无损检测技术在机械工业中的应用和发展

袁作彬

(湖北民族学院 理学院,湖北 恩施 445000)

无损检测技术在机械工业中的应用和发展

袁作彬

(湖北民族学院 理学院,湖北 恩施 445000)

无损检测技术利用物理原理和化学现象来进行检验和测试.与传统的检测技术相比，它具有非破坏性、安全、可靠等优点.在工业应用中，无损检测正越来越受到人们的关注和重视.在相关资料的基础上，总结常用无损检测技术的特点及优缺点，介绍该技术在机械工业领域的几种典型应用，并着重介绍了几种新的无损检测技术以及无损检测技术的新发展.

无损检测技术；机械工业；应用；发展

随着科学和工业技术的迅速发展，对产品质量的要求越来越严格，尤其是随着动力机械和高压容器向高速、高温、高压方向的发展，对产品内在缺陷尺寸提出了精确的定量要求.在机械工业中，很容易出现缺陷，也很容易被带入后续加工过程，给产品性能带来隐患.无损检测是利用声、光、电、热、磁和射线等与被测物质的相互作用，在不损害被检验对象的内外部结构和使用性能的前提下，应用多种物理原理和化学现象，对工业生产中工程零部件、材料、结构件等进行有效地检验和测试，根据检测结果来评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能.无损检测技术的应用十分广泛，已在机械制造、汽车、石油化工、造船、航空航天和核能等工业领域中广泛采用.无损检测技术成为材料和产品的静态和动态检测以及质量管理中不可缺少的重要环节[1-5].

在机械生产过程中，常出现一些影响产品质量的缺陷，很容易被带入后续加工(例如锻造、轧制、挤压等)的产品中，成为危及产品使用性能的隐患.常见的缺陷包括：夹渣、夹杂、偏析、气孔、缩孔、疏松、裂纹等，都容易引起产品质量缺陷.将无损检测技术应用于机械工业，有利于产品质量管理、质量鉴定和在役检查[3,6].

常用的无损检测技术有：①射线检测法;②超声检测法;③磁粉检测法;④渗透检测法;⑤涡流检测法.此外，声振检测法、声发射检测技术、电磁超声检测、超声全息照相法、热和红外检测、微波无损检测、激光全息照相法等无损检测新技术也得到了发展和应用.本文对常用无损检测技术和无损检测新技术特点进行了归纳，对无损检测技术在机械工业的应用和发展进行了介绍.

1 常用无损检测技术在机械工业中的应用[1,3,7-10]

1.1 射线检测法

射线检测法是利用射线在材料中的透射性能及在不同材料中射线强度衰减程度的不同，检测出工件的缺陷.X射线和γ射线是一种电磁辐射.在射线检测中应用的射线主要是X射线、γ射线和中子射线.射线衰减是由于射线光子与物质相互作用产生光电效应、康普顿效应、汤姆逊效应和电子对的产生，使射线被吸收和散射而引起的.当射线通过物质时，随着贯穿行程的增加，则射线的衰减越严重，即物质越厚，射线衰减的程度越大.射线衰减的程度不仅与透过物质的厚度有关，而且还与射线的性质和物体的性质有关.射线的波长越小，衰减越小，物质密度及原子序数越大，射线衰减也增大.这种关系不是简单的线性关系，而是指数关系的衰减.射线的检测方法主要有透视照相法、X射线荧光屏观察法、电离检测法和电视观察法以及正在发展的X射线计算机层析摄影法等.

将受到不同吸收程度的射线投射到胶片上，再经显影后，可得到物体厚度与工件内部缺陷情况的照片.如果利用荧光屏代替胶片，还可更加直接观察被检物体的内部情况.利用射线检测法，可获得永久记录，可供日后再次检查，射线功率可调.但X射线设备的一次投资大，不易携带也不安全，要保护将被照射的设备.

在机械工业中，常用射线在线检测气缸铸件的质量，特别是用来检测微小气孔、疏松、缩孔、针孔、溶剂夹渣、氧化夹渣、夹砂等缺陷，并用于进行精确尺寸测量，也可用于气缸盖、铝活塞等铸件的检测；射线还常用于检测焊件的不连续性(包括裂纹、气孔、未熔合、未焊接、夹渣)以及腐蚀和装配缺陷，最适合检查工件厚壁的体积型缺陷.

目前世界上一些科技发达的国家都在竞相研究CT技术.在上世纪末已完成了第五代CT的研制工作，已发展出近千种CT产品，适用于各行各业，其中包括射线源类型与射线强度、探测器、数据采集技术、图像重建技术、图像处理技术和扫描传动机构等方面.

1.2 超声检测法

超声检测法是利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理性能.超声波检测法利用了介质的声学特性(如声速、衰减系数、声阻抗等)与某些待测的工业非声学量(如强度、弹性、硬度、密度、温度、粘度、浓度、流量、流速和厚度等)之间存在的某种函数关系或相关性，并探索这些量之间的关系，以便通过这些声学量来测定工业非声学量.当声源产生的超声波以一定方式进入到待测物体，超声波与缺陷相互作用，使其传播方向或特征改变，改变后的超声波通过设备装置检测，对检测信号进行处理和分析，根据接收的超声波特征，评估被检测的物体内部是否存在缺陷及其特征.在超声检测中常用的频率为几兆赫(通常范围为0.5～5 MHz).

超声检测法对平面型缺陷十分敏感，一经检测便知结果；并且易于携带；且多数超声检测仪不必外接电源，穿透力强，但作为耦合传感器，要求被检表面光滑；但难于探出细小裂缝，要有参考标准，为解释信号，要求检验人员素质高.

常用来检测材料制造过程中形成的缺陷缩孔、疏松、夹杂与偏析，金属热加工过程中形成的白点、裂纹和晶粒粗大，铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、末熔合、未焊透等缺陷及厚度测定.如在机械工业中，金属材料焊接过程中形成的气孔、夹渣、裂纹、未焊接、未熔合、未焊接等缺陷；管材中的裂纹、夹层、夹杂、折叠和翘皮等；钢板中的夹层、分层、白点和裂纹等；超声检测还广泛应用在汽车零件的质量检测，排气门、气门弹簧、缸体和镶圈铝活塞等都是汽车发动机的重要零部件，在恶劣条件下承受着复杂的交变应力，因此在装配之前必须进行严格的检测.

近年来出现了声-超声、激光超声、超声全息、超声衍射波时差、超声相控阵和电磁超声等超声检测新技术，进一步拓宽了超声检测技术的应用，随着计算机技术的发展，将会使得超声检测技术得到了更广泛的应用.

1.3 磁粉检测法

磁粉检测法是通过磁粉在物体缺陷附近形成的漏磁场中的堆积情况来检测物体表面或近表面处的缺陷的无损检测方法.当材料或被测工件被磁化后，如果被测工件表面或近表面存在裂纹、冷隔等缺陷，便会在该处形成一个漏磁场，这个漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加的磁粉，而形成缺陷显示.因此，磁粉检测首先是对被测工件加外磁场，工件被磁化后，在工件表面均匀喷洒微米级的磁性颗粒，如果被检工件没有缺陷，则磁粉在工件表面均匀分布，如果被检工件有缺陷，磁粉将被小磁极吸引，缺陷处堆积比较多的磁粉，缺陷就被显示出来.为了使磁粉图像便于观察，可以采用与被检工件表面有较大反衬颜色的磁粉.为了提高灵敏度，还可以用荧光磁粉，在紫外线照射下，更容易观察工件中的缺陷.

被检测物体必须具有铁磁性，随着缺陷深度的增加，其检测灵敏度迅速减低，工件表面缺陷处的漏磁强度与缺陷深度几乎成正比关系，缺陷深度越长，越容易显示，缺陷深度与宽度之比很重要，缺陷的深度与宽度之比越小，则引起的漏磁越少，两者之比小于或等于1时所引起的漏磁极少，不容易引起磁痕.

磁粉检验法具有经济、简便、设备较轻便的优点，但限于铁磁材料，检测工件前后必须清洁，因为涂覆层太厚会引起假显示.某些应用中，还要求检测之后给工件退磁.常用来检测工件表面或近表面裂纹、折叠夹层、夹渣及冷隔等.

1.4 渗透检验法

渗透检测法是一种用来检测材料表面和近表面开口缺陷的无损检测技术.利用黄绿色的荧光渗透液或红色的着色渗透液对狭窄缝隙良好的渗透性，经过渗透清洗、显示处理以后显示放大了的探伤显示痕迹，用目视法来观察，对缺陷的性质和尺寸做出适当评价.将被检测工件涂上具有高度渗透能力的渗透液，由于渗透液的润湿作用和毛细现象，渗透液渗入到工件表面缺陷中，将除工件缺陷外的多余渗透液清洗干净后，再涂一层亲和吸附力强的白色显像剂，将渗入裂缝中的渗透液吸出来，就会在白色涂层上便显示出缺陷的形状和位置鲜明的图像，从而达到了无损检测缺陷的目的.

渗透检测法不受材料磁性的限制，比磁粉检测法的应用范围更加广泛.渗透检测法应用于各种材料及零件的表面缺陷的检查，除了表面多孔材料外，几乎一切材料的表面开口缺陷都可以应用液体渗透法获得满意的检测结果.

渗透检测法具有设备轻便、简单，原理简明易懂，经济，显示缺陷直观，结果易解释，除光源需电源外，其它设备都不需电源等优点.由于缺陷容易被涂料、污垢等表面层掩盖，空隙表面的漏洞也能引起假显示，所以检测前后必须清洁工件.渗透检测法只能检测开口暴露于表面的缺陷，而且操作工序繁杂等缺点.渗透检验法用于检测表面不连续性，如裂纹、气孔及缝隙等.渗透检测对大型工件和不规则零件的检查以及现场机件的检修检查，更能显示其特殊的优点.

渗透检测法现在已经达到了成熟应用的阶段.国内外一直在研究高灵敏度和具有广泛适用范围的渗透试剂，而且还在降低和减少毒性，使之标准化、系列化、商品化.近年来，采用光导摄像管扫描和计算机进行数据处理，提高了效率及检测准确性和重现性.

5 涡流检测法

涡流检测法是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法.涡流检测是以电磁感应理论为基础的.一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器.高频交变电压发生器给检测线圈提供激励电流，从而形成一个激励磁场，这个交变磁场在工件中感生出涡流，涡流又产生一个削弱和抵消激励磁场变化的磁场，而涡流磁场中包含了工件有无缺陷的信息.检测线圈用来检测工件中涡流磁场的变化，也就是检测工件性能的好坏，检测到的信息用可用指示器显示出来.

与其它无损检测方法比较，涡流检测具有更容易实现自动化的优点，特别是对管、棒和线材等型材有着很高的检测效率.具有较经济、简便，不需耦合，探头不必接触试件的优点.但仅限于导体材料，且穿透浅，因灵敏度随试件几何形状而异，所以有些显示被掩盖了，因此要有参考标准.

常用于检测材料表面的不连续性(如裂纹、气孔、未熔合等)和某些亚表面夹渣，如金属管材的探伤、材质检验、混料分选、涡流测厚等.

2 无损检测技术在机械工业中的发展

20世纪70年代以来计算机技术不断向无损检测领域渗透，使得无损检测仪器的性能得到了很大的提高.无损检测技术在机械工业领域中的应用也越来越广泛[7,9-14].

随着材料科学、电子技术、计算机技术等基础学科的发展，不断产生了无损检测的新技术和新方法，主要包括：激光全息、声振、微波、声发射、红外、电磁超声等检测技术.激光全息和声振用于检测蜂窝结构、复合材料、胶结结构等；微波适用于检测增强朔料、陶瓷、树脂等，也适用于检测各种胶接结构和蜂窝结构的分层、脱粘、金属加工工件表面粗糙度、裂纹等.声发射用于焊接工程中对焊缝质量的实时检控和压力容器的在役检测.红外用于点焊焊点质量、铸模、轴承质量等检测，也可用于火车车轮轴承过热的测量.电磁超声无损检测将超声波探伤的应用扩展到高温、高速和在线检测领域[10,13-15].

3 结语

无损检测技术已经被广泛采用在机械工业的产品设计、机械加工、机械制造、成品检验、以及在役检测等阶段，在各个领域发挥了重要的作用，在机械工业中受到的重视程度也越来越高.无损检测技术的发展水平，成为一个国家工业水平高低的重要标志，也是现代企业开展全面质量管理工作的一个重要标志.

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ApplicationandDevelopmentofNondestructiveTestingTechnologyinMechanicalIndustry

YUAN Zuo-bin

(School of Science,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Nondestructive testing technology uses the theory of physical and chemical phenomena for inspection and testing. Compared with traditional detection technology, nondestructive testing technology has such advantages as nondestructiveness,safety and reliability.Nondestructive testing technology is increasingly applied in industry. In this paper, the features, advantages and disadvantages of commonly used nondestructive testing technology are summarized on the basis of related materials. Several typical applications of this technology are introduced in mechanical industry, and several new nondestructive testing technologies and the development of nondestructive testing technology are introduced.

nondestructive testing technology; mechanical industry; application; development

2013-03-13.

湖北省教育厅B类项目(B20082902).

袁作彬(1966- )，男，副教授，硕士，主要从事机械设计及磁控溅射制备功能薄膜研究.

TJ765.4+1

A

1008-8423(2013)02-0228-04