0 前沿

    隨著科技的發(fā)展，在國民經(jīng)濟的各領(lǐng)域中，諸如船舶、工程機械、核電設(shè)備、飛機等高端機械裝備得到了越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時，大量的高端機械裝備在達到報廢標(biāo)準(zhǔn)后將被淘汰，新增的退役裝備還在大量增加。因此，實施高端機械裝備再制造，不僅能為國家節(jié)省大量資源，而且具有顯著的經(jīng)濟效益。再制造工程作為一項戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是針對廢舊產(chǎn)品進行產(chǎn)業(yè)化的高技術(shù)修復(fù)、改造，具有顯著的節(jié)約資源及保護環(huán)境效果。

    如今再制造作為一項新興產(chǎn)業(yè)，其全球總產(chǎn)值已達到上千億美元，在歐美等發(fā)達國家中，汽車、工程機械等高端機械裝備的再制造產(chǎn)值，更是達到了500 億美元左右。在重大國防裝備的再制造中，美軍始終走在前列，并成立了相應(yīng)的政府管理部門，專款專用于國防工業(yè)的再制造技術(shù)的研究。而作為東亞鄰國的日本，更是在工程機械的再制造中，獲得了豐厚的利潤，其再制造產(chǎn)品，絕大部分供國內(nèi)使用，另有三分之一左右出口國外，其余部分則作為配件進行出售。歐洲更是將汽車廢舊零部件的回收再制造作為一項法規(guī)強制執(zhí)行，據(jù)不完全統(tǒng)計，大眾汽車集團所生產(chǎn)的汽車中，有90%以上零部件都是經(jīng)過再制造而重新利用的。因而再制造不僅作為保護環(huán)境的一項技術(shù)手段，更是作為一項高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)推動了全球經(jīng)濟的發(fā)展，未來隨著技術(shù)水平的進一步提高，其必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

    由于再制造毛坯的損傷失效形式復(fù)雜多樣，殘余應(yīng)力、內(nèi)部裂紋的存在導(dǎo)致再制造毛坯的壽命預(yù)測比新產(chǎn)品的壽命預(yù)測更加困難。目前，在實際再制造生產(chǎn)中，或者沿用傳統(tǒng)的壽命預(yù)測方法，或者取消壽命預(yù)測環(huán)節(jié)，給再制造產(chǎn)品的服役安全帶來極大的隱患。回收的舊機械零件經(jīng)過一個服役周期后，每個零件的損傷程度存在很大差異，而傳統(tǒng)的壽命預(yù)測方法無法體現(xiàn)這種損傷的復(fù)雜性和不確定性。因此，建立基于實際損傷度的再制造毛坯的壽命預(yù)測模型是非常必要的。然而，缺乏有效定量評價微小損傷的無損檢測技術(shù)和方法，成為再制造毛坯剩余壽命評估，評判其能否再制造的關(guān)鍵難題。研究高靈敏度、自動化以及易于量化表征的無損檢測技術(shù)及方法，是機械裝備再制造無損檢測領(lǐng)域迫切需要解決的課題。

    近年來，隨著我國對國防領(lǐng)域投入的逐年增多，國防實力的增強，不可避免地將要面臨廢舊軍用飛機、坦克、裝甲車等武器裝備維修和再制造的問題，而這些武器裝備服役條件極其復(fù)雜，對其進行損傷檢測具有較高的難度，一旦出現(xiàn)漏檢、誤檢等失誤，將會造成巨大損失，因此，這也對無損檢測技術(shù)提出了更高的要求，檢測結(jié)果的可靠性，檢測的高效性，以及損傷的可預(yù)見性都是當(dāng)前急需解決的重大基礎(chǔ)性課題。

    因此，本文主要針對高端機械裝備再制造無損檢測的研究進行綜述，介紹能夠進行表面、表面/近表面、表面/內(nèi)部、內(nèi)部損傷檢測的無損檢測方法，并將其進行比較分析，同時對當(dāng)前一些并未大范圍應(yīng)用的檢測技術(shù)進行了簡要的探討。分析并總結(jié)了機械裝備再制造無損檢測的研究熱點、存在的問題以及發(fā)展趨勢。

    1 高端機械裝備再制造無損檢測特點

    高端機械裝備是指傳統(tǒng)制造業(yè)的高端部分，也包括新興產(chǎn)業(yè)的高端部分。通常為國民經(jīng)濟的重要行業(yè)，如船舶行業(yè)、工程機械、核電航空航天等，其具體表現(xiàn)為技術(shù)上高端，為知識、技術(shù)密集，體現(xiàn)多學(xué)科和多領(lǐng)域高、精、尖技術(shù)的交叉與集成；價值鏈高端，具有高附加值特征；產(chǎn)業(yè)鏈的核心部位，發(fā)展水平?jīng)Q定產(chǎn)業(yè)鏈的整體競爭力。

    由于高端機械裝備的服役條件極其復(fù)雜，其損傷類型大致可分為工藝缺陷、疲勞損傷和應(yīng)力損傷等類型，其再制造無損檢測也有其特殊性，主要包括：① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多情況下檢測的可達性差，比如離心式壓縮機葉片、飛機發(fā)動機壓氣機盤和渦輪盤等部位，給檢測工作帶來很大困難；② 材料范圍廣，包括鋁合金、鈦合金、高強度鋼、復(fù)合材料等，檢測復(fù)雜，如復(fù)合材料的缺陷一般為分層、基體開裂和纖維斷裂，因聲波各向異性且聲波衰減系數(shù)很大，給常規(guī)超聲檢測帶來了很大困難。鈦合金是非磁性材料，屬于粗晶結(jié)構(gòu)，采用超聲和渦流檢測都面臨挑戰(zhàn)；③ 微小損傷的檢測，很多高端機械裝備壽命很長，其構(gòu)件的疲勞特性屬于高周疲勞甚至超高周疲勞，這類構(gòu)件的裂紋擴展壽命占總壽命的比例很小，因此，即使構(gòu)件中存在微小裂紋，仍然可能使得構(gòu)件不能完成一個服役周期，給再制造產(chǎn)品服役安全帶來極大隱患，因此，檢測出微小裂紋對于高端機械裝備再制造是非常必要的；④ 損傷定量檢測。要確定構(gòu)件能否再制造，需要量化評價構(gòu)件的損傷程度，確保服役安全。

    2 再制造無損檢測技術(shù)概況

    目前，國內(nèi)外普遍采用超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測、滲透檢測等五大常規(guī)檢測技術(shù)對再制造毛坯進行無損檢測。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新型檢測技術(shù)如金屬磁記憶、聲發(fā)射技術(shù)、紅外檢測、激光超聲檢測等。按照檢測深度的不同，可將無損檢測方法分為表面、表面/近表面、表面/內(nèi)部、內(nèi)部四種類型。當(dāng)然，以上分類不是絕對的，如常規(guī)超聲探傷儀可以檢測材料表面缺陷，也可以檢測材料內(nèi)部缺陷。但由于超聲檢測存在近場盲區(qū)，檢測表面缺陷效果不如其他檢測方法，因此，把超聲檢測歸類為適于檢測內(nèi)部缺陷。

    現(xiàn)階段無損檢測已進入無損評價的發(fā)展階段中，在這個階段中，不僅要對缺陷的定性、定量、定位的三定問題進行檢測，同時還要進一步根據(jù)所檢測出的缺陷來評價其對被檢件性能的影響，來實現(xiàn)對評價對象壽命評估的目的。未來隨著技術(shù)水平的逐漸提高，再制造無損檢測將主要有裝備的早期診斷、原位檢測、網(wǎng)絡(luò)化檢測三大發(fā)展方向。

    2.1 表面檢測方法

    表面檢測是指能夠?qū)Σ牧媳砻鎿p傷的情況進行檢測的方法。目前的常規(guī)檢測方法幾乎都能檢測材料表面缺陷，而滲透檢測是唯一只適用于表面缺陷檢測的常規(guī)方法。滲透檢測是利用滲透液將試件內(nèi)的缺陷進行放大顯示，從而實現(xiàn)用肉眼觀察試件表面開口缺陷的無損檢測方法。滲透檢測可按滲透劑、顯像劑和去除劑等的不同進行分類。滲透劑有熒光滲透劑和著色滲透劑兩種；顯像劑有干式顯像、濕式顯像、快干式顯像和無顯像劑式；而去除劑則包括用水去除、溶劑去除和后乳化三種[5]。當(dāng)前滲透檢測主要應(yīng)用于非鐵金屬和鋼鐵材料的鑄件、鍛件等再制造毛坯的表面缺陷檢測。滲透檢測的優(yōu)勢是，檢測設(shè)備及工藝簡單、對人員的要求不高、缺陷顯示直觀、檢測靈敏度較高。滲透檢測的局限是，只能檢測表面開口缺陷、對多孔性材料檢測困難、檢測結(jié)果受檢測人員的影響較大。為適應(yīng)綠色再制造的要求，研究高靈敏度、環(huán)保和低價的滲透劑、顯像劑和去除劑，并提高檢測自動化和智能化是滲透檢測技術(shù)未來的研究方向。

    在船用柴油機的安全監(jiān)測和檢測中滲透法得到了廣泛的應(yīng)用，如檢查螺栓的各圓角、螺紋之間以及螺紋與螺桿之間的過渡區(qū)有無裂紋，軸瓦以及各種中間軸和尾軸的軸瓦的表面狀況，通過對柴油機的服役狀況進行檢測不僅延長了軸承使用壽命，確保了柴油機運行的安全性和可靠性，同時也提高了船舶營運的經(jīng)濟效益。

    2.2 表面/近表面檢測

    表面/近表面檢測是指能夠?qū)Σ牧媳砻?近表面損傷的情況進行檢測的方法，常規(guī)無損檢測方法中當(dāng)前多采用磁粉檢測、渦流檢測、紅外檢測等方法實現(xiàn)表面/近表面損傷的檢測。

    2.2.1 磁粉檢測

  磁粉檢測是指利用磁粉在缺陷漏磁場處的聚集效應(yīng)，將材料的缺陷實現(xiàn)放大且對比度提高，以磁痕的形式顯示材料中缺陷的無損檢測方法。當(dāng)前多數(shù)中小型再制造企業(yè)多采用磁粉檢測的方法來對試件表面及近表面的缺陷進行檢測，常使用如CJW-9000 型交流固定式磁粉探傷機等設(shè)備。由于磁粉檢測結(jié)果直觀，工藝簡單，且靈敏度較高，在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。磁粉檢測雖應(yīng)用較廣泛，但仍處在不斷進步和發(fā)展之中，當(dāng)前主要有以下幾個熱門研究方向，包括對環(huán)保價廉的高性能磁痕顯示介質(zhì)的研究；輕便智能磁粉探傷儀的研究；利用CCD 設(shè)備對磁痕的智能化評定和檢測靈敏度的理論模型的建立。當(dāng)前磁粉探傷儀由于其檢測結(jié)果的直觀和準(zhǔn)確，已在工業(yè)領(lǐng)域獲得了較大范圍的應(yīng)用，甚至在軍用飛機結(jié)構(gòu)件的損傷檢測中也得到了很好的效果。

    2.2.2 渦流檢測

    渦流檢測是利用電磁感應(yīng)原理，通過測定被檢導(dǎo)電工件在交變磁場激勵作用下所感生的渦流特征，來無損地檢測該試件中有無缺陷或評定其技術(shù)狀態(tài)的無損檢測方法。但常規(guī)的渦流檢測方法對缺陷的定性、定位、定量都比較困難。隨著計算機信號處理與分析技術(shù)的發(fā)展，其在渦流檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中小波包分析和小波變換的方法主要用于采集到的信號的降噪處理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘法多用于多層試件的厚度測量，主元分析法則廣泛用于裂紋的類型識別與分類中。基于各種算法的脈沖渦流信號的分析與處理技術(shù)的引入，大大促進了渦流檢測技術(shù)在降噪、測厚和裂紋模式識別等方向的發(fā)展。隨著對渦流檢測技術(shù)研究的深入，出現(xiàn)了遠場渦流、脈沖渦流、多頻渦流等新技術(shù)。國防科技大學(xué)楊賓峰等利用脈沖渦流檢測技術(shù)實現(xiàn)了對飛機多層結(jié)構(gòu)的第二層中的腐蝕缺陷的定量檢測，由于脈沖渦流檢測技術(shù)具有定量化和高效的優(yōu)點，因此其在飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕檢測中必定有較廣闊的應(yīng)用前景。

    2.2.3 紅外檢測

    紅外無損檢測利用紅外熱像設(shè)備，通過測量被檢對象表面的紅外輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為可用于試驗分析的電信號，將其溫度場以彩色圖或灰度圖的方式顯示出來，根據(jù)其溫度場的分布情況，來推算被檢試件是否存在缺陷。紅外無損檢測對材料表面的缺陷比較敏感，但是受其原理影響對內(nèi)部缺陷的檢測有一定的困難，同時由于紅外無損檢測當(dāng)前并未獲得較大范圍的應(yīng)用，儀器設(shè)備的成本較高，并且這種檢測手段需要被檢試件具備較高的發(fā)射率和較低的導(dǎo)熱性，因此有一定的局限性。近年來根據(jù)紅外檢測主動激勵方式的不同，學(xué)者們提出許多新方法，包括振動熱像法、調(diào)制熱像法和紅外熱波法等。其中紅外熱波檢測技術(shù)在再制造無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景被看好。ZWESCHPER 等用同步熱成像法對CFRP 航天器構(gòu)件進行了無損檢測。表1 為幾種主要用于表面及近表面無損檢測方法的比較。

    2.3 表面/內(nèi)部

    表面/內(nèi)部檢測是指既能夠?qū)崿F(xiàn)對試件表面損傷的檢測，同時也可以檢測內(nèi)部缺陷的無損檢測方法。

    2.3.1 聲發(fā)射檢測

    材料局部能量的快速釋放就會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號中包含著有關(guān)聲發(fā)射源特性的重要信息。通常釋放能量的區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)域，通過儀器檢測、記錄并分析該信號，可以推算出聲發(fā)射源的位置，進而尋找到應(yīng)力集中區(qū)域，實現(xiàn)缺陷檢測的目的。

    當(dāng)前對于聲發(fā)射技術(shù)的研究主要集中在聲發(fā)射源的識別與評價、檢測傳感器以及檢測系統(tǒng)儀器的研制。目前的理論研究熱點是聲發(fā)射源的建模以及聲發(fā)射現(xiàn)象的物理機制的深入探索。聲發(fā)射檢測由于其檢測原理的特殊性，非常適合大型復(fù)雜再制造產(chǎn)品的實時在線無損監(jiān)測；并且由于其為非接觸式檢測，可在極其復(fù)雜和極端的環(huán)境下進行檢測；通過研究高效率、高精度、高穩(wěn)定性的傳感器，聲發(fā)射將在再制造無損檢測領(lǐng)域承擔(dān)越來越重要的角色。FINLAYSON 等將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于航天器的無損檢測和質(zhì)量監(jiān)控之中，收到了很好的效果，結(jié)果表明使用聲發(fā)射技術(shù)能夠檢測出航天器結(jié)構(gòu)中的裂紋和脫層缺陷等。

    2.3.2 射線檢測

    射線檢測是根據(jù)射線穿過物質(zhì)時會因衰減而造成強度降低，其衰減程度取決于被檢構(gòu)件的材料、射線類型和穿透距離。當(dāng)把強度均勻的射線照射到構(gòu)件的一個側(cè)面時，由于各部位對入射射線的衰減不同，透射射線的強度分布就會不均勻。這樣，使用照相、熒光屏等觀察手段，通過在檢測構(gòu)件另一側(cè)的射線強度，便可推算出構(gòu)件內(nèi)部的缺陷的種類、大小及其分布情況。通常用于射線檢測的射線類型主要有X 射線、γ 射線和中子射線三種類型。近年來隨著信息傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)以及人工智能等學(xué)科的發(fā)展，新的射線檢測技術(shù)層出不窮，如高能X 射線、射線實時成像以及工業(yè)射線CT 等，其中以工業(yè)射線CT 應(yīng)用最為廣泛。COOPER 等應(yīng)用X射線照相檢測法對飛機結(jié)構(gòu)件中的腐蝕損傷進行了成功的定位檢測，目前射線檢測已成功地應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、石油礦山、機械工程等領(lǐng)域，并在不斷探索其他新的應(yīng)用領(lǐng)域。

    2.4 內(nèi)部檢測

    內(nèi)部檢測是指既能夠?qū)崿F(xiàn)對試件表面損傷的檢測，同時也可以檢測內(nèi)部缺陷的無損檢測方法。超聲檢測的原理是使用發(fā)射探頭將超聲波發(fā)出，再利用接收探頭對從缺陷處反射回來的超聲波進行接收，通過與標(biāo)準(zhǔn)試塊進行比較和分析，便可知道試件內(nèi)部的損傷情況。超聲檢測具有成本低、操作方便的特點。但是常規(guī)的超聲檢測技術(shù)需要用到耦合劑或采用水浸法，在某些場合使用不方便。

    同時由于超聲檢測存在近場盲區(qū)，從而僅能對試件內(nèi)部的缺陷進行檢測，而對盲區(qū)以內(nèi)的缺陷則不能實現(xiàn)有效的檢測。隨著對超聲檢測研究的深入，針對常規(guī)超聲因使用耦合劑帶來的不便，研究工作者提出采用了空氣耦合式超聲和電磁超聲等新方法，起到較好的效果。還有學(xué)者針對微小裂紋的檢測提出了非線性超聲的方法，這些新方法均大大拓寬了超聲檢測的應(yīng)用范圍。超聲檢測的優(yōu)勢是，檢測成本低、設(shè)備輕便、操作安全、適用對象廣、對平面型缺陷比較敏感、缺陷定位比較準(zhǔn)確。常規(guī)超聲檢測的局限為，存在檢測盲區(qū)、檢測效率較低、缺陷定位還有待深入、缺陷定量也不夠直觀、一般需要耦合劑。中國船級社使用超聲相控陣和TOFD 技術(shù)實現(xiàn)了對船舶結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生的疲勞裂紋的檢測，有效地解決了大型船只的使用安全問題。

    3 目前無損檢測研究熱點

    雖然當(dāng)前無損檢測技術(shù)的種類已近上千種，但是隨著工程實踐要求的逐漸提高，對檢測的水平提出了更高的要求，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一些常規(guī)檢測技術(shù)的新的研究方法和方向，以應(yīng)對日益提高的檢測要求。

    3.1 非線性超聲

    傳統(tǒng)超聲檢測觀察時域信號，受波長等因素所限，對于微缺陷、微裂紋以及如粘接、分層等界面缺陷不敏感，同時對于金屬疲勞等力學(xué)性能退化尚缺乏有效評價手段。然而隨著高端機械裝備的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，對材料內(nèi)部微裂紋的檢測提出了越來越高的要求。非線性超聲是根據(jù)超聲波與裂紋、界面和接觸面的應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系，從而反映出材料內(nèi)部缺陷的特征，對微裂紋有較好的檢出效果，對于克服傳統(tǒng)超聲的不足具有積極的意義，是傳統(tǒng)線性超聲檢測手段的有效補充。下面簡單介紹一下非線性超聲檢測裂紋的原理。

    當(dāng)超聲波作用力小于外部靜態(tài)加載壓力時，將誘發(fā)裂紋區(qū)域部分閉合，這種變化將會對超聲波產(chǎn)生一定的調(diào)制作用，產(chǎn)生高次諧波、分頻波等現(xiàn)象稱為彈性接觸機制，為便于裂紋的定量計算，定義二次諧波幅值與一次諧波幅值的比值為二次諧波激發(fā)效率，即 A 2/ A 1，進而可得到諧波幅值的計算公式

    激發(fā)的非線性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系式為

    當(dāng)超聲波作用力大于外部靜態(tài)加載壓力時，相互間的作用力將引起裂紋界面的不斷張開與閉合，也會對超聲波產(chǎn)生一定的調(diào)制作用，這種現(xiàn)象稱為碰撞接觸機制。其應(yīng)力與應(yīng)變的非線性關(guān)系為分段形式

    當(dāng)前非線性超聲還處于發(fā)展階段，得到廣泛應(yīng)用的是由MCCALL 等提出的P-M 空間模型，利用這個模型與超聲波動方程相結(jié)合，可以得到超聲相應(yīng)特征與非線性系數(shù)之間的關(guān)系，進而獲得非線性系數(shù)與分布參數(shù)間的關(guān)系，從而達到對材料進行損傷評價的目的。在非線性超聲物理機制研究方面，SUTIN[利用界面開合現(xiàn)象對聲調(diào)制進行了解析；PECORARI通過分析裂紋界面對超聲波的影響，建立了二次諧波與裂紋界面粗糙度間的關(guān)系式。總之，現(xiàn)有的模型與理論僅能近似地對非線性超聲現(xiàn)象進行解釋，要完全實現(xiàn)對材料損傷的定量檢測還需要進一步的研究。

    3.2 遠場渦流

    面對常規(guī)渦流檢測技術(shù)檢測深度的限制問題，研究工作者提出了遠場渦流檢測，從而將渦流檢測的范圍從一定程度上擴大到了材料內(nèi)部。

    遠場渦流的基本理論依據(jù)是麥克斯韋方程，其數(shù)學(xué)形式的積分表達式如下。

    通過求解待研究區(qū)域麥克斯韋方程組，并確定定解條件，得到被檢試件的內(nèi)部缺陷、幾何特性以及物理性質(zhì)等因素同渦流磁場強度或者檢測線圈的電參數(shù)變化之間的聯(lián)系。

    由于遠場渦流檢測的對象是金屬導(dǎo)體，根據(jù)波動方程，并將其簡化后可得如下電磁滲透方程

    遠場渦流檢測的探頭是由兩個同軸的螺線管線圈組成，如圖1 所示。其中一個是檢測線圈，檢測線圈不像常規(guī)渦流檢測，檢測線圈緊靠激勵線圈，而是在遠離激勵線圈2～3 倍的管內(nèi)徑處，需要測量的不是檢測線圈的阻抗而是檢測線圈的感應(yīng)電壓的幅值和相位信號。另一個是激勵線圈，通有低頻正弦交流電。由于檢測線圈所接收的磁通信號主要是兩次穿越管壁后的信號，幅值很小，通常為幾微伏至十幾微伏，必須利用高增益的放大器才能檢測到這種信號。

    遠場渦流最早是由美國人MACLEAN 于1951年申請專利時提出的。其后殼牌公司SCHMIDT研究出一套用于井下套管檢測的系統(tǒng)，并得到了較好的效果。20 世紀(jì)80 年代開始，該項技術(shù)得到了許多發(fā)達國家的重視，并將計算機數(shù)值分析和有限元分析方法引入遠場渦流信號的分析處理當(dāng)中，使遠場渦流的理論基礎(chǔ)更加扎實。20 世紀(jì)90 年代之后遠場渦流技術(shù)逐漸得到國內(nèi)研究人員的重視。南京航空航天大學(xué)從理論基礎(chǔ)和試驗設(shè)計等方面，都取得了一些成果。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校也相繼開展了相關(guān)工作，并取得了一定成績。當(dāng)前應(yīng)用該項技術(shù)已可穿透厚度為18～25 mm 的飛機常用多層結(jié)構(gòu)的進行損傷檢測，并得到了較好的效果。

    然而，遠場渦流檢測技術(shù)當(dāng)前還主要應(yīng)用于管道內(nèi)外表面缺陷的檢測，其在高端機械裝備再制造無損檢測中的應(yīng)用還有待研究。同時其探頭太長，難以通過管道彎曲部位；檢測信號幅值過小，僅為幾微伏至十幾微伏，對信號接收過程中噪聲的隔離提出了很高的要求。

    3.3 激光超聲

    激光超聲與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比具有很多優(yōu)點，如非接觸式檢測；抗干擾能力強；可遠距離激發(fā)和接收，方便實現(xiàn)自動化檢測；可對表面形狀復(fù)雜的對象進行檢測；當(dāng)探測激光束被聚焦成10μm 的小點時，可實現(xiàn)數(shù)微米級的空間分辨率，利用超聲波衍射方法可檢測微小缺陷和裂紋；檢測效率很高。然而由于其探測靈敏度低、檢測系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備昂貴和維護成本高等問題，當(dāng)前并未得到廣泛的應(yīng)用。

    激光超聲的原理是將一定能量密度的脈沖激光照射到金屬表面上，根據(jù)材料的熱彈性效應(yīng)，會有一部分能量被吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，從而引起局部溫度升高，由材料的熱膨脹引起壓力變化產(chǎn)生表面運動并產(chǎn)生超聲波。超聲波在材料中傳播時，當(dāng)經(jīng)過聲阻抗變化的區(qū)域時會受到某種調(diào)制作用，導(dǎo)致聲場分布特征發(fā)生變化。通過對超聲波進行接收并解調(diào)，可以獲取材料內(nèi)部的缺陷等信息。圖2 為激光超聲檢測。

    激光超聲早起理論是基于彈性理論，周正干等將激光在試件上的作用等效為一個表面彈性力源，并建立了相應(yīng)的點源模型和表面應(yīng)力位移表達式。SUTIN 等利用積分變換，將公式進行了進一步的推導(dǎo)。但早期研究均為考慮介質(zhì)的熱擴散效應(yīng)，BALTAZAR 等在這方面進行了嘗試，但始終無法準(zhǔn)確描述激光超聲的理論模型。近年來有限元法的引入，推動了激光超聲理論的發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者利用基于有限元的數(shù)值模擬技術(shù)，在理論和試驗層面都有了較大突破。

    由于激光超聲的波長僅為幾微米，故其理論的檢測極限較高， 可實現(xiàn)對微小缺陷的檢測，PECORARI 等利用激光超聲檢測技術(shù)實現(xiàn)了缺陷位置的精確計算，當(dāng)其與掃描探針顯微鏡一同使用時，甚至可對納米尺度范圍內(nèi)的材料特性進行相應(yīng)研究。同時由于其為非接觸式檢測，可在極端條件下對復(fù)雜零件進行檢測。任吉林等利用激光超聲實現(xiàn)了核反應(yīng)堆中石墨相關(guān)特性的檢測。

    激光超聲具有很多優(yōu)異特性，但也存在一些亟待解決的問題，比如激光能量到超聲能量的轉(zhuǎn)換效率問題以及激光超聲信號檢測靈敏度問題等。雖然目前存在著一些技術(shù)難題，但是如果激光能量轉(zhuǎn)換頻率以及檢測靈敏度進一步提高，激光超聲無損檢測技術(shù)必將會在高端機械裝備再制造領(lǐng)域起到更加關(guān)鍵的作用。

    3.4 金屬磁記憶檢測

    金屬磁記憶檢測的原理是，鐵磁性試件在地球磁場的環(huán)境下，受到工作載荷作用時，應(yīng)力集中處的磁疇組織會發(fā)生定向或不可逆的重新取向，從而導(dǎo)致應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)域表面的漏磁場Hp 發(fā)生改變，出現(xiàn)法向分量Hp（y）“過零”及切向分量Hp（x）具有峰值的現(xiàn)象，如圖3 所示。鐵磁構(gòu)件這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工件載荷消除后仍被保留。因此，利用測磁儀器，通過測定構(gòu)件表面漏磁場法向分量Hp（y）過零點或梯度等，便可以推斷出該工件的應(yīng)力集中部位及預(yù)損傷區(qū)。金屬磁記憶檢測技術(shù)在鐵磁構(gòu)件早期診斷與壽命預(yù)判方面的應(yīng)用前景，已得到了業(yè)界專家學(xué)者的普遍認(rèn)可。

    金屬磁記憶檢測技術(shù)較之其他常規(guī)無損檢測技術(shù)而言是一項新技術(shù)，其理論基礎(chǔ)還有待進一步完善。由于金屬磁記憶檢測方法屬于弱磁信號檢測，信號易受其他因素干擾，因此，金屬磁記憶檢測的重復(fù)性與可靠性有待進一步研究。國內(nèi)各大高校和科研機構(gòu)，如裝甲兵工程學(xué)院徐濱士院士團隊、南昌航空大學(xué)任吉林教授團隊、清華大學(xué)等對金屬磁記憶技術(shù)進行了深入的研究，并取得了顯著的成果。隨著國內(nèi)外學(xué)者對金屬磁記憶檢測技術(shù)的不斷深入研究，未來有望在金屬磁記憶檢測機理、磁記憶檢測特征量的提取、損傷定量評價等方面取得突破性進展，使得該項技術(shù)在再制造毛坯可再制造性評價方面發(fā)揮重要作用。

    4 當(dāng)前再制造無損檢測存在的問題與難點

    不難看出，當(dāng)前有關(guān)機械裝備再制造無損檢測的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。許多新興技術(shù)還處于理論探索階段和試驗研究階段，距離工程應(yīng)用還有相當(dāng)一段差距。

    當(dāng)前國內(nèi)外的眾多學(xué)者在再制造無損檢測技術(shù)研究方面，主要聚焦于研究對試件內(nèi)部缺陷的檢測，遠場渦流、聲發(fā)射、激光全息檢測技術(shù)等都是順應(yīng)了這種要求提出的，但材料內(nèi)部損傷情況極其復(fù)雜，同時受外界干擾較大，一些厚大零件損傷的檢測更為困難。

    微小裂紋的檢測困難。材料的宏觀缺陷多數(shù)都是從微小裂紋發(fā)展出來的，如果能夠準(zhǔn)確地檢出微小裂紋，便使得準(zhǔn)確判斷高端設(shè)備能否進行再制造成為可能。但由于當(dāng)前信息提取與分析水平的制約，對微小裂紋所得到微弱信號很難獲取并解析，其受外部擾動的影響也較大，這都從一定程度上制約了對微小裂紋的檢測。

    損傷（尤其是微小損傷）定量評價一直是困擾再制造無損檢測界的難題。損傷的定量化是評估再制造毛坯剩余壽命的基礎(chǔ)，是決定其能否再制造的關(guān)鍵。前述非線性超聲檢測及激光超聲檢測技術(shù)有望解決這一問題，但仍有很長的路要走。一些學(xué)者嘗試將多種無損檢測技術(shù)進行相互融合，利用多種技術(shù)各自的優(yōu)勢進行互補，并對其檢測結(jié)果進行信息融合，從而提高檢測結(jié)果的可靠性。但由于融合技術(shù)目前還不夠完善，多數(shù)的信息融合都僅停留在信息層融合，要想實現(xiàn)真正地信息互通與融合還需要進一步的研究。

    5 高端機械裝備再制造無損檢測發(fā)展趨

    勢未來若干年的再制造無損檢測仍然將以磁粉、超聲、渦流、滲透、X 射線五大類檢測方法占主導(dǎo)地位。但隨著再制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，再制造無損檢測技術(shù)將向速度更快、靈敏度更高、自動化程度更高的方向發(fā)展。

    傳統(tǒng)的射線檢測的缺陷比較明顯，需要耗費大量的膠片和藥液，工作程序復(fù)雜、底片不夠清晰容易出現(xiàn)錯誤缺陷，而且探傷的時間比較長，評定質(zhì)量比較低。因此，射線無損檢測的未來發(fā)展趨勢是利用數(shù)字成像的掃描系統(tǒng)來實施檢測，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片處理。射線實時成像、數(shù)字射線成像、工業(yè)CT 等新的射線檢測技術(shù)，以其缺陷定位、定量評價方面的優(yōu)勢，將在機械裝備再制造無損檢測領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。國外已開始以高分辨率 CT 為工具，以三維重構(gòu)為手段，結(jié)合圖像處理、數(shù)學(xué)分析、計算機模擬仿真等技術(shù)，進行材料疲勞微裂紋擴展等研究。

    盡管超聲波檢測有許多的優(yōu)點，但也有一些局限性。在檢測過程中，對于材質(zhì)的缺陷的精確度還有待加強，對于比較復(fù)雜的形狀以及外形不規(guī)則的檢測有一定困難；同時缺陷的具體位置以及形狀、性質(zhì)對檢測有很大的影響，材質(zhì)以及晶粒度也會降低檢測的質(zhì)量。因此，必須研究出更加先進的技術(shù)來彌補超聲波檢測的不足。激光超聲無損檢測技術(shù)，由于是非接觸式檢測，可對表面形狀復(fù)雜的對象進行檢測。而且，檢測分辨率更高，可實現(xiàn)對微小缺陷的檢測。超聲相控陣技術(shù)是一種新的超聲檢測方法。與傳統(tǒng)超聲檢測相比，由于聲束角度可控和可動態(tài)聚焦，超聲相控陣技術(shù)具有可檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷和較高的檢測頻率等特點，可實現(xiàn)高速、全方位和多角度檢測。

    6 結(jié)論

    本文總結(jié)了高端機械裝備再制造無損檢測的特點，對常規(guī)無損檢測技術(shù)進行了分析與比較。介紹了幾種無損檢測技術(shù)研究熱點，指出當(dāng)前機械裝備無損檢測存在的問題與難點。闡述了高端機械裝備再制造無損檢測發(fā)展趨勢。微小損傷的定量檢測將成為再制造無損檢測領(lǐng)域關(guān)注的焦點。高端機械裝備再制造無損檢測技術(shù)將向著圖像化、數(shù)字化、自動化、高靈敏度方向發(fā)展。各種無損檢測技術(shù)的發(fā)展以及新的無損檢測技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，必將使其在機械裝備再制造工程中發(fā)揮越來越重要的作用。

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