舰船制造维修中的无损检测新技术

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1引言
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　　随着舰船构造复杂化、模块化、信息化、智能化程度的提高，对舰船维修的手段和技术提出了更高的要求。作为舰船维修手段和技术之一的无损检测方法正发挥着越来越重要的作用，这在很大程度上取决于以下几个方面：人们对舰船构造质量意识、安全意识的提高;对舰船现役设备健康状况的了解和对其寿命预测的需要;计算机技术的发展推动传统无损检测技术发展;现代信息处理技术为无损检测技术注入新的活力;传统的无损检测技术不能满足舰船特殊构件检测的需要，等等。

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& P) `+ Z1 u- C1 R8 `　　目前，在舰船维修中，检测方法有：
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　　(1)人工目视、耳听、鼻闻、手摸等。这种方法简单、直观，但对于人的感官难于触及的构件检测，传统的方法是无能为力的。如舰船管道外面有包覆层、绝热层，传统的方法检测前必须拆开包覆层、绝热层，必须对管道表面进行清洁处理，并且舱室内管道繁多，许多情况下舱室内的恶劣条件无法对管道实施检测。

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　　(2)表面检验。用以显示或验证表面或表层缺陷的存在，可供采用的方法有磁粉法、液体渗透法、涡流法等，这些方法的主要缺陷是必须对构件表面进行预先的清洁处理，耗时长，检测效率低，另外，对不规则的构件表面检测比较困难。


2 i( c+ P& l8 S! T; Q　　(3)体积检验。用以查明表面下缺陷以及缺陷深度、大小等，通常包括超声波、射线照相检验等技术，超声波检测属于点接触式检测，需要耦合剂，容易漏检，对人的操作技术水平要求高，效率也较低;射线检测主要是对人的身体有害，必须有很严格的保护措施。
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0 S  g5 O- o, v, O　　综上所述，根据舰艇维修的特点及检测方法现状，有必要对无损检测新方法进行研究。无损检测新技术应该具备以下功能或特点：可以克服常规无损检测方法的局限性，实现非接触、大范围或长距离的快速检测;可以克服舰船构件有油污，或弯曲，或有包覆层等限制性条件;可以对难于接触或到达的构件进行检测;可以在不拆掉舰船构件包覆层的情况下，对舰船构件各种缺陷进行准确判断和精确定位，缩小维修范围，避免不必要的拆卸和更换，降低人工检测强度，节省人力和物力。

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　　2无损检测新技术
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　　无损检测新技术与常规老技术是相对而言的，传统的常规的检测技术若能够赋予新的内容就可称为新的。超声、射线、涡流等是传统的检测方法，但随着物理、机械、电子、材料学科和计算机技术、传感器/换能器技术、信号处理技术、缺陷识别技术的发展与融入，正在不断得到新的发展和应用[1]。目前，无损检测新技术主要有：静电传感器技术、空气耦合传感器方法、电磁声传感器方法、激光超声方法、光全息摄影或干涉技术、磁致伸缩传感器方法、混合超声技术等，本文主要简述几种较流行的无损检测新技术[2]。


1 s$ g% B7 f3 ]( K　　2.1空气耦合
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　　超声波浸润检测是一种研究许多材料性能的比较流行的技术。然而，使用水作为耦合介质在某些场合又不太适用。如被检测材料吸收水，或者被污染的地方或者浸水反而会有损材料。于是，使用空气作为耦合介质引起了人们的极大的兴趣。然而，超声波在空气中衰减比在水中大得多，尤其对于频率高于1MHz或更高时。因此，人们把注意力集中在设法改进传感器的设计以提高其灵敏度和带宽。
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+ g( S8 i8 u6 Z1 B0 Y. z　　目前，最常用的空气耦合传感器是基于压电或静电设计。压电空气耦合传感器使用通常的压电陶瓷元件，其主要问题是声阻抗不匹配，导致发射和接收的效率很低，为了减少能量损失，通常使用匹配层材料，然而理想的声阻抗匹配材料很难找到。另一种方法是通过改变传感器所用的压电材料自身的机械和电气性能以提高发射和接收的效率。而由电容(或静电)设计的空气耦合传感器比压电型传感器的频率带宽要宽，能量相对比较容易耦合到被测物体中，在电容传感器里面通常安装有固体支撑板，并用聚合物薄膜拉伸，此结构很好地改变了声阻抗不匹配的问题。


3 |" b: V# p+ o! B$ E- \1 h　　空气耦合超声波传感器主要优点是使用空气耦合介质可以避免弄脏被检测物体，不需液体耦合剂可以实现快速扫描。其主要局限性在于灵敏度较低。人们正不断地寻找合适的低阻抗、低衰减的匹配材料，辅以适当的匹配电路，频率可达兆赫兹，换能器的性能将极大提高。因此，这必将推动超声波技术在机器人控制、材料无损评价以及其它方面的应用和发展。
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　　2.2电磁声
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9 W: v# O( _$ C4 k* m. n$ |; d　　电磁声方法是基于涡流和磁场的交互作用，利用电磁声探头产生和接收超声导波。它是将高频电流通入靠近被检金属表面的发射线圈中，在金属表面的趋肤层内感应出相同频率的涡流，若同时在金属表面施加一个磁场，金属中的涡流在磁场的作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即洛仑兹力。洛仑兹力带动金属材料晶格的振动，并在工件内传播就形成了声波。由于电磁超声方法不使用耦合介质，所以它可用于高温、高速、表面粗糙工件的检测。另外，电磁超声的频率由发射线圈中的交流电频率决定，所以它很容易调整检测频率，以适应不同的检测对象和检测要求。而压电超声的检测频率由压电晶片的固有频率决定，在不更换探头的情况下，无法变更频率，这一点无法与电磁超声相比。

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　　电磁声传感器一般分为两种：洛仑兹力式和磁致伸缩式。根据被检测对象材料特性不同，我们可以选取不同型式的传感器。对于非磁性导电材料的检测，一般选用洛仑兹力式电磁声传感器，因为在此材料中声波的产生是洛仑兹力作用在材料晶格上的结果。对于磁性导电材料的检测，根据检测的实际情况，洛仑兹力式和磁致伸缩式电磁声传感器可能都要利用。因为在磁场的作用下，存在磁致伸缩力，再加上洛仑兹力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，从而产生周期变化的磁致伸缩应力迭加在洛仑兹力产生的应力上。在应用高的磁场强度使材料达到磁饱和以后，洛仑兹力成为产生声波的唯一原因。磁致伸缩力在磁场比较小的时候占主导地位，要比相同磁场作用下洛仑兹力机理产生的声波幅值强得多。因此，在磁场比较小的时候，用磁致伸缩式电磁声传感器检测灵敏度比较高，在磁场强度很大以致使材料达到磁饱和的时候，用洛仑兹力式电磁声传感器检测灵敏度比较高。
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( N  p: f9 _) O  N& y* T　　使用电磁超声检测的材料必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有，这是其应用的局限性之一;另外，EMAT的工作距离比较有限，通常只有几个毫米。EMAT相对压电传感器来说，主要不足是其效率比较低。直到最近，这点不足限制了EMAT在超声检测中的应用。但是，EMAT是目前流行的主要无损评价技术之一。因为它具有几大优点：无需耦合剂;可非接触操作;可高温操作;可利用SH波检测以及适合发射和接收瑞利波、Lamb波和SH波。随着计算机技术、电子技术、信号处理技术等的发展，EMAT技术将在各种应用领域得到不断的改进和发展。


　　2.3激光超声
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2 a0 H8 O/ R* j/ H8 f+ U　　在常规的超声检测中，由于超声波换能器本身带宽的限制及换能器与试件之间的耦合等因素影响，无法产生很窄的单个超声脉冲，而激光超声技术可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率。在固体中激光激发超声波的主要机理是热弹性膨胀和试件表面材料熔化、蒸发而形成冲击力两种。若照射到试样表面的激光能量不足以使表面熔化时，试样内超声波脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。若激光能量足以使照射材料的表面熔化时，材料汽化产生冲量作用于表面，产生了一个法向作用力，激发出幅值较大的超声波。固体中激光超声波信号的检测主要采用换能器法检测和光学法检测。换能器法检测灵敏度较高，但带宽有限，不适合检测宽频带的激光超声信号。而光学检测法可很好解决上述问题。由于激光超声不需任何耦合剂，能够用于粉末、多孔材料，胶体及薄膜等通常接触式换能器不能激发超声的材料的检测。激光超声对被测试件的要求较低，对表面粗糙、曲率大和几何形状十分复杂的物体均能检测。但有一些问题须进一步解决。一是由激光能量到超声能量的转换效率问题。要提高激光超声的强度，可以加大激光辐射能量，但不能太大，否则会损伤被测试件表面。二是激光超声信号检测灵敏度问题。由于换能器不太适合检测激光超声信号，所以应发展光学检测法。光学检测法特别适合于窄脉冲激光产生的宽频带超声信号检测，但光学检测法比换能器检测灵敏度低，因此提高光学检测法的灵敏度是目前发展趋势之一。激光可以在不同形状的试件中激发超声波且是非接触的，易于在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究。
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　　2.4磁致伸缩技术


　　铁磁体在外磁场中被磁化时，其外型尺寸会发生变化，即产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发弹性导波。反过来，铁磁体在受到磁致伸缩激励力的作用下，其磁性将发生变化，即导致铁磁体的磁导率或磁阻的变化，从而引起导波的反射、透射等。导波在传播过程中，铁磁体内各部分均发生变化，与此相应，其磁导率也将发生变化，它反过来使波的传播特性也发生变化，进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化，根据法拉第电磁感应定律，而变化的磁感应强度必定引起接收线圈中的电压变化，通过测量电压信号——导波的反射情况，即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷。也可以简单的归纳为：导波产生——基于磁致伸缩效应：即铁磁性材料在外磁场的作用下，其实际的外型尺寸将发生小的改变;导波检测——基于磁致伸缩逆效应：即铁磁性材料受到机械应力(或应变)时，其磁感应强度将发生变化。
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: H) Q' |: @/ v7 ~. X　　磁致伸缩无损检测技术的优点是装置简单，操作容易，价格适中，适用于铁磁性、非铁磁性、铁氧体等物质，能够实现非接触、大范围、长距离、快速检测。
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2 f; F5 H6 w/ V$ ]2 ^  g6 y　　2.5混合超声
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# A' u7 q+ t6 v　　由于每一种无损检测方法有其自身的优势和不足的地方，因此，人们想出了结合几种无损检测方法的优势，实行优势互补，可称为混合超声检测技术。有人使用激光产生超声波图像，并用压电空气耦合传感器检测缺陷信号;有人开发了混合窄带激光激励和气耦合检测超声波的检测系统，适合于在线过程控制应用;有人利用脉冲激光作为激励源，用电磁声传感器EMAT检测钢板的焊缝缺陷，可以实现非接触、快速检测;有人利用激光在材料表面激励表面波、纵波和剪切波，并用EMAT检测返回来的波，等等。
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, t6 n" Z; T) o. i. K8 s　　与其它学科和工程技术一样，每种无损检测技术除了有其自身的发展规律和特点外，存在一个共同的规律，即优点于不足并存，迄今为止，几乎每种无损检测方法都或多或少存在技术上的不足和应用领域的局限性。但是，正因为这样，无损检测技术自身不断发展和完善才是无损检测新技术创新的动力源泉。随着微电子技术、计算机技术和与无损检测相关学科的飞速发展，无损检测技术比以往任何时候都会有更加快速的发展。当前，舰船装备发展正处于一个转型期，由高能耗、高污染向绿色、可持续方向发展，因此，舰船维修技术的提高比以往任何时候都更需要无损检测新技术。无损检测新技术正向智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、系列化、多功能化、信息化和交叉领域前沿方向发展。相信无损检测新技术在今后不久舰船维修领域取得比以往更加辉煌的成就。