无机非金属材料超声检测研究进展

无机非金属材料超声检测研究进展

董梅花

610326198107150026

摘要：特殊压力设备(锅炉、压力容器、压力管道)通常在高温、苛刻的高压工作条件下，加上腐蚀、易燃/易爆介质、有毒介质，工作条件下很可能出现缺陷，可能导致故障腐蚀回收是特种压力设备常见的失效方式之一，测量设备壁厚是保证特种压力设备安全、评估设备使用寿命的重要手段。在此基础上，下面综述了无机非金属材料超声检测的研究进展，以供参考。

关键词：无机非金属材料；超声检测；研究进展

引言

在社会发展需求不断升级的今天，各种各样的高新科技如同雨后春笋般纷纷涌现，超声无损检测技术正是其中比较具有代表性的一种技术，它能够在许多特殊结构的内部质量检测当中发挥作用。而金属材料焊接成型技术更是在人们的日常生活中以及工业化生产中占据着重要地位，保证了我国金属加工业的顺利发展。利用超声无损检测技术对金属材料焊接成型进行检测，具有一定的积极作用。

1金属材料超声无损检测原理

金属材料进行超声波检查，其基本原理是先向超声波传感器发送电脉冲，超声波传感器将电信号发送到超声波，超声波信号在探针发送后进入测量部分。超声波遇到金属材料的不连续部分时，会发生反射，传感器会收集发射回波，并将其转换为电信号。收集、处理和分析信号数据，根据信号特性确定金属材料中存在的缺陷类型和位置。超声波探头主要由超声波传感器、反射镜和旋转连接器组成。在裂纹缺陷检测过程中，计算机不断收到超声波探头的实时反馈，分析和处理信号数据，根据信号特性判断缺陷类型和位置，并显示收集的数据和处理结果。

2技术优点及局限性

首先，根据实际应用情况，相比于传统有损检测技术以及磁粉检测、涡流检测等无损检测技术，超声检测技术有着声波穿透能力强、灵敏度高、设备轻便、操作简单、缺陷定位准确、适用面广、指向性强、检测精度不受环境条件影响、成本低廉的优势。例如，超声无损检测技术既可以用于检测厚度值在1～2mm的金属板材、薄壁管材等材料，同时，也可用于检测数米长度、厚度的钢锻件。其次，无损检测技术也存在着一定程度的局限性，包括需要额外使用耦合剂、复杂形状与不规则外形材料的检测精度有限、检测质量受材料材质与晶粒度因素影响、检测结果显示不直观等。例如，超声检测结果由衰减系数、速度、声强等特征信息组成，无法直接反映金属材料内表质量，而是需要检测人员对特征信息进行处理，绘制波形图与导入计算公式，方可识别材料是否存在质量缺陷，检测精度受到人为因素影响，对检测人员的专业素养有着较高要求。

3无机非金属材料超声检测研究进展

3.1陶瓷材料缺陷的超声检测研究

在航天航空、精密机械、石油化工、国防科技等领域对陶瓷材料要求具有高可靠性、高强度、强耐磨损性及高化学稳定性等。由此，对陶瓷材料缺陷的检测非常重要。陶瓷材料缺陷超声检测是对材料声学特性和物理特性充分研究清楚的基础上，对于异常孔隙或异常杂质的研究。超声波无损检测可以实现微小缺陷（80~100µm）的检测，当缺陷与波长之比非常小时，缺陷表现出球面波的特性，因此能以较低频率检测微小缺陷。综合考虑陶瓷材料缺陷的大小（10~60µm）与检测频率的关系，常用检测频率为1~100MHz。

3.2检测金属焊接中存在的微观缺陷

超声无损检测技术的应用价值不容忽视，除了在金属材料材质检测、金属材料宏观缺陷检测方面能够发挥作用之外，它还能在一些不容易被发现的、比较细微的微观缺陷检测中扮演重要角色。结合金属材料焊接成型的实际经验来看，所谓的微观缺陷一般是焊接工艺不到位、技术人员操作不合理等造成的，一些焊接人员由于缺乏丰富的工作经验、没有专业化培训背景等原因，并不能在进行金属材料焊接成型的过程中合理控制温度以及环境状态等，这就可能会给金属材料焊接效果造成影响。如在进行金属材料焊接成型的过程中，工作人员需要利用高温对焊接位置进行加热并利用焊料等进行连接，但是这并不意味着可以无限升高焊接温度，过高的温度可能会让金属材料除焊缝以外的位置发生融化，进而影响到焊接成型的效果。因此工作人员需要在保证焊接效果的基础上，对焊接位置温度进行合理控制，但是在控制不当的情况下，就可能导致细微的微观缺陷。目前我国的金属材料焊接成型技术已经比较完善，精密金属加工业也越来越成熟，在加工精密的金属零部件的时候，工作人员往往需要通过对氧气的供应量进行控制等方法，确保焊接位置的成型效果，一旦氧气量控制不到位，就可能出现微观质量缺陷，进而给金属材料精密加工效果造成不利影响。利用超声无损检测技术对上述两方面原因导致的微观缺陷进行检测，往往能够及时发现其中存在的细小质量问题，第一时间进行修复和调整，在保证检测准确度的基础上，确保金属材料焊接成型效果。

3.3基于声衰减的碳纤维复合材料物理特性超声检测研究

由于碳纤维复合材料试样参数的多样性，推导出声衰减与碳纤维复合材料的微观物理参数的数学模型具有多种类型。其中，孔隙率被认为是影响剪切强度、弯曲强度、拉伸强度、压缩强度和弹性模量等最重要的参数之一。碳纤维复合材料声衰减的影响因素主要有检测频率、树脂的类型、碳纤维和孔隙的形状、大小和分布情况等；在孔隙处于某个临界值时，其拟合曲线误差会发生较大变化；由于不同复合材料有不同的衰减系数，使得临界值有所不同；孔隙率>4%时，声衰减与孔隙率的关系可简化为二次型曲线，此时孔隙率和孔隙形态对声衰减起到主导作用；如果综合考虑碳纤维复合材料孔隙形状、大小与分布的因素，则能提高计算模型的精度。

3.4推动超声无损检测技术创新优化

现阶段，超声无损检测技术尚处于起步发展阶段，技术体系有待完善，检测精度、速度存在优化提升空间。因此，为取得理想的金属材料焊接检测效果，持续提高检测质量，需要推动超声无损检测技术的创新优化，主要优化方向包括相控阵声场仿真和全矩阵捕捉。其中，在相控阵声场仿真方向，在超声检测系统中加装相控阵换能器，在操作系统中建立多种声场模型，采取多元高斯法或是瑞利积分法等方法，依据声场特性来检测金属材料状态。而在全矩阵捕捉方向，采取声束延时叠加方法，对所相控阵列中所获取各阵元发出声束加以延时、叠加处理后获取偏转声束和聚焦声束，在其基础上生成图像，在各发射/接收阵元中存储对应的时域信号，按顺序依次激发各阵元，并在金属材料检测过程中采集全部发射/接收组合的回波数据并加以处理，以此来提高检测效率，无需重复开展多次测量操作。

3.5应力波因子法

声-超声检测通过应力波传播的相对效率特性来测量工件的特性，检测采用应力波系数(SWF)法。电压波法可以接收时域和频域信号的振幅特性、能量密度和功率谱，通过相对改变这些特性来估计被测对象的性能变化。复合材料层合板的实验研究表明，最大应力和峰值应力可以用来解释拉伸载荷下复合材料层合板微裂纹损伤的积累。电压波时域电压波大小超过预设阈值的次数称为铃声系数。在大多数情况下，最大压力设置是根据每个波形的铃声数来计算的。因此，通过使用铃声系数来标记声学超声信号，可以检查相关信号的强度。在观察声音-超声波信号的及时性时，检测到声音-超声波信号的指数减少，但在决定实际信号衰减率时，很难得到指数形式的衰减结果。因此，我认为通过对数处理，可以通过信号指数衰减来计算声学-超声信号的衰减率，从而评估被测试对象的性能变化。

结束语

对无机非金属材料缺陷的无损检测需求越来越大，也更为迫切。超声波以不同的传播速度及衰减特性传播，从而对不同状态和不同性质的无机非金属材料实现无损检测，成为主要研究方向之一。准确获取材料的声衰减系数和声速这两个声学参数，有助于为材料性能、材料微观结构、分层特征、粘结特性和材料缺陷的检测和判断提供依据。

参考文献

[1]魏伟.金属材料织构的激光超声检测研究[J].世界有色金属,2021(09):107-108.

[2]李智斌.《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》修订介绍[J].施工技术,2020,49(09):44-46.

[3]王力.超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用分析[J].南方农机,2019,50(15):135.

[4]任剑.金属材料缺陷超声检测关键技术的研究[J].世界有色金属,2017(18):228-229.

[5]安燕林.基于超声检测的复合材料缺陷检测研究[D].燕山大学,2017.