艦船制造維修中的無損檢測新技術

　　1引言

　　隨著艦船構造復雜化、模塊化、信息化、智能化程度的提高，對艦船維修的手段和技術提出了更高的要求。作為艦船維修手段和技術之一的無損檢測方法正發揮著越來越重要的作用，這在很大程度上取決于以下幾個方面：人們對艦船構造質量意識、安全意識的提高;對艦船現役設備健康狀況的了解和對其壽命預測的需要;計算機技術的發展推動傳統無損檢測技術發展;現代信息處理技術為無損檢測技術注入新的活力;傳統的無損檢測技術不能滿足艦船特殊構件檢測的需要，等等。

　　目前，在艦船維修中，檢測方法有：

　　(1)人工目視、耳聽、鼻聞、手摸等。這種方法簡單、直觀，但對于人的感官難于觸及的構件檢測，傳統的方法是無能為力的。如艦船管道外面有包覆層、絕熱層，傳統的方法檢測前必須拆開包覆層、絕熱層，必須對管道表面進行清潔處理，并且艙室內管道繁多，許多情況下艙室內的惡劣條件無法對管道實施檢測。

　　(2)表面檢驗。用以顯示或驗證表面或表層缺陷的存在，可供采用的方法有磁粉法、液體滲透法、渦流法等，這些方法的主要缺陷是必須對構件表面進行預先的清潔處理，耗時長，檢測效率低，另外，對不規則的構件表面檢測比較困難。

　　(3)體積檢驗。用以查明表面下缺陷以及缺陷深度、大小等，通常包括超聲波、射線照相檢驗等技術，超聲波檢測屬于點接觸式檢測，需要耦合劑，容易漏檢，對人的操作技術水平要求高，效率也較低;射線檢測主要是對人的身體有害，必須有很嚴格的保護措施。

　　綜上所述，根據艦艇維修的特點及檢測方法現狀，有必要對無損檢測新方法進行研究。無損檢測新技術應該具備以下功能或特點：可以克服常規無損檢測方法的局限性，實現非接觸、大范圍或長距離的快速檢測;可以克服艦船構件有油污，或彎曲，或有包覆層等限制性條件;可以對難于接觸或到達的構件進行檢測;可以在不拆掉艦船構件包覆層的情況下，對艦船構件各種缺陷進行準確判斷和精確定位，縮小維修范圍，避免不必要的拆卸和更換，降低人工檢測強度，節省人力和物力。

　　2無損檢測新技術

　　無損檢測新技術與常規老技術是相對而言的，傳統的常規的檢測技術若能夠賦予新的內容就可稱為新的。超聲、射線、渦流等是傳統的檢測方法，但隨著物理、機械、電子、材料學科和計算機技術、傳感器/換能器技術、信號處理技術、缺陷識別技術的發展與融入，正在不斷得到新的發展和應用[1]。目前，無損檢測新技術主要有：靜電傳感器技術、空氣耦合傳感器方法、電磁聲傳感器方法、激光超聲方法、光全息攝影或干涉技術、磁致伸縮傳感器方法、混合超聲技術等，本文主要簡述幾種較流行的無損檢測新技術[2]。

　　2.1空氣耦合

　　超聲波浸潤檢測是一種研究許多材料性能的比較流行的技術。然而，使用水作為耦合介質在某些場合又不太適用。如被檢測材料吸收水，或者被污染的地方或者浸水反而會有損材料。于是，使用空氣作為耦合介質引起了人們的極大的興趣。然而，超聲波在空氣中衰減比在水中大得多，尤其對于頻率高于1MHz或更高時。因此，人們把注意力集中在設法改進傳感器的設計以提高其靈敏度和帶寬。

　　目前，最常用的空氣耦合傳感器是基于壓電或靜電設計。壓電空氣耦合傳感器使用通常的壓電陶瓷元件，其主要問題是聲阻抗不匹配，導致發射和接收的效率很低，為了減少能量損失，通常使用匹配層材料，然而理想的聲阻抗匹配材料很難找到。另一種方法是通過改變傳感器所用的壓電材料自身的機械和電氣性能以提高發射和接收的效率。而由電容(或靜電)設計的空氣耦合傳感器比壓電型傳感器的頻率帶寬要寬，能量相對比較容易耦合到被測物體中，在電容傳感器里面通常安裝有固體支撐板，并用聚合物薄膜拉伸，此結構很好地改變了聲阻抗不匹配的問題。#p#分頁標題#e#

　　空氣耦合超聲波傳感器主要優點是使用空氣耦合介質可以避免弄臟被檢測物體，不需液體耦合劑可以實現快速掃描。其主要局限性在于靈敏度較低。人們正不斷地尋找合適的低阻抗、低衰減的匹配材料，輔以適當的匹配電路，頻率可達兆赫茲，換能器的性能將極大提高。因此，這必將推動超聲波技術在機器人控制、材料無損評價以及其它方面的應用和發展。

　　2.2電磁聲

　　電磁聲方法是基于渦流和磁場的交互作用，利用電磁聲探頭產生和接收超聲導波。它是將高頻電流通入靠近被檢金屬表面的發射線圈中，在金屬表面的趨膚層內感應出相同頻率的渦流，若同時在金屬表面施加一個磁場，金屬中的渦流在磁場的作用下就會產生一個與渦流頻率相同的力，即洛侖茲力。洛侖茲力帶動金屬材料晶格的振動，并在工件內傳播就形成了聲波。由于電磁超聲方法不使用耦合介質，所以它可用于高溫、高速、表面粗糙工件的檢測。另外，電磁超聲的頻率由發射線圈中的交流電頻率決定，所以它很容易調整檢測頻率，以適應不同的檢測對象和檢測要求。而壓電超聲的檢測頻率由壓電晶片的固有頻率決定，在不更換探頭的情況下，無法變更頻率，這一點無法與電磁超聲相比。

　　電磁聲傳感器一般分為兩種：洛侖茲力式和磁致伸縮式。根據被檢測對象材料特性不同，我們可以選取不同型式的傳感器。對于非磁性導電材料的檢測，一般選用洛侖茲力式電磁聲傳感器，因為在此材料中聲波的產生是洛侖茲力作用在材料晶格上的結果。對于磁性導電材料的檢測，根據檢測的實際情況，洛侖茲力式和磁致伸縮式電磁聲傳感器可能都要利用。因為在磁場的作用下，存在磁致伸縮力，再加上洛侖茲力同時影響離子的運動。在磁性材料中，電磁場能改變材料的磁致伸縮系數，從而產生周期變化的磁致伸縮應力迭加在洛侖茲力產生的應力上。在應用高的磁場強度使材料達到磁飽和以后，洛侖茲力成為產生聲波的唯一原因。磁致伸縮力在磁場比較小的時候占主導地位，要比相同磁場作用下洛侖茲力機理產生的聲波幅值強得多。因此，在磁場比較小的時候，用磁致伸縮式電磁聲傳感器檢測靈敏度比較高，在磁場強度很大以致使材料達到磁飽和的時候，用洛侖茲力式電磁聲傳感器檢測靈敏度比較高。

　　使用電磁超聲檢測的材料必須具有導電性或鐵磁性，或導電性和鐵磁性都具有，這是其應用的局限性之一;另外，EMAT的工作距離比較有限，通常只有幾個毫米。EMAT相對壓電傳感器來說，主要不足是其效率比較低。直到最近，這點不足限制了EMAT在超聲檢測中的應用。但是，EMAT是目前流行的主要無損評價技術之一。因為它具有幾大優點：無需耦合劑;可非接觸操作;可高溫操作;可利用SH波檢測以及適合發射和接收瑞利波、Lamb波和SH波。隨著計算機技術、電子技術、信號處理技術等的發展，EMAT技術將在各種應用領域得到不斷的改進和發展。

　　2.3激光超聲

　　在常規的超聲檢測中，由于超聲波換能器本身帶寬的限制及換能器與試件之間的耦合等因素影響，無法產生很窄的單個超聲脈沖，而激光超聲技術可以重復產生很窄的超聲脈沖，在時間和空間均具有極高的分辨率。在固體中激光激發超聲波的主要機理是熱彈性膨脹和試件表面材料熔化、蒸發而形成沖擊力兩種。若照射到試樣表面的激光能量不足以使表面熔化時，試樣內超聲波脈沖主要是由于試樣吸收光能發生熱彈性膨脹而產生的。若激光能量足以使照射材料的表面熔化時，材料汽化產生沖量作用于表面，產生了一個法向作用力，激發出幅值較大的超聲波。固體中激光超聲波信號的檢測主要采用換能器法檢測和光學法檢測。換能器法檢測靈敏度較高，但帶寬有限，不適合檢測寬頻帶的激光超聲信號。而光學檢測法可很好解決上述問題。由于激光超聲不需任何耦合劑，能夠用于粉末、多孔材料，膠體及薄膜等通常接觸式換能器不能激發超聲的材料的檢測。激光超聲對被測試件的要求較低，對表面粗糙、曲率大和幾何形狀十分復雜的物體均能檢測。但有一些問題須進一步解決。一是由激光能量到超聲能量的轉換效率問題。要提高激光超聲的強度，可以加大激光輻射能量，但不能太大，否則會損傷被測試件表面。二是激光超聲信號檢測靈敏度問題。由于換能器不太適合檢測激光超聲信號，所以應發展光學檢測法。光學檢測法特別適合于窄脈沖激光產生的寬頻帶超聲信號檢測，但光學檢測法比換能器檢測靈敏度低，因此提高光學檢測法的靈敏度是目前發展趨勢之一。激光可以在不同形狀的試件中激發超聲波且是非接觸的，易于在高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環境下進行超聲檢測，適合于超薄材料的檢測和物質微結構的研究。#p#分頁標題#e#

　　2.4磁致伸縮技術

　　鐵磁體在外磁場中被磁化時，其外型尺寸會發生變化，即產生磁致伸縮應變，從而在鐵磁體內激發彈性導波。反過來，鐵磁體在受到磁致伸縮激勵力的作用下，其磁性將發生變化，即導致鐵磁體的磁導率或磁阻的變化，從而引起導波的反射、透射等。導波在傳播過程中，鐵磁體內各部分均發生變化，與此相應，其磁導率也將發生變化，它反過來使波的傳播特性也發生變化，進而導致鐵磁體內磁感應強度發生變化，根據法拉第電磁感應定律，而變化的磁感應強度必定引起接收線圈中的電壓變化，通過測量電壓信號——導波的反射情況，即可檢測出鐵磁體構件中是否存在腐蝕、裂紋、破損等缺陷。也可以簡單的歸納為：導波產生——基于磁致伸縮效應：即鐵磁性材料在外磁場的作用下，其實際的外型尺寸將發生小的改變;導波檢測——基于磁致伸縮逆效應：即鐵磁性材料受到機械應力(或應變)時，其磁感應強度將發生變化。

　　磁致伸縮無損檢測技術的優點是裝置簡單，操作容易，價格適中，適用于鐵磁性、非鐵磁性、鐵氧體等物質，能夠實現非接觸、大范圍、長距離、快速檢測。

　　2.5混合超聲

　　由于每一種無損檢測方法有其自身的優勢和不足的地方，因此，人們想出了結合幾種無損檢測方法的優勢，實行優勢互補，可稱為混合超聲檢測技術。有人使用激光產生超聲波圖像，并用壓電空氣耦合傳感器檢測缺陷信號;有人開發了混合窄帶激光激勵和氣耦合檢測超聲波的檢測系統，適合于在線過程控制應用;有人利用脈沖激光作為激勵源，用電磁聲傳感器EMAT檢測鋼板的焊縫缺陷，可以實現非接觸、快速檢測;有人利用激光在材料表面激勵表面波、縱波和剪切波，并用EMAT檢測返回來的波，等等。

　　3結束語

　　與其它學科和工程技術一樣，每種無損檢測技術除了有其自身的發展規律和特點外，存在一個共同的規律，即優點于不足并存，迄今為止，幾乎每種無損檢測方法都或多或少存在技術上的不足和應用領域的局限性。但是，正因為這樣，無損檢測技術自身不斷發展和完善才是無損檢測新技術創新的動力源泉。隨著微電子技術、計算機技術和與無損檢測相關學科的飛速發展，無損檢測技術比以往任何時候都會有更加快速的發展。當前，艦船裝備發展正處于一個轉型期，由高能耗、高污染向綠色、可持續方向發展，因此，艦船維修技術的提高比以往任何時候都更需要無損檢測新技術。無損檢測新技術正向智能化、自動化、圖像化、數字化、小型化、系列化、多功能化、信息化和交叉領域前沿方向發展。相信無損檢測新技術在今后不久艦船維修領域取得比以往更加輝煌的成就。