超声波无损检测原理及应用

北京工业大学

研究生课程考试答题纸考试课程：材料加工理论基础Array

课程类别：专业学位课

研究生学号：S201409041

研究生姓名：乔巧

学生类别：硕士

考试时间：2014-12

超声波无损检测原理及应用Application and Prospect of Ultrasonic Nondestructive Test

学院：材料科学与工程

学号： S201409041

姓名：乔巧

指导教师：李晓延 (教授)

摘要

超声无损检测是物体无损检测的一种重要方法，几乎应用到所有工业部门。本文回顾了超声无损检测技术的发展历史，阐述了超声无损检测技术应用现状，并展望超声无损检测技术未来发展趋势。

Abstract: Ultrasonic nondestructive test is an important method of nondestructive test used in all the industries. This paper reviews the developmental history of such technology and discusses the present situation of its application and the future developmental tendency as well.

关键词：超声波；无损检测；无损探伤；无损评价

1 绪论

1.1 无损检测技术的发展概述及研究现状

1.1.1 无损检测的概念及发展概述

无损检测(nondestructivetest) 简称NDT。人们常常用手拍击西瓜判断是否成熟，检车工敲击车轴检查机车车轮是否能安全运行；医生用扣诊的方法诊断病情。这些都是常见的‘无损检测’。无损检测，就是在不损伤被检材料、工件或设备的情况下，应用某些方法来测定其物理性能、状态和内部结构，检测其不均匀性，从而判定其合格与否[1]。工业上最常用的无损检测方法有五种：超声检测(UT)、射线探伤(RT)、渗透探查(PT)、磁粉检测(MT)和涡流检测(ET)。超声检测原理是超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来。并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。超声波无损检测在近几十年中得到了较大的进展，它已成为材料或结构的无损检测最常用的手段。随着现代工业的发展，尤其是原子能、航空、航天技术的高度发展，无损检测技术越来越为人们所重视。各种测试技术及有关材料科学和物理科学的发展，也为无损检测技术的应用提供了新的可能性。材料和工件的无损检测与评价对于控制和改进生产过程中的产品质量，保证材料、零件和产品的可靠性，以及提高生产率等都起着关键性的作用。

纵观无损检测技术的发展，前后经历了三个阶段[2]。早期称为无损探伤(Non-destructive inspection，简称NDI)，它的作用是在不损坏产品的前提下，探测出人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的要求。超声波无损探伤(NDI)设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。用途是：检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度测定。优点有：对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果；易于携带；多数超声探伤仪不必外接电源；穿透力强。局限性是：藕合传感器要求被检表面光滑；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。

随着电子技术的迅速发展，使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。第二次世界大战期间，以声脉冲反射为基础的声纳设备在法国问世，并成功地用于水下潜艇检测。在声纳技术的基础上，美、英两国分别于1944年和1964年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。1964年后，由于电子元器件和电子技术设计的进步，使超声波探伤技术有了较大的改进。70年代计算机技术的发展及介入，不仅提高了设备的抗干扰能力，而且利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。80年代，随大规模集成电路和微机技术的快速发展。1983年德国队Knsutknmer公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USDI型，采用的是Z800cpu，尽管有许多不足，但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。

我国50年代初引进苏联超声波探伤仪，60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家，80年代初，国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术招标均有大幅度地提高，较好地满足了超声波探伤技术的需要。我国便携式数字化超声波探伤仪的研制随大规模集成电路的发展也已开始形成规模生产，并得到推广使用。如1989年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪(KS1010型)，并于1990年批量推向市场，与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪也研制成功并推向市场。汕头超声电子(集团)公司在1980年推出了CTS-22型超声波探伤仪，其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当，目前该公司已生产出智能式、手推式、便携式彩色、数字式的多种金属超声波探伤仪，其技术、质量、产销量均占全国首位。

第二阶段称为无损检测(Non-destructive Testing，简称NDT)，对于工业发达国家来说，这个阶段始于20世纪70年代，它不仅检测最终产品，而且要测量工程工艺参数，诸如温度、压力、密度、粘度、浓度、成分、液位和流量等。

超声无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测等优点。几十年来，超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业的钢铁工业，机器制造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门。目前大量应用于金属材料和构件，包括质量在线监控和产品在役检查。水平普遍提高，应用频度和领域也日益增多。

目前我国对各种大型结构压力容器和复杂设备都已具备检测能力。在裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声检测等方面都有很大进展。

核电工业虽然是我国的新兴工业，但超声检测已用于核电工业的各个方面。我国已能按业主的要求及标准的规定，使用国际先进的装备，执行国际通用标准，完成核电厂和核设施的役前及在役检查。

利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、供水、排水、废水处理、电力、石油、化工、冶金、矿山、环保、河流、海洋等计量中有着广泛的应用，不仅可用于流体，液体两相流的测量，还可用于气体流量测量，其研究已有数十年历史。1928年，法国路登(RUTTEN)研制成功世界第一台超声波流量计，直到50年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入人工测量时期，但由于电子线路技术太复杂，这种流量计未占有牢固地位。70年代后，由于集成电路技术迅速发展，使实用的超声波流量计得以迅速发展。进入80年代以后，随着电子技术，尤其是微电脑的发展，使超声波流量计的性能有很大提高，应用范围日趋扩大。美国Controlotron公司生产的480型宽声束超声流量计，不但可以从宽噪声信号等干扰中分辨出真实的流量信号，还能通过液晶屏显示流量随时间变化趋势图；美国Polysonics公司的便携式DDF3088型，固定式DDF4088型全数字化多普勒超声波流量计，适于高精度管外测量。日本富士电机制造公司的便携式超声波流量计，采用TCL(频差法)原理，内装CPU进行温度自动补偿，精度1.5%。国内华中理工大学研制成功(1993)超声波多普勒智能流量计；本溪无线电一厂生产的多普勒超声波流量计是80年代定型的产品，用于洪水和油田等场合；开封仪表厂能源部南京自动化研究所、长沙电子仪器二厂等生产厂家和研究单位均有相应的产品。此外，目前用超声波进行压力检测的仪器已研究成

功。

同济大学声学研究所是国内主要声学研究机构之一，是中国声学学会检测声学分会和上海市声学学会挂靠单位，在国内最早开展超声工业测量、超声无损检测等领域的研究。在超声方面，声学研究主要围绕具体工业检测要求进行。例如，1966年开展超声液位测量、浓度测量、承接炼油厂油库液位、新安江水库液位以及援助阿尔巴尼亚的液位测量任务，还承担二机部原子能源原材料液位测量任务。混凝土超声检测方面，1976年，在CTS-10型超声检测仪的基础上研制成功晶体管式混凝土超声波检测仪，并转让汕头超声仪器公司，定型为“CTS-25型非金属超声检测仪”，成为全国主要检测混凝土仪器。

第三阶段称为无损评价(Non-destructive Evaluation，简称NDE)，它不仅仅满足于对缺陷的精确测量，也不仅仅局限于对缺陷检出后，用断裂力学的方法进行寿命评定。NDE更强调对材料的性能及结构完整性做出全面而客观的评价。无损评价就技术路线而言，是在材料的力学性能、微观结构与无损检测参量之间建立相关，并借鉴有损或无损测试手段获得的信息，进而对材料进行有效的评价，因此NDE更具综合性，在材料研究中发挥的作用也更加突出。

超声无损评价主要包括：①微观组织结构及形态变化的描述；②弹性系数和声弹性能的评估；③不连续性及缺陷的测定；④力学性能变化及恶化的评价。超声无损评价是在超声损伤与超声无损检测基础上发展起来的。其研究手段更加先进和多种多样，研究成果与现代工业生产结合得更为紧密，因而在社会效益和经济效益方面都具有很大的潜力。例如离心球墨铸铁管的检测，是由具有150多年的历史的英国Clannycrors铸管和铸件公司，在1986年已经采用了超声无损检测技术，实现了对离心球墨铸铁管的在线实时检测与评价。这种方法效率高，速度快，并且有其它方法无可比拟的优越性。

在第九届APCNDT(亚洲和太平洋地区无损检测)会上，德国富朗霍夫研究所推出的；用超声波显微镜对金属包覆层材料压合面特征的研究，为改进压合工艺提供了可靠参数。汕头超声波研究所发表的DGS曲线带宽的计算机模拟，为解决DGS曲线近场理论曲线和实验曲线的长期不吻合，并为探头参无损检测技术的另一个发展是从一般无损评价(NDE)向自动无损评价(ANDE)和定量无损评价发展(QNDE)发展，逐步减少人为因素的影响，改用计算机来进行检测和分析，其智能程度和可靠性程度大大提高，检测手段也将更加多样、先进。

1.1.2 无损检测的方法

无损检测的方法很多，最常用的有超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测等[3]，近年来还出现了一些新型的检测方法，如红外检测、激光全息检测、声振检测，金属磁记忆方法等等。

超声检测是利用超声波射入被检物体，根据声波遇到缺陷反射回来的声讯号的不同，或声波在传播过程中衰减特性的不同，来判断物体内部缺陷的有无。它可以检测垂直于超声波的金属和非金属材料的平面状缺陷，也可检测大型锻件。超声检测具有可探测厚度大，检测灵敏度高，操作方便，成本低廉，对人体无害等优点;缺点是检测时有一定的近场盲区，检测结果不能记录。

射线检测是利用各种射线源对材料的透射性能及不同材料对射线衰减程度的不同，使底片感光成黑度不同的图像来观察的。射线检测可用来检测产品内部的气孔、夹渣、铸造空洞等立体缺陷。其优点是检测结果科记录下来作为档

案资料长期保存，检测图像比较直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易;缺点是当裂纹面与射线近于垂直时就很难检出，且对微小裂纹的检测灵敏度低，生产费用大，对人体有害，需要防护设备。

磁粉检测是利用强磁性材料磁化后，磁力线遇到裂纹等缺陷时，会绕过缺陷而产生磁漏的现象来发现缺陷的。磁粉检测设备简单、操作方便、对于表面缺陷检测灵敏度高，缺陷较为直观;缺点是对物体内部缺陷不敏感。渗透检测是利用液体渗透的物理性能，首先是着色渗透液或荧光渗透液射入表面开口的裂纹内，然后清除表面的残液，用吸附剂吸出裂纹内的渗透液，从而显现出缺陷图像的一种检测方法。渗透检测不受材料种类的限制，可检查除多孔性材料外的几乎所有固体材料的表面缺陷，并具有检测灵敏度高，使用方便的优点;缺点是不能检测产品内部缺陷，试剂对环境有污染，具有一定的毒性。

涡流检测是用电磁线圈使被测材料内部由于电磁感应形成涡流，然后利用不同材质或缺陷的存在会改变涡电流的强弱、形成不同涡流磁场的原理来检测材料缺陷的。它能检测钢铁、有色金属、石墨等导电材料的表面和近表面缺陷，操作简单，成本低，仪器简单易携、适于现场检测;缺点是只能检测导电材料，对内部缺陷不敏感。

综上所述，在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表面缺陷，对试件内部的裂纹则不敏感。射线检测法虽然可以检测内部缺陷，但是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的防护设备，从而大大限制了该方法的应用范围。

超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。它不仅对

平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无害，检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛。

1.1.3 我国无损检测技术的发展现状

我国的无损检测技术随着现代化工业水平的提高，己经取得了很大的进步，建立和发展了一支训练有素、技术精湛的无损检测队伍，同时，建立了一批生产无损检测仪器设备的专业工厂。尽管我国的无损检测技术和仪器设备的水平，从总体上仍落后于发达国家十五至二十年，但一些专门的仪器设备(如X 射线探伤仪、多频涡流仪、超声波探伤仪等)都逐渐采用电脑控制，并能自动进行信号处理，大大提高了我国的无损检测技术水平，逐步缩短我国无损检测技术水平与发达国家的差距。

1.2 超声波检测的研究现状及应用领域

1.2.1 超声波检测的概念和研究现状

超声波检测(UT)是无损检测的一种常用方法，它利用超声波来对材料和工件进行检验和测量。超声波检测技术与其它无损检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度

快、对人体无害及便于现场使用等优点。因此，超声检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术[4]。随着计算机和信息处理技术的迅速发展，超声检测的可靠性和直观性也大为提高。当前，超声检测技术已经有了若干进展[5]，广泛应用于工业生产各个部门，无论航空航天和国防工业，还是铁路、桥梁、石油、化工、电厂和矿山等，都在尽可能地采用超声检测技术来提高产品质量和保证安全运行，并已取得了显著的经济效益和社会效益。

我国超声检测技术的研究、应用和仪器研制队伍正在不断扩大，技术水平不断提高，表明我国超声检测技术发展已经走出低谷，向新的高峰攀登。预计随着新一代全数字化超声仪器和功能强大的信号处理软件的问世，尤其是人们对超声

检测技术理论的更深层次的研究与认识，超声检测技术将经历一个更高层次的发展阶段，获得更为广泛的应用。

1.2.2超声波检测的应用领域

超声检测技术的应用领域目前主要有[6]:

1)金属材料和构件质量在线监控和产品的在役检查。如钢板、管道、焊缝、

压力容器、核元件及集成电路引线的检测等。

2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料

等，超声检测技术已成为复合材料检测的支柱。

3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验，包括对其内部

缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。

4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。

5)核电工业的超声检测。我国已能按标准，使用国际先进设备，执行国际通

用法，完成核电厂和核设施的役前及在役检查。

6)其它方面的超声检测。如医学诊断及其它新领域和行业中超声检测的逐步

应用和探索。

第2章 超声波无损检测系统

超声检测是一种常规的无损检测技术，它利用超声波在材料中传播时，遇到界面（如裂纹、气孔缺陷）反射回来声讯号的特征，或声能在不同介质中衰减特征不同等性能，通过电子显示仪器显示出反射波（或透射波）信号或图形，对被检对象进行检测[7-10]。超声检测的基本原理如图1所示。

2.1 超声检测方法及原理

按声波类型区分，超声检测可以分为连续波法和脉冲波法，连续波法中又分为透射法和谐振法；在脉冲波法中可以分为脉冲反射法和脉冲透射法两种。下面简单介绍三种较常用的检测方法。

2.1.1 脉冲反射法

2.1.1.1 工作原理 脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧光屏上。基本原理和波形如图2所示。

当工件中无缺陷时，接收波形如图2-a)所示，荧光屏上只有始波T 和底波B ；当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波F 出现，F 波在时基轴上的位置取决于缺陷声程L f ，可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射，从而使底波高度下降，如图2-b)所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。

产生用于检测的超声信号 与介质（包括介质中缺陷）相互作用 超声信号的接收、处理和显示 检出介质特性和缺陷 发射 传播 接受 判别 图 1 超声检测过程的基本原理

图 2 无缺陷试样和由缺陷试样中的超声回波

a) 完好试样b) 缺陷试样

2.1.1.2 脉冲反射法的特点与透射法相比，脉冲反射法有以下优点：

1)灵敏度高，当反射声压达到晶片起始声压的1%时即能检侧，因此，可发现

较小的缺陷；

2)缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即调

节时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷定位就准确；

3)适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测；

4)操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下的

检测作业带来了极大的方便和灵活性。

但脉冲反射法也有一定的不足之处：

1)存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用；

2)对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不到

缺陷回波信号，容易造成漏检；

3)因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不适用。

2.1.2 脉冲透射法

2.1.2.1 工作原理脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧，并使两个探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦合，这样就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当试件中无缺陷时，荧光屏上显示始波T和具有一定幅度的回波脉冲B；当有小缺陷时，声波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成的声影大于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲T，无回波信号，如图3所示。

图表3超声穿透法示意图

a) 无缺陷试样b) 有缺陷试样

2.1.2.2 脉冲透射法的优缺点脉冲透射法的主要优点：

1)工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件；

2)与缺陷取向无关，不管缺陷取向如何，只要它遮挡声束传播路径，接收探头

就能发现；

3)在透射法中，声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。

脉冲透射法的缺点：

1)探测灵敏度低，仅当入射声压变化大于20％以上时，才能被接收探头检出；

2)不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小；

3)对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，因而操作

不方便。

2.1.3 共振法

依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法。若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试样的厚度为超声波的半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振，一起显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，由以下公式算出试件厚度：

σ=nλ

2=nC

2f0

=nC

2(f n?f n?1)

(1)

式中f0 ——工件的固有频率

F R，F R-1——相邻两共振频率

C ——被检试样的声速

λ——波长

δ——试件厚度

n ——共振次数

当试样内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。当测得共振频率f和共振次数n后，即可求出厚度。由于共振法设备简单，测量精确，常用于壁厚测量。此外，若工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共振现象消失或共振点偏移，可利用此现象检测复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。

2.2 超声波无损检测技术的发展趋势和主要功能

科学技术的发展会带动我国的生产力水平的提高，同时也会促进技术的研发，超声波无损检测技术就是因为科学技术的不断发展，才实现了检测的目标，在检测的过程中，可以结合现代化的技术来提高检测的效率和结果的准确性。超声波无损检测技术实现了无损试件的检测要求，提高了检测的质量和水平，应该得到社会各界的关注，扩大检测的范围。

2.2.1 超声波无损检测技术的发展趋势

在超声波无损检测技术应用的过程中，需要很多理论知识的支持，检测时

也对检测的方法和工艺流程有严格的要求，这些规范的检测方式使超声波无损

检测的结果可以更准确。发现检测缺陷时，技术人员应用非接触方式的检测技术，运用激光超声来提高检测的效果，所以未来超声波无损检测技术一定会向

着自动化操作的水平去发展。自动化的检测方法可以简化检测工作，实现专业

检测的目标，扩大超声波无损检测技术应用的范围，同时随着超声技术的应

用，在检测的过程中，也会实现数字化检测的目标，利用超声信号来处理技术

的应用，使检测技术可以实现统一使用的要求，同时数字化操作的检测过程也

会提高检测的准确性，有利于检测技术的发展。所以超声波无损检测技术将会

实现全面的现代化操作要求，利用现代化科学技术的发展，来规范超声波无损

检测的检测行为，也具备了处理缺陷的功能，提高了检测的效率。

2.2.2 超声波无损检测技术系统的主要功能

目前，我国超声波无损检测主要应用的技术是脉冲反射式的检测方法，这

种技术的应用可以准确的定位缺陷出现的位置和形式，具有非常高的灵敏度，

简化了技术人员检查缺陷的工作，完善了技术标准。脉冲反射式的检测技术还

具有非常高的灵活性和适用性，可以适应超声波无损检测的要求，并实现一台

仪器检测多种波形的检测工作。根据脉冲反射式的检测技术要求，可以实现缺

陷检查的功能、操作界面切换显示的功能、显示日历时钟的功能，在实际的检

测过程中功能键的使用也非常方便，简化了技术人员的操作过程，并且脉冲反

射式技术具有灵敏度高的功能，使其可以及时的发现检测过程中出现的缺陷，

有利于技术人员进行检修的工作，提高了检测工作的工作效率。

2.2.3 系统主要功能的技术指标

脉冲反射式技术在使用的过程中有很多的要求，其中要满足功能使用的技

术指标，从而实现规范化的操作标准。反射电压的电量要控制在400伏，实现

半波或者射频的检波方式，检测的范围要在4000-5000毫米之间，只有满足了

这些技术标准才能合理的设置出技术应用的框架。同时在超声波无损检测技术

应用的过程中有严格要求的电路设计，如果不能满足技术的指标要求，那么在

实际检测的过程中，会存在很大的风险，会对技术人员造成严重的生命安全威胁。所以在检测工作实施之前，必须要按照相关的技术指标来合理的构建检测的环境，提高检测工作的安全性，保障检测工作可以顺利的进行。

2.3超声波无损检测技术检测的方法和缺陷的显示

2.3.1 超声波无损检测技术检测的主要应用方法

超声波无损检测技术的检测方法按照具体的分类可以分为很多种，从检测的原理进行分析，超声波无损检测技术应用的主要方法是穿透法、脉冲反射法、共振法，按照检测探头来分类，检测的主要方法有单探头法、双探头法、多探头法，按照检测试件的耦合类型来分类，检测的主要方法有液浸法、直接接触法。这些具体的方法可以满足很多情况下的检测工作，并且提高了检测结果的准确性，完善了超声波无损检测技术的检测要求，所以技术人员要根据具体的检测环境和试件的类型来选择正确的检测方法，通过方法的应用要提高检测工作的效率，降低缺陷出现的可能。随着我国现代化科学技术的不断发展，人们对检测技术的应用也提出了更高的要求，检测工作的检测范围也越来越广，同时要求在对试件检测的过程中，不可以损坏试件的质量和性能，同时还要保准检测结果的准确性，所以技术人员要严格的按照检测标准，完成检测的工作，要对检测的方法进行改善，使其可以满足时代发展的要求。

2.3.2 缺陷的显示

在超声波无损检测技术检测的过程中，会出现不同类型的缺陷，主要分为A、B、C三种类型的显示，在工业检测的过程中，A类显示是应用最广泛的一种类型，在显示器上以脉冲的形式显示出来，对显示器上的长度和宽度进行标记，从而当超声波返回缺陷信号时，可以在屏幕上明确的显示出缺陷出现的位置。B类显示是通过回波信号来完成显示的过程，回波信号发出时会点亮提示灯，通过显示器的显示可以观察到缺陷出现的水平位置，这种类型的显示比较直观，有利于技术人员的观察和分析。C类显示是通过反射的回波信号来调制显示的内容，通过亮灯和暗灯来显示接收的结果，检测到缺陷时会出现亮灯，因此技术人员只需要观察灯的变化，就可以判断缺陷出现的情况。所以在实际检测的过程中，技术人员一定要认真观察缺陷出现的位置和内容，从而制定出科学合理的改善方案，来降低缺陷出现的可能，提高超声波无损检测技术检测的效果。

2.3.3 缺陷的定位

对于脉冲反射式超声检测技术来说，显示器的水平数值变化就是缺陷出现的位置，这时技术人员要对缺陷出现的位置进行定位，从而可以分析在检测过程中出现缺陷的环节。根据反映出的缺陷声波，经过计算，得出准确的缺陷产生的位置。

3 超声波无损检测技术在航空航天复合材料结构的发展趋势

新型高性能复合材料的研发在国内外已经成为一个热点，多种新型复合材料的优异性能已得到了验证与普遍认可，并在航空航天领域发挥越来越重要的作用。随着材料工艺的成熟及产品质量的提高，高性能复合材料在航空航天领域的使用比例大幅度提升（波音787“梦想”飞机的复合材料用量已达结构质量的50%）[11]，有些甚至已代替金属成为某些核心部件的主要结构材料，从而使航空航天技术的发展有了质的飞跃。在航空航天领域已得到应用的新型复合材料主要包括纤维增强复合材料（CFRP, GFRP, GLARE）、夹芯结构复合材料(蜂窝夹芯复合材料、泡沫夹芯复合材料)、耐高温复合材料（C/C复合材料、C/SiC复合材料）等，此类材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量和耐腐蚀等优异性能。碳纤维增强复合材料(CFRP)已广泛应用于雷达罩、客机机身、机翼、垂尾和方向舵等构件。图4a)和图4b)分别为波音787复合材料机身及机翼后缘。蜂窝夹芯复合材料以高弹性模量、隔音、隔热和防潮等特性用于雷达天线罩、发动机隔音板、客机机身、直升机旋翼叶片和机舱地板等。图5为Mi-24型直升机旋翼叶片结构。纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMC)以耐高温、抗氧化、抗烧蚀、良好的高温机械性能等特性逐渐代替金属成为新一代航空、航天器的高温热结构材料，典型应用包括航空发动机燃烧室、涡轮、火箭发动机喷管等耐高温关键件、大型客机和新型军用飞机的新一代高速刹车片等。图6为液体火箭发动机C/SiC喷管在高空台试车。橡胶包覆金属材料以其优异的耐腐蚀性能应用于火箭发动机燃料筒[12-14]。

图 4 波音787飞机的典型复合材料构件

图 5 Mi-24型直升机旋翼叶片结构

图 6 液体火箭发动机C/SiC喷管在高空台试车

工艺材料特性和服役条件等都是影响复合材料构件中产生缺陷的重要因素，当缺陷尺寸达到某一量值时，会导致构件性能显著下降，采用无损检测技术对新型复合材料构件进行检测及质量评价以确保其完整性是制造及服务环节的重要内容。由于航空航天新型复合材料制造成本高、结构特殊和使用环境特殊等特点，对无损检测技术提出了更苛刻，更有针对性的检测条件和检测要求，包括不能使用耦合剂、检测空间狭小、构件尺寸大、结构复杂、检测高效和检测结果实时直观等。研究与新型复合材料技术发展水平相适应的无损检测技术，针对不同检测条件及检测要求提出合理的检测与评价方法已成为国内外研究人员需要思考的新课题。

多种非接触检测技术的迅速发展为解决上述检测要求提供了新思路，已有多种非接触检测技术为航空航天制造及维护提供服务，各方法以其独特的技术优势在不同领域、不同检测目的应用中发挥巨大作用，这类技术在新型复合材料生产及维护中的质量评价及对环境有特殊要求的检测任务中（高温、高压、核辐射、腐蚀等）具有显著优势和应用潜力。非接触无损检测技术的应用可以大大提高检测效率，节约维护成本、缩短型号研制周期，此类技术主要可分为基于机械振动的空气耦合超声检测技术，基于光学的红外热像技术、散斑干涉技术、全息成像、太赫兹技术、超导量子干涉技术（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）等，以及激光超声、电磁超声等混合技术[15-16]。本文结合航空航天技术的发展趋势及该领域对新型复合材料的检测需求，对目前研究较热且在该领域具有较大应用潜力的空气耦合超声检测技术、红外热像技术、激光超声检测技术、散斑干涉技术的技术特点、研究进展与应用情况进行综述，最后展望非接触无损检测技术的发展趋势，为此类技术在航空航天领域

的研究与应用提供一定的参考和借鉴。

3.1 非接触无损检测技术研究进展

3.1.1 空气耦合超声检测技术

空气耦合超声检测技术是一种以空气作为耦合介质的非接触声学检测方法，除了耦合介质差异外，在超声激发与声传播机理方面与传统超声检测技术相比差异不大。该技术具有非接触、良好的检测分辨率、易实现自动化、适合原位检测和技术较成熟等优点，但是该技术一般采用点对点的扫查方式使得检测效率较低，同时超声衰减导致接收信号的信噪比较差。

空气耦合条件下，由于空气同检测对象之间巨大的声阻抗差及空气对高频声波的高吸收率，造成超声接收信号微弱且信噪比低，提高空气耦合条件下接收信号强度及信噪比是该技术发展及应用所面临的首要难题。国内外重点研究方向包括新型高性能空气耦合超声换能器、低噪声激励接收放大装置、新型检测方法、激励信号编码技术及数字信号处理技术等。空气耦合超声换能器是决定空气耦合超声检测技术发展水平的关键，按换能方式可分为压电型和电容型（或静电型）两类。近年来针对压电换能器研发出的多种高性能换能材料（如聚合物复合材料）和声匹配膜材料，使压电换能器具有更低的声阻抗，同时具有低密度、多孔、良好的高频机电响应、低声阻抗（0.028-0.040MRayl）、低介电损耗和机械损耗的高性能声匹配膜材料的应用，包括多孔聚丙烯铁电体膜材料（polypr ferroelectric films）、硅橡胶、聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）等，使得压电换能器换能效率大幅提升（普遍提高30dB以上），频率也已拓展到60kHz~2MHz[17-19]，其应用非常广泛。由于新型电容型换器（capacitive microfabricated ultrasonic transducer，CMUT）较传统压电换能器而言机电转换效率更高，具有高灵敏度、宽频带、良好的声阻抗匹配特性是空气耦合超声换能器发展的新趋势[20]。图7和图8分别为电容型空气耦合超声换能器构成原理及换能器结构。

图7 电容型空气耦合超声换能器构成原理

图8电容型球面聚焦膜空气耦合超声换能器

激励与接收放大系统是空气耦合超声检测系统的重要组成部分，现已研制出电压峰峰值在500~800V的高性能低噪声空气耦合超声换能器激励放大系统，结合空气耦合换能器内部的超低噪声前置放大器，可使接收信号放大到100dB 以上，满足了大多数材料的检测需求[21-22]。检测方法研究方面穿透法检测技术已很成熟且应用

广泛南伊利诺斯州立大学Stonawski使用225kHz换能器从厚度36.33mm的C/C复合材料刹车盘中可靠地识别出了直径为12.7mm的人工平底孔[23]。Kazys 等使用470kHz换能器对GLARE3-3/2复合材料中直径为25mm预置分层缺陷进行了检测对Ｃ扫描结果使用-6dB法求得缺陷直径为22mm[24]。使用空气耦合超声同侧检测技术可以检测蜂窝夹芯材料中的损伤缺陷可确定分层及损伤缺陷的类型尺寸及位置该技术满足了快速原位检测的需要１７超声信号数字化处理技术滤噪及脉冲压缩处理技术等是提高接收信号信噪比的重要手段Sasaki等利用一种幅值调制信号驱动40kHz窄带换能器获得了高信噪比的回波信号测距精度可达0.02mm(0.1~0.5m内)[25]雷达技术中常用的线性非线性调频脉冲压缩技术相位编码脉冲压缩技术在超声检测领域的应用使检测信号信噪比大幅度提升国内在频率调制脉冲压缩方法的研究方面也已获得了实用化研究成果已将线性调频非线性调频相位编码脉冲压缩技术应用到CFRP/GFRP复合材料空气耦合超声检测中能检出材料中脱粘夹杂等缺陷[26]

空气耦合超声技术最先于20世纪20年代用于南极冰盖厚度的测量(频率在20~100kHz之间)。过去40年来，该检测技术发展非常迅速，已被证明是检测与评价纤维增强复合材料(CFRP,GFRP,GLARE)、蜂窝夹芯/泡沫夹芯结构材料、金属、耐高温陶瓷材料等质量的有效手段[27-29]。此方法不仅可以用来评价泡沫夹芯复合材料中蒙皮与泡沫芯之间的脱粘、层压复合材料中的内部分层缺陷，还能检测C/C复合材料刹车盘中的夹杂和不均匀缺陷。空气耦合超声检测技术已在航空航天新型复合材料检测中得到应用，实现了波音737机翼后缘蜂窝夹芯材料、A320副翼、波音737尾翼、黑鹰直升机旋翼、泡沫夹芯材料及相应构件的检测[30-31]。图9为采用该技术检测波音737机翼后缘德国无损检测技术研究所的HFUS2400 AirTech系列、美国Ultran 公司的NCT、NCG系列换能器及SecondWave M510系统、QMI公司的AS系列换能器及ＡAirScan SONDA007CX

检测系统、Japan Probe公司NAUT21检测系统等都已具有非常优异的检测性能，并已应用在航空航天特殊材料及其构件的质量评价中。

图表9波音737机翼后缘的检测

3.1.2 激光超声检测技术

1926年两位法国科学家证明了脉冲激光束可在固体和液体中激发出声波，后来基于该原理发展出光学、热学、声学等多学科交叉的激光超声检测技术获得巨大发展。由于采用球面透镜或柱面透镜容易将激光束聚焦为点源或线源，给材料表面激发出聚焦点声源或线声源提供了便利，光导纤维还可以将激光引导至难以接近的区域，这为复杂形状构件的检测及大型构件远程在线检测奠定了很好的技术基础[32]。激光超声脉冲宽度可达到纳秒级，因此具有很高的微小缺陷探测能力，激光扫描速度比机械式扫描快很多。但该技术的接收信号受光声转换效率的影响很大，同时激发的宽带信号特性给缺陷特征信号识别带来一定难度。

该技术研究的重点是激光超声信号激发机理、超声信号接收及检测方法等。固体中激光激励超声波的机理较复杂，国内外主要关注热弹效应和热烧蚀效应，当功率密度较小的激光束照射到固体材料表面时，由于照射区域内热量高度集中产生热弹效应，导致材料沿表面的快速膨胀并向材料内部传播而激励出超声波。当激光功率密度大于材料损伤阈值时，材料表面因烧蚀效应瞬间气化，并激发出超声波，该效应会激发出较强的纵波、横波和表面波，但会造成材料表面一定深度的烧蚀，只适用于部分场合。激光源产生的超声脉冲是一种宽带窄脉冲（带宽可扩展到100MHz以上）。因此一般要求是宽带的信号接收系统，常用的超声信号接收方法可采用光学传感器（干涉法和光束偏转法），检测方法以干涉法（包括零差、外差、迈克尔逊、法布里－珀罗马赫－曾德尔等）为主，还可以采用宽带超声传感器（压电型或静电型）、电磁传感器等[33]。激光超声主要面临的问题包括能量转换效率低、检测灵敏度低[34]。提高激光激励能量或采用连续激光激发容易造成材料表面烧蚀，因此结合其他方法建立新型混合技术是研究的新思路。激光与空气耦合超声换能器相结合的检测技术是一种简便的超声激励与接收方法，可实现复合材料及金属构件中垂直方向裂缝及裂开型缺陷的检测，对飞机上的热塑性复合材料中近表面裂纹缺陷检测效果优异。该技术还可以激发和检测体结构中的纵波、横波、固体界面漏表面波和薄板中的Lamb波。针对不同的检测对象选择合理的声波模态进行分析，可快速获得不同检测结果[35-38]。图10所示为采用激光干涉系统测量气固界面漏表面波。

图10激光干涉系统测量气固界面漏表面波

由于树脂基复合材料对激光的吸收能力较强，激光超声转换效率能满足检测要求，因此应用该技术可实现CFRP复合材料、层压复合材料、蜂窝夹芯材料（CFRP或GFRP蒙皮中缺陷的检测）[39]。洛克希德·马丁公司已采用Laser UT

激光超声检测系统对F-22复合材料进气道JSF机翼传力结构等部件进行检测检测效率大大提高还可实现飞机引擎和机翼的质量评估[40]图11为Laser UT激光超声系统检测F-22复合材料进气道iPhoton公司的iPLUS大型机器人激光超声检

测系统已应用于新一代大型客机A380、A350XWB等机型复杂结构复合材料构

件的自动快速检测。国内南京大学北京航空航天大学等已将该技术应用于复合材料内部典型缺陷及钻孔分层缺陷的检测[41]

图11 Laser UT激光超声系统检测F-22复合材料进气道

未来无损检测要向检测速度更快、检测结果更直观可靠、检测流程更便捷、检测系统更廉价的方向发展。我国航空航天事业发展如火如荼，同时也正面临着对高端新型检测技术的供需矛盾，随着新材料技术、大规模集成电路及高端微机械加工技术的发展与进步，非接触无损检测技术将具有很大发展潜力，并将在未来航空航天及新材料等领域获得广泛应用。

4 超声波无损检测在蜗壳焊缝质量检测中的应用

金属蜗壳是水轮机的一个重要组成部分，随着机组型号越来越大，蜗壳尺寸也随之增大，整个金属蜗壳必然分为多节，每节由多个瓦片组成，必然涉及到多个瓦片的拼装以及管节的组对，存在多条纵缝及环缝。金属蜗壳的质量主要取决于焊缝质量，采用何种无损检测方法检查焊缝质量，在焊缝内部无损检测可选用超声波检测(代号UT)或射线检测(代号RT)方法。由于射线检测(代号RT)对环境要求高，对检测人员身体有可能造成伤害，加之经济成本比较高，因而焊缝内部无损检测一般采取超声波检测(代号UT)。

一般的焊缝内常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止，超声波检测还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。

超声波无损检测主要是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷、检测几何特性、测量组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术，主要是基于超声波在试件中的传播特性。

4.1 气孔

4.1.1 缺陷波在探伤仪荧光屏上的显示

单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头即消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。

4.1.2 气孔产生的原因

焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成空穴由于气孔的存在，焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。产生气孔的主要原因是坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹，焊条或焊剂未按规定进行烘焙，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等

4.1.3 防止产生气孔的主要措施

选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘的水份、油污和锈迹，严格按规定保管、清理和烘焙焊接材料，不使用变质的焊条。当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制其使用范围。