四川机电职业技术学院学习情境一：设备状态监测与故障诊断设备状态监测与故障诊断模块六：无损检测技术无损检测技术无损检测技术无损检测技术简简简简要要要要介介介介绍绍绍绍 随着现代科学和工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温、高压、高速度和高负荷，无疑已成为现代工业的重要标志，但他的实现是建立在材料（构件）高质量的基础上的，为了确保这些构件优异的质量，还必须采用不破坏产品的形状、不改变使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测（抽检），以确保产品的安全可靠性，这种技术即是无损检测技术无损检测技术。四川机电职业技术学院无损检测技术以不损害被检测对象的使用无损检测技术以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检测和测试，借以评价他们的连续性、完整性、检测和测试，借以评价他们的连续性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被检测材料安全可靠性和某些物理性能，包括被检测材料和构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、和构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、分布和内含物等情况进行判断。方位、分布和内含物等情况进行判断。无损检测技术常用方法有射线检测射线检测、超声检测超声检测、磁粉检测磁粉检测、渗透检测渗透检测、涡涡流检测流检测及声发射检测声发射检测等技术。射线在穿过物质的过程中，由于受到物射线在穿过物质的过程中，由于受到物质的散射和吸收作用而使其强度衰减，衰减质的散射和吸收作用而使其强度衰减，衰减程度取决于穿透物体的性质、射线的种类及程度取决于穿透物体的性质、射线的种类及其穿透距离。当把强度均匀的射线照射到物其穿透距离。当把强度均匀的射线照射到物体上一个侧面，在物体的另一侧使透过的射体上一个侧面，在物体的另一侧使透过的射线在照相底片上感光、显影后，就可得到与线在照相底片上感光、显影后，就可得到与材料内部结构或缺陷相对应的黑度不同的图材料内部结构或缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过观察射线底片，就可像，即射线底片。通过观察射线底片，就可检测出物体表面或内部的缺陷，包括缺陷的检测出物体表面或内部的缺陷，包括缺陷的种类、大小和分布情况并做出评价。种类、大小和分布情况并做出评价。一、一、 射线检测射线检测射线检测是利用射线检测是利用X射线、射线、射线、射线、射线以及中子射射线以及中子射线、高能射线等易于穿透物质的特性为基础的。线、高能射线等易于穿透物质的特性为基础的。基本基本原理原理四川机电职业技术学院 激光检测常见的有采用照相或屏幕显示、激光检测常见的有采用照相或屏幕显示、电视显示等方法将物质内部情况显示为可见图电视显示等方法将物质内部情况显示为可见图像以进行分析判断。例如工业上用于检查铸件、像以进行分析判断。例如工业上用于检查铸件、焊缝等的射线照相检测或工业焊缝等的射线照相检测或工业X光电视、医学界光电视、医学界用于检查人体的用于检查人体的X光透视或照相及光透视或照相及CT等。等。射线检测缺陷的形状非常直观，对缺陷的尺寸、射线检测缺陷的形状非常直观，对缺陷的尺寸、性质等情况判断比较容易判断。采用计算机辅助性质等情况判断比较容易判断。采用计算机辅助断层扫描法还可以了解断面的情况，可以进行自断层扫描法还可以了解断面的情况，可以进行自动化分析。射线检测对所测试检查物体既不破坏动化分析。射线检测对所测试检查物体既不破坏也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，在检测过程中必须注意要妥善保护。在检测过程中必须注意要妥善保护。二、超声波检测二、超声波检测超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波检测就是利用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后，若遇到缺陷，超声超声波，入射到被检物内部后，若遇到缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延与衰减情况，过观察与分析反射波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质能方面的信息，并由相应的标准或规范判及其性质能方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。定缺陷的危害程度的方法。超声波检测技术是工业无损检测技术中应用最为广泛的检测技术之一，也是无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。1 1、超超超超声声声声波波波波简简简简介介介介一般把频率在一般把频率在20kHz以上的声波叫以上的声波叫做超声波，它是一种机械振动波，能透做超声波，它是一种机械振动波，能透入物体内部并可以在物体中传播。用于入物体内部并可以在物体中传播。用于无损检测的超声波频率多为无损检测的超声波频率多为15MHz。高频超声波的波长短，不易产生绕射，高频超声波的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会产生明显的反射，碰到杂质或分界面就会产生明显的反射，而且方向性好，穿透能力强，在液体和而且方向性好，穿透能力强，在液体和固体中衰减小，因此超声波探伤成为无固体中衰减小，因此超声波探伤成为无损检测的重要手段。损检测的重要手段。四川机电职业技术学院根据波传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系根据波传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不同，可将超声波分为横波、纵波、表面波和板波等。的不同，可将超声波分为横波、纵波、表面波和板波等。（1）纵波）纵波L（压缩波、疏密波）（压缩波、疏密波） 介质中质点的振动方向与波的传播介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波，用方向互相平行的波，用L表示。表示。（2）横波）横波S（T）（切变波）（切变波） 介介质中质点的振动方向与波的传播方质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波。向互相垂直的波。（3）板波）板波 在板厚与波长相当的薄在板厚与波长相当的薄板中传播的波。适用于对薄的金属板中传播的波。适用于对薄的金属板进行探伤。板进行探伤。（4）表面波）表面波R（瑞利）（瑞利） 当介质表当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波。质表面传播的波。2 2、超超声声波波检检测测常常用用方方法法（1）共振法）共振法 利用的是共振原理利用的是共振原理（一定波长的超声波，在物体的相对表（一定波长的超声波，在物体的相对表面上反射，所发生的同相位叠加的物理面上反射，所发生的同相位叠加的物理现象称为共振）。探头把超声波辐射到现象称为共振）。探头把超声波辐射到试件后，通过连续调整声波的频率以改试件后，通过连续调整声波的频率以改变其波长，当试件的厚度为声波半波长变其波长，当试件的厚度为声波半波长的整数倍时，由于入射和反射波的相位的整数倍时，由于入射和反射波的相位相同而引起共振，在试件中产生驻波，相同而引起共振，在试件中产生驻波，在测得超声波的频率和共振次数后，即在测得超声波的频率和共振次数后，即可用公式计算试件的厚度。可用公式计算试件的厚度。2 2、超超声声波波检检测测常常用用方方法法（2）透射法）透射法 是最早应用的一种超是最早应用的一种超声检测技术。其机理是将发射探头和接收声检测技术。其机理是将发射探头和接收探头分别置于试件的两个对立面，根据超探头分别置于试件的两个对立面，根据超声波穿透试件后的能量变化情况，来判断声波穿透试件后的能量变化情况，来判断试件内部质量。如试件内无缺陷，超声波试件内部质量。如试件内无缺陷，超声波穿透试件后衰减小，则接收信号较强；如穿透试件后衰减小，则接收信号较强；如试件内有小缺陷，超声波在传播过程中部试件内有小缺陷，超声波在传播过程中部分被缺陷遮挡，使之在缺陷后形成阴影，分被缺陷遮挡，使之在缺陷后形成阴影，接收探头只能接收到较弱的信号；若试件接收探头只能接收到较弱的信号；若试件中缺陷面积大于声束截面时，全部声束被中缺陷面积大于声束截面时，全部声束被缺陷遮挡，则接收探头接收不到任何发射缺陷遮挡，则接收探头接收不到任何发射信号。（即：根据能量减少的程度即可判信号。（即：根据能量减少的程度即可判断缺陷的大小。）断缺陷的大小。）四川机电职业技术学院2 2、超超声声波波检检测测常常用用方方法法 （3）脉冲反射法）脉冲反射法 是目前应用是目前应用最为广泛的一种超声波检测方法。最为广泛的一种超声波检测方法。利用的是超声脉冲在试件内传播的利用的是超声脉冲在试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较大的两过程中，遇有声阻抗相差较大的两种介质的界面时，将发生反射来检种介质的界面时，将发生反射来检测，采用一个探头兼做发射和接收测，采用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其时基轴上的位置的有无、大小及其时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。来判断缺陷的有无、大小及其方位。三、磁粉检测法三、磁粉检测法利用磁粉的聚集显示铁磁利用磁粉的聚集显示铁磁性材料及其工件表面与近性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法。表面缺陷的无损检测方法。1 1、磁磁磁磁粉粉粉粉检检检检测测测测机机机机理理理理铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化，即磁阻增大，使得会使导磁率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有一部分磁通会离开材料表面，通外，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，从而在过空气绕过缺陷再重新进入材料，从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。当采用微材料表面的缺陷处形成漏磁场。当采用微细的磁性介质（磁粉）铺撒在材料表面时，细的磁性介质（磁粉）铺撒在材料表面时，这些磁粉会被漏磁场吸附聚集从而显示出这些磁粉会被漏磁场吸附聚集从而显示出缺陷所在，这种方法就是缺陷所在，这种方法就是“磁粉探伤磁粉探伤”技技术。术。四川机电职业技术学院2 2、特特特特点点点点及及及及应应应应用用用用范范范范围围围围磁粉检测适用于检测钢铁等强磁磁粉检测适用于检测钢铁等强磁性材料的表面缺陷，能发现表面或近性材料的表面缺陷，能发现表面或近表面的裂纹、折叠、夹层、夹杂物、表面的裂纹、折叠、夹层、夹杂物、气孔等缺陷，一般能确定缺陷的位置、气孔等缺陷，一般能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度。大小和形状，但难以确定缺陷的深度。磁粉检测不适用于探测非铁磁性材料，磁粉检测不适用于探测非铁磁性材料，如奥氏体、铜、铝等的缺陷。如奥氏体、铜、铝等的缺陷。四、渗透检测四、渗透检测通过喷洒、刷涂或浸渍等方法，把渗透能通过喷洒、刷涂或浸渍等方法，把渗透能力很强的渗透液（红色的着色渗透液或黄绿色的力很强的渗透液（红色的着色渗透液或黄绿色的荧光渗透液）施加到被检查的物体上，当物体表荧光渗透液）施加到被检查的物体上，当物体表面存在开口性缺陷时，渗透液因毛细管作用原理面存在开口性缺陷时，渗透液因毛细管作用原理而渗入到缺陷中去，将物体表面多余的渗透液擦而渗入到缺陷中去，将物体表面多余的渗透液擦拭或冲洗干净后，再在物体表面均匀施加显像剂，拭或冲洗干净后，再在物体表面均匀施加显像剂，显像剂能将已渗入缺陷内的渗透液引导到物体表显像剂能将已渗入缺陷内的渗透液引导到物体表面上来，由于显像剂本身提供了与渗透液形成强面上来，由于显像剂本身提供了与渗透液形成强烈对比的背景衬托，因此反渗出的渗透液将显示烈对比的背景衬托，因此反渗出的渗透液将显示出缺陷的状况图像，它可以是以颜色对比而在白出缺陷的状况图像，它可以是以颜色对比而在白光下用肉眼观察（称为光下用肉眼观察（称为“着色渗透探伤着色渗透探伤”），）， 也也可以是因具有荧光作用而在紫光下观察（称为可以是因具有荧光作用而在紫光下观察（称为“荧光渗透探伤荧光渗透探伤”）。）。渗透检测是一渗透检测是一种最简单的无种最简单的无损检测方法，损检测方法，用于检测表面用于检测表面开口缺陷开口缺陷。 渗透检测与其它无损渗透检测与其它无损检测方法相比，具有设备和检测方法相比，具有设备和检测材料简单的优点，在机检测材料简单的优点，在机械修理中，用这种方法检测械修理中，用这种方法检测零件表面裂纹由来已久，至零件表面裂纹由来已久，至今仍不失为一种通用的方法。今仍不失为一种通用的方法。四川机电职业技术学院五、涡流检测五、涡流检测涡流检测基于电磁感应原理，当把通有交涡流检测基于电磁感应原理，当把通有交变电流的线圈靠近导电物体时，线圈产生的交变电流的线圈靠近导电物体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出电流，如果用图表变磁场会在导电体中感应出电流，如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，因此把它叫做涡电流。涡电流的分布及大小除因此把它叫做涡电流。涡电流的分布及大小除了与激磁条件有关外，还与导电体本身的电导了与激磁条件有关外，还与导电体本身的电导率、磁导率、导电体的形状与尺寸、导电体与率、磁导率、导电体的形状与尺寸、导电体与线圈间的距离、导电体表面或近表面缺陷的存线圈间的距离、导电体表面或近表面缺陷的存在或组织变化等都有密切关系。涡电流本身也在或组织变化等都有密切关系。涡电流本身也要产生交变磁场，通过检测其交变磁场的变化，要产生交变磁场，通过检测其交变磁场的变化，可以达到对导电体检测的目的。可以达到对导电体检测的目的。 涡流检测技术由于其操作简单，不需要耦合涡流检测技术由于其操作简单，不需要耦合剂和易于实现高速、自动化检测等优点，因此在剂和易于实现高速、自动化检测等优点，因此在金属材料及其零部件尤其是管、棒和线材等型材金属材料及其零部件尤其是管、棒和线材等型材料的无损检测中应用最广。目前应用比较多的有料的无损检测中应用最广。目前应用比较多的有多频涡流检测技术、深层涡流检测技术、脉冲涡多频涡流检测技术、深层涡流检测技术、脉冲涡流检测技术以及远场涡流检测技术等。流检测技术以及远场涡流检测技术等。四川机电职业技术学院六、声发射检测六、声发射检测什么是声发射？它有何什么是声发射？它有何什么是声发射？它有何什么是声发射？它有何特点？如何运用？特点？如何运用？特点？如何运用？特点？如何运用？ 四川机电职业技术学院声发射检测技术是声发射检测技术是20世纪世纪50年年代初兴起的一种无损检测方法，它根代初兴起的一种无损检测方法，它根据结构内部发出的应力波来判断结构据结构内部发出的应力波来判断结构的内部损失程度。由于该方法能连续的内部损失程度。由于该方法能连续监视结构内部损失的全过程，因此得监视结构内部损失的全过程，因此得到了广泛应用。到了广泛应用。声发射检声发射检声发射检声发射检测系统测系统测系统测系统四川机电职业技术学院在日常生活中，人们会注意到，折断竹竿可在日常生活中，人们会注意到，折断竹竿可以听到噼啪的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的以听到噼啪的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。通常，人们把物体在状可觉查到的声发射现象。通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。其实态改变时自动发出声音的现象称为声发射。其实质是，物体受到外力或内里作用发生塑性变形、质是，物体受到外力或内里作用发生塑性变形、内部晶格位错运动、晶界滑移时，或者在产生裂内部晶格位错运动、晶界滑移时，或者在产生裂纹、扩展和物体断裂时以及其他缺陷增长时，都纹、扩展和物体断裂时以及其他缺陷增长时，都会以弹性波的形式释放出猝发能量，这种现象就会以弹性波的形式释放出猝发能量，这种现象就叫做声发射。由于声发射提供了材料状态变化的叫做声发射。由于声发射提供了材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态检测和故障诊有关信息，所以可用于设备的状态检测和故障诊断。断。声发射源往往是材料损坏的发源地。声发射源往往是材料损坏的发源地。由于声发由于声发射的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因射的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态（缺陷的存在、位置、推知声发射源目前的状态（缺陷的存在、位置、严重程度），而且可知道它形成的历史，并预严重程度），而且可知道它形成的历史，并预报其发展趋势。报其发展趋势。图：检测人员图：检测人员图：检测人员图：检测人员运用声发射技运用声发射技运用声发射技运用声发射技术对压力容器术对压力容器术对压力容器术对压力容器罐进行检测检罐进行检测检罐进行检测检罐进行检测检验验验验 声声声声发发发发射射射射检检检检测测测测的的的的特特特特点点点点1、声发射检测可以获得有关缺陷的动态信息。、声发射检测可以获得有关缺陷的动态信息。 2、声发射检测不受材料位置的限制。、声发射检测不受材料位置的限制。3、灵敏度高。、灵敏度高。 4、不受材料限制。、不受材料限制。 但是，由于材料的塑性变形和裂纹扩展但是，由于材料的塑性变形和裂纹扩展等的不可逆性，声发射也有不可逆性，等的不可逆性，声发射也有不可逆性，即认为应力第二次再重复作用时，大多即认为应力第二次再重复作用时，大多数弹性体不会再产生声发射，因此，必数弹性体不会再产生声发射，因此，必须知道材料的受力历史或者在构件第一须知道材料的受力历史或者在构件第一次受力时就进行声发射诊断。次受力时就进行声发射诊断。四川机电职业技术学院七、实训七、实训无损检测技术的应用无损检测技术的应用1 1、焊焊焊焊缝缝缝缝缺缺缺缺陷陷陷陷检检检检测测测测 超声波对焊缝中裂纹和未超声波对焊缝中裂纹和未焊透等缺陷的诊断，具有许多焊透等缺陷的诊断，具有许多优点，应用广泛。焊缝缺陷诊优点，应用广泛。焊缝缺陷诊断需采用斜探头，其指向性好，断需采用斜探头，其指向性好，声能集中，容易发现微小的缺声能集中，容易发现微小的缺陷，提高探测精度陷，提高探测精度。斜探头探测是利用纵波斜入射后的折射横斜探头探测是利用纵波斜入射后的折射横波声束。当波长一定时，欲获得好的声束指向波声束。当波长一定时，欲获得好的声束指向性，必须选大的晶片，但近场距离变大，使用性，必须选大的晶片，但近场距离变大，使用小晶片的斜探头时指向性又差，损失了远场的小晶片的斜探头时指向性又差，损失了远场的灵敏度。当晶片尺寸一定时，波长越小指向性灵敏度。当晶片尺寸一定时，波长越小指向性越好。为提高对缺陷的诊断能力和精度，以及越好。为提高对缺陷的诊断能力和精度，以及避免焊缝表面杂波干扰，应使用高频超声波，避免焊缝表面杂波干扰，应使用高频超声波，但频率过高，声能衰减加大，穿透能力降低至但频率过高，声能衰减加大，穿透能力降低至无法探测，总之，必须综合考虑这些因素。无法探测，总之，必须综合考虑这些因素。斜探头斜探头斜探头斜探头 图图6-1 斜角探测时波形转换与反射斜角探测时波形转换与反射 通过实践认为，了解斜探头的声束扩散角与缺通过实践认为，了解斜探头的声束扩散角与缺陷定量关系；声束中心轴在水平方向的偏移，以及声束在陷定量关系；声束中心轴在水平方向的偏移，以及声束在垂直方向上的双峰很重要。此外，为鉴别焊缝上两个靠近垂直方向上的双峰很重要。此外，为鉴别焊缝上两个靠近的缺陷，斜探头应有良好的分辨率，盲区不宜过大，探头的缺陷，斜探头应有良好的分辨率，盲区不宜过大，探头的折射角不同，发现缺陷的能力也不同，因此，规定标准的折射角不同，发现缺陷的能力也不同，因此，规定标准折射角与实验折射角的误差越小越好。折射角与实验折射角的误差越小越好。 当横波在工作中传播时遇到缺陷，就会在缺陷当横波在工作中传播时遇到缺陷，就会在缺陷表面反射和波形转换，如图表面反射和波形转换，如图6-1所示。所示。在焊缝探测中，应根据工件的形状、在焊缝探测中，应根据工件的形状、厚度、焊接形式等选择探测方法，选厚度、焊接形式等选择探测方法，选择不当会误判或漏检。择不当会误判或漏检。2 2、声声声声发发发发射射射射技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用在钢铁工业中，高炉炉龄的长短将会直在钢铁工业中，高炉炉龄的长短将会直接影响企业的生产率和经济效益。在使用中，接影响企业的生产率和经济效益。在使用中，应用声发射技术来合理制定高炉修复计划，应用声发射技术来合理制定高炉修复计划，正确、及时地确定修复部位，以便充分利用正确、及时地确定修复部位，以便充分利用设备，缩短修复时间；或者合理地设计、布设备，缩短修复时间；或者合理地设计、布置高炉内部的结构，提高主炉的使用寿命指置高炉内部的结构，提高主炉的使用寿命指标等。这些对提高经济效益有十分重大的意标等。这些对提高经济效益有十分重大的意义。义。四川机电职业技术学院实例：高炉的实例：高炉的声发射检测声发射检测四川机电职业技术学院小小 结结 常用无损检测技术常用无损检测技术常用无损检测技术的原理及方法常用无损检测技术的原理及方法 常用无损检测技术的应用常用无损检测技术的应用实训实训超声波检测焊缝缺陷超声波检测焊缝缺陷实训实训声发射检测高炉缺陷声发射检测高炉缺陷