輪結構表層和內部缺陷檢測中的應用。德國的BETHKE等[73]報道了一種應用于鐵路車軸在役檢測的超聲相控陣檢測系統,該系統可實現車軸結構在不拆解條件下的快速檢測,顯著縮短了檢測時間,維護周期更短、成本更低。

KNAM等[74]報道了一種應用于鐵路車輪制造過程檢測的超聲自動檢測系統(如圖28),該系統采用超聲相控陣技術檢測車輪邊沿和輪轂部位,采用常規噴水超聲技術和雙臂關節機器人對車輪其他部位進行掃描成像檢測。

德國的VO?LZ、西班牙的GAUNA和中國的GAO等[75-77]報道了基于不同角度、類型超聲換能器的高鐵空心車軸多通道超聲自動檢測系統及其應用。

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圖28  鐵路車輪制造過程超聲自動檢測系統

3.4  管道檢測技術

在管道檢測方面,俄羅斯的ARTEMYEV等[78]報道了一種應用于帶有內部減阻覆蓋層的金屬管道的非接觸漏磁檢測設備(如圖29)。該設備采用低硬度的聚氨酯板將漏磁檢測裝置與管內減阻覆蓋層隔離以避免損傷覆蓋層,并采用輪式車帶動環形布置的漏磁檢測裝置沿管道軸向運動檢測管壁腐蝕和焊縫裂紋等缺陷。

法國的PIRON等[79]報道了3D激光掃描成像儀在管道外壁腐蝕和機械損傷三維可視化成像檢測中的應用(如圖30),實現了管道外壁結構的自動化檢測并顯著提高了檢測效率。

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圖29  用于帶減阻覆蓋層金屬管道的非接觸漏磁檢測設備

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圖30  基于3D激光掃描成像儀的管道外壁檢測

3.5  土木工程結構檢測技術

在土木工程結構檢測方面,日本的YAGI等[80]報道了超聲相控陣技術在金屬橋梁板面和焊縫疲勞裂紋缺陷檢測中的應用;SUGIMOTO等[81]報道了一種用于混凝土結構內部裂紋和孔洞等缺陷檢測的非接觸聲學檢測方法,該方法采用由3200個頻率40.35kHz超聲單元構成的大功率聲源遠距離發射聲波,采用激光測振儀遠距離探測聲信號,根據探測聲波信號的振動速度譜表征缺陷。

瑞士的CORBETT等[82]報道了基于干式耦合多通道換能器的脈沖反射式超聲檢測儀器在混凝土結構壁厚和彈性模量測量以及孔洞和分層等缺陷檢測中的應用(如圖31),指出采用干耦合超聲換能器降低了檢測成本并更為簡單方便,同時提出采用干式耦合超聲換能器的局限性主要包括:超聲頻率在kHz量級,近場盲區較大,無法檢測近表面缺陷和尺寸較小的缺陷;檢測距離較短,通常在1m左右,并受混凝土結構質量和金屬含量影響較大。

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圖31  應用于混凝土結構檢測的干式耦合超聲換能器

美國的GUCUNSKI等[83]報道了一種應用于混凝土橋梁板面結構無損檢測與質量評價的自動化機器人系統(如圖32)。該系統采用了電阻率法、雷達法、超聲脈沖反射法、聲表面波法和目視法,其中電阻率法和雷達法用于檢測腐蝕缺陷并評估腐蝕速率;超聲脈沖反射法用于檢測分層缺陷;聲表面波法用于測量混凝土結構彈性模量進而評價結構質量;目視法采用兩臺攝像機對板面結構進行高分辨率成像檢測可見缺陷并評估修復質量。

比利時的AGGELIS、NGUYEN等[84,85]報道了聲發射技術在混凝土結構監測中的應用。德國的LO?HR等[86]報道了聲發射技術在橋梁結構檢測和金屬構件監測中的應用。

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   圖32  應用于混凝土橋梁檢測的自動化機器人系統

未完待續....

本部分參考文獻:

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作者簡介:

周正干,男,1967年出生,博士,教授,博士研究生導師。主要研究方向為無損檢測與計算機測控技術。

E-mail: z***@buaa.edu.cn

孫廣開(通信作者),男,1984年出生,博士,博士后。主要研究方向為無損檢測與計算機測控技術。

E-mail: g***@buaa.edu.cn



 
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