0 前沿

    隨著科技的發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域中，諸如船舶、工程機(jī)械、核電設(shè)備、飛機(jī)等高端機(jī)械裝備得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，大量的高端機(jī)械裝備在達(dá)到報(bào)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(shí)施高端機(jī)械裝備再制造，不僅能為國(guó)家節(jié)省大量資源，而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。再制造工程作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是針對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)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(hù)環(huán)境效果。

    如今再制造作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，其全球總產(chǎn)值已達(dá)到上千億美元，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，汽車(chē)、工程機(jī)械等高端機(jī)械裝備的再制造產(chǎn)值，更是達(dá)到了500 億美元左右。在重大國(guó)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(mén)，專(zhuān)款專(zhuān)用于國(guó)防工業(yè)的再制造技術(shù)的研究。而作為東亞鄰國(guó)的日本，更是在工程機(jī)械的再制造中，獲得了豐厚的利潤(rùn)，其再制造產(chǎn)品，絕大部分供國(guó)內(nèi)使用，另有三分之一左右出口國(guó)外，其余部分則作為配件進(jìn)行出售。歐洲更是將汽車(chē)廢舊零部件的回收再制造作為一項(xiàng)法規(guī)強(qiáng)制執(zhí)行，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大眾汽車(chē)集團(tuán)所生產(chǎn)的汽車(chē)中，有90%以上零部件都是經(jīng)過(guò)再制造而重新利用的。因而再制造不僅作為保護(hù)環(huán)境的一項(xiàng)技術(shù)手段，更是作為一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來(lái)隨著技術(shù)水平的進(jìn)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(cè)比新產(chǎn)品的壽命預(yù)測(cè)更加困難。目前，在實(shí)際再制造生產(chǎn)中，或者沿用傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法，或者取消壽命預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，給再制造產(chǎn)品的服役安全帶來(lái)極大的隱患。回收的舊機(jī)械零件經(jīng)過(guò)一個(gè)服役周期后，每個(gè)零件的損傷程度存在很大差異，而傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法無(wú)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(shí)際損傷度的再制造毛坯的壽命預(yù)測(cè)模型是非常必要的。然而，缺乏有效定量評(píng)價(jià)微小損傷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和方法，成為再制造毛坯剩余壽命評(píng)估，評(píng)判其能否再制造的關(guān)鍵難題。研究高靈敏度、自動(dòng)化以及易于量化表征的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及方法，是機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域迫切需要解決的課題。

    近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)國(guó)防領(lǐng)域投入的逐年增多，國(guó)防實(shí)力的增強(qiáng)，不可避免地將要面臨廢舊軍用飛機(jī)、坦克、裝甲車(chē)等武器裝備維修和再制造的問(wèn)題，而這些武器裝備服役條件極其復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行損傷檢測(cè)具有較高的難度，一旦出現(xiàn)漏檢、誤檢等失誤，將會(huì)造成巨大損失，因此，這也對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，檢測(cè)結(jié)果的可靠性，檢測(cè)的高效性，以及損傷的可預(yù)見(jiàn)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(duì)高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)的研究進(jìn)行綜述，介紹能夠進(jìn)行表面、表面/近表面、表面/內(nèi)部、內(nèi)部損傷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法，并將其進(jìn)行比較分析，同時(shí)對(duì)當(dāng)前一些并未大范圍應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討。分析并總結(jié)了機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)、存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)。

    1 高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)特點(diǎn)

    高端機(jī)械裝備是指?jìng)鹘y(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(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要行業(yè)，如船舶行業(yè)、工程機(jī)械、核電航空航天等，其具體表現(xiàn)為技術(shù)上高端，為知識(shí)、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(jià)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(jìng)爭(zhēng)力。

    由于高端機(jī)械裝備的服役條件極其復(fù)雜，其損傷類(lèi)型大致可分為工藝缺陷、疲勞損傷和應(yīng)力損傷等類(lèi)型，其再制造無(wú)損檢測(cè)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(cè)的可達(dá)性差，比如離心式壓縮機(jī)葉片、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)等部位，給檢測(cè)工作帶來(lái)很大困難；② 材料范圍廣，包括鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料等，檢測(cè)復(fù)雜，如復(fù)合材料的缺陷一般為分層、基體開(kāi)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(cè)帶來(lái)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(cè)都面臨挑戰(zhàn)；③ 微小損傷的檢測(cè)，很多高端機(jī)械裝備壽命很長(zhǎng)，其構(gòu)件的疲勞特性屬于高周疲勞甚至超高周疲勞，這類(lèi)構(gòu)件的裂紋擴(kuò)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(gè)服役周期，給再制造產(chǎn)品服役安全帶來(lái)極大隱患，因此，檢測(cè)出微小裂紋對(duì)于高端機(jī)械裝備再制造是非常必要的；④ 損傷定量檢測(cè)。要確定構(gòu)件能否再制造，需要量化評(píng)價(jià)構(gòu)件的損傷程度，確保服役安全。

    2 再制造無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概況

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

    現(xiàn)階段無(wú)損檢測(cè)已進(jìn)入無(wú)損評(píng)價(jià)的發(fā)展階段中，在這個(gè)階段中，不僅要對(duì)缺陷的定性、定量、定位的三定問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還要進(jìn)一步根據(jù)所檢測(cè)出的缺陷來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)被檢件性能的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象壽命評(píng)估的目的。未來(lái)隨著技術(shù)水平的逐漸提高，再制造無(wú)損檢測(cè)將主要有裝備的早期診斷、原位檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)三大發(fā)展方向。

    2.1 表面檢測(cè)方法

    表面檢測(cè)是指能夠?qū)Σ牧媳砻鎿p傷的情況進(jìn)行檢測(cè)的方法。目前的常規(guī)檢測(cè)方法幾乎都能檢測(cè)材料表面缺陷，而滲透檢測(cè)是唯一只適用于表面缺陷檢測(cè)的常規(guī)方法。滲透檢測(cè)是利用滲透液將試件內(nèi)的缺陷進(jìn)行放大顯示，從而實(shí)現(xiàn)用肉眼觀察試件表面開(kāi)口缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。滲透檢測(cè)可按滲透劑、顯像劑和去除劑等的不同進(jìn)行分類(lèi)。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(wú)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(cè)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(cè)。滲透檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是，檢測(cè)設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單、對(duì)人員的要求不高、缺陷顯示直觀、檢測(cè)靈敏度較高。滲透檢測(cè)的局限是，只能檢測(cè)表面開(kāi)口缺陷、對(duì)多孔性材料檢測(cè)困難、檢測(cè)結(jié)果受檢測(cè)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(jià)的滲透劑、顯像劑和去除劑，并提高檢測(cè)自動(dòng)化和智能化是滲透檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的研究方向。

    在船用柴油機(jī)的安全監(jiān)測(cè)和檢測(cè)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(guò)渡區(qū)有無(wú)裂紋，軸瓦以及各種中間軸和尾軸的軸瓦的表面狀況，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的服役狀況進(jìn)行檢測(cè)不僅延長(zhǎng)了軸承使用壽命，確保了柴油機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，同時(shí)也提高了船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益。

    2.2 表面/近表面檢測(cè)

    表面/近表面檢測(cè)是指能夠?qū)Σ牧媳砻?近表面損傷的情況進(jìn)行檢測(cè)的方法，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法中當(dāng)前多采用磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、紅外檢測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)表面/近表面損傷的檢測(cè)。

    2.2.1 磁粉檢測(cè)

  磁粉檢測(cè)是指利用磁粉在缺陷漏磁場(chǎng)處的聚集效應(yīng)，將材料的缺陷實(shí)現(xiàn)放大且對(duì)比度提高，以磁痕的形式顯示材料中缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。當(dāng)前多數(shù)中小型再制造企業(yè)多采用磁粉檢測(cè)的方法來(lái)對(duì)試件表面及近表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，常使用如CJW-9000 型交流固定式磁粉探傷機(jī)等設(shè)備。由于磁粉檢測(cè)結(jié)果直觀，工藝簡(jiǎn)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(cè)雖應(yīng)用較廣泛，但仍處在不斷進(jìn)步和發(fā)展之中，當(dāng)前主要有以下幾個(gè)熱門(mén)研究方向，包括對(duì)環(huán)保價(jià)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(duì)磁痕的智能化評(píng)定和檢測(cè)靈敏度的理論模型的建立。當(dāng)前磁粉探傷儀由于其檢測(cè)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(jī)結(jié)構(gòu)件的損傷檢測(cè)中也得到了很好的效果。

    2.2.2 渦流檢測(cè)

    渦流檢測(cè)是利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)定被檢導(dǎo)電工件在交變磁場(chǎng)激勵(lì)作用下所感生的渦流特征，來(lái)無(wú)損地檢測(cè)該試件中有無(wú)缺陷或評(píng)定其技術(shù)狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法。但常規(guī)的渦流檢測(cè)方法對(duì)缺陷的定性、定位、定量都比較困難。隨著計(jì)算機(jī)信號(hào)處理與分析技術(shù)的發(fā)展，其在渦流檢測(cè)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(hào)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(cè)量，主元分析法則廣泛用于裂紋的類(lèi)型識(shí)別與分類(lèi)中。基于各種算法的脈沖渦流信號(hào)的分析與處理技術(shù)的引入，大大促進(jìn)了渦流檢測(cè)技術(shù)在降噪、測(cè)厚和裂紋模式識(shí)別等方向的發(fā)展。隨著對(duì)渦流檢測(cè)技術(shù)研究的深入，出現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、脈沖渦流、多頻渦流等新技術(shù)。國(guó)防科技大學(xué)楊賓峰等利用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的第二層中的腐蝕缺陷的定量檢測(cè)，由于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)具有定量化和高效的優(yōu)點(diǎn)，因此其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕檢測(cè)中必定有較廣闊的應(yīng)用前景。

    2.2.3 紅外檢測(cè)

    紅外無(wú)損檢測(cè)利用紅外熱像設(shè)備，通過(guò)測(cè)量被檢對(duì)象表面的紅外輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為可用于試驗(yàn)分析的電信號(hào)，將其溫度場(chǎng)以彩色圖或灰度圖的方式顯示出來(lái)，根據(jù)其溫度場(chǎng)的分布情況，來(lái)推算被檢試件是否存在缺陷。紅外無(wú)損檢測(cè)對(duì)材料表面的缺陷比較敏感，但是受其原理影響對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)有一定的困難，同時(shí)由于紅外無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(lái)根據(jù)紅外檢測(cè)主動(dòng)激勵(lì)方式的不同，學(xué)者們提出許多新方法，包括振動(dòng)熱像法、調(diào)制熱像法和紅外熱波法等。其中紅外熱波檢測(cè)技術(shù)在再制造無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景被看好。ZWESCHPER 等用同步熱成像法對(duì)CFRP 航天器構(gòu)件進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。表1 為幾種主要用于表面及近表面無(wú)損檢測(cè)方法的比較。

    2.3 表面/內(nèi)部

    表面/內(nèi)部檢測(cè)是指既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試件表面損傷的檢測(cè)，同時(shí)也可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。

    2.3.1 聲發(fā)射檢測(cè)

    材料局部能量的快速釋放就會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)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?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)儀器檢測(cè)、記錄并分析該信號(hào)，可以推算出聲發(fā)射源的位置，進(jìn)而尋找到應(yīng)力集中區(qū)域，實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的目的。

    當(dāng)前對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)的研究主要集中在聲發(fā)射源的識(shí)別與評(píng)價(jià)、檢測(cè)傳感器以及檢測(cè)系統(tǒng)儀器的研制。目前的理論研究熱點(diǎn)是聲發(fā)射源的建模以及聲發(fā)射現(xiàn)象的物理機(jī)制的深入探索。聲發(fā)射檢測(cè)由于其檢測(cè)原理的特殊性，非常適合大型復(fù)雜再制造產(chǎn)品的實(shí)時(shí)在線無(wú)損監(jiān)測(cè)；并且由于其為非接觸式檢測(cè)，可在極其復(fù)雜和極端的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)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(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域承擔(dān)越來(lái)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(wú)損檢測(cè)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(cè)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(cè)

    射線檢測(cè)是根據(jù)射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)會(huì)因衰減而造成強(qiáng)度降低，其衰減程度取決于被檢構(gòu)件的材料、射線類(lèi)型和穿透距離。當(dāng)把強(qiáng)度均勻的射線照射到構(gòu)件的一個(gè)側(cè)面時(shí)，由于各部位對(duì)入射射線的衰減不同，透射射線的強(qiáng)度分布就會(huì)不均勻。這樣，使用照相、熒光屏等觀察手段，通過(guò)在檢測(cè)構(gòu)件另一側(cè)的射線強(qiáng)度，便可推算出構(gòu)件內(nèi)部的缺陷的種類(lèi)、大小及其分布情況。通常用于射線檢測(cè)的射線類(lèi)型主要有X 射線、γ 射線和中子射線三種類(lèi)型。近年來(lái)隨著信息傳感技術(shù)、信號(hào)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(cè)技術(shù)層出不窮，如高能X 射線、射線實(shí)時(shí)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(cè)法對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的腐蝕損傷進(jìn)行了成功的定位檢測(cè)，目前射線檢測(cè)已成功地應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、石油礦山、機(jī)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(cè)

    內(nèi)部檢測(cè)是指既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試件表面損傷的檢測(cè)，同時(shí)也可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)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(duì)從缺陷處反射回來(lái)的超聲波進(jìn)行接收，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比較和分析，便可知道試件內(nèi)部的損傷情況。超聲檢測(cè)具有成本低、操作方便的特點(diǎn)。但是常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)需要用到耦合劑或采用水浸法，在某些場(chǎng)合使用不方便。

    同時(shí)由于超聲檢測(cè)存在近場(chǎng)盲區(qū)，從而僅能對(duì)試件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)盲區(qū)以?xún)?nèi)的缺陷則不能實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)。隨著對(duì)超聲檢測(cè)研究的深入，針對(duì)常規(guī)超聲因使用耦合劑帶來(lái)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(duì)微小裂紋的檢測(cè)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(cè)的應(yīng)用范圍。超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是，檢測(cè)成本低、設(shè)備輕便、操作安全、適用對(duì)象廣、對(duì)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(cè)的局限為，存在檢測(cè)盲區(qū)、檢測(cè)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(guó)船級(jí)社使用超聲相控陣和TOFD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生的疲勞裂紋的檢測(cè)，有效地解決了大型船只的使用安全問(wèn)題。

    3 目前無(wú)損檢測(cè)研究熱點(diǎn)

    雖然當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的種類(lèi)已近上千種，但是隨著工程實(shí)踐要求的逐漸提高，對(duì)檢測(cè)的水平提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一些常規(guī)檢測(cè)技術(shù)的新的研究方法和方向，以應(yīng)對(duì)日益提高的檢測(cè)要求。

    3.1 非線性超聲

    傳統(tǒng)超聲檢測(cè)觀察時(shí)域信號(hào)，受波長(zhǎng)等因素所限，對(duì)于微缺陷、微裂紋以及如粘接、分層等界面缺陷不敏感，同時(shí)對(duì)于金屬疲勞等力學(xué)性能退化尚缺乏有效評(píng)價(jià)手段。然而隨著高端機(jī)械裝備的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，對(duì)材料內(nèi)部微裂紋的檢測(cè)提出了越來(lái)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(duì)微裂紋有較好的檢出效果，對(duì)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(cè)手段的有效補(bǔ)充。下面簡(jiǎn)單介紹一下非線性超聲檢測(cè)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(shí)，將誘發(fā)裂紋區(qū)域部分閉合，這種變化將會(huì)對(duì)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(chēng)為彈性接觸機(jī)制，為便于裂紋的定量計(jì)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(jìn)而可得到諧波幅值的計(jì)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(shí)，相互間的作用力將引起裂紋界面的不斷張開(kāi)與閉合，也會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生一定的調(diào)制作用，這種現(xiàn)象稱(chēng)為碰撞接觸機(jī)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(gè)模型與超聲波動(dòng)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(jìn)而獲得非線性系數(shù)與分布參數(shù)間的關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)材料進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)的目的。在非線性超聲物理機(jī)制研究方面，SUTIN[利用界面開(kāi)合現(xiàn)象對(duì)聲調(diào)制進(jìn)行了解析；PECORARI通過(guò)分析裂紋界面對(duì)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(duì)非線性超聲現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)耆珜?shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷的定量檢測(cè)還需要進(jìn)一步的研究。

    3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流

    面對(duì)常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)深度的限制問(wèn)題，研究工作者提出了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，從而將渦流檢測(cè)的范圍從一定程度上擴(kuò)大到了材料內(nèi)部。

    遠(yuǎn)場(chǎng)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(dá)式如下。

    通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度或者檢測(cè)線圈的電參數(shù)變化之間的聯(lián)系。

    由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的對(duì)象是金屬導(dǎo)體，根據(jù)波動(dòng)方程，并將其簡(jiǎn)化后可得如下電磁滲透方程

    遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的探頭是由兩個(gè)同軸的螺線管線圈組成，如圖1 所示。其中一個(gè)是檢測(cè)線圈，檢測(cè)線圈不像常規(guī)渦流檢測(cè)，檢測(cè)線圈緊靠激勵(lì)線圈，而是在遠(yuǎn)離激勵(lì)線圈2～3 倍的管內(nèi)徑處，需要測(cè)量的不是檢測(cè)線圈的阻抗而是檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓的幅值和相位信號(hào)。另一個(gè)是激勵(lì)線圈，通有低頻正弦交流電。由于檢測(cè)線圈所接收的磁通信號(hào)主要是兩次穿越管壁后的信號(hào)，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(cè)到這種信號(hào)。

    遠(yuǎn)場(chǎng)渦流最早是由美國(guó)人MACLEAN 于1951年申請(qǐng)專(zhuān)利時(shí)提出的。其后殼牌公司SCHMIDT研究出一套用于井下套管檢測(cè)的系統(tǒng)，并得到了較好的效果。20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，該項(xiàng)技術(shù)得到了許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，并將計(jì)算機(jī)數(shù)值分析和有限元分析方法引入遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)的分析處理當(dāng)中，使遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)。20 世紀(jì)90 年代之后遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)逐漸得到國(guó)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(yàn)設(shè)計(jì)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(kāi)展了相關(guān)工作，并取得了一定成績(jī)。當(dāng)前應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)已可穿透厚度為18～25 mm 的飛機(jī)常用多層結(jié)構(gòu)的進(jìn)行損傷檢測(cè)，并得到了較好的效果。

    然而，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)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(cè)，其在高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用還有待研究。同時(shí)其探頭太長(zhǎng)，難以通過(guò)管道彎曲部位；檢測(cè)信號(hào)幅值過(guò)小，僅為幾微伏至十幾微伏，對(duì)信號(hào)接收過(guò)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(diǎn)，如非接觸式檢測(cè)；抗干擾能力強(qiáng)；可遠(yuǎn)距離激發(fā)和接收，方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)；可對(duì)表面形狀復(fù)雜的對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)探測(cè)激光束被聚焦成10μm 的小點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)微米級(jí)的空間分辨率，利用超聲波衍射方法可檢測(cè)微小缺陷和裂紋；檢測(cè)效率很高。然而由于其探測(cè)靈敏度低、檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備昂貴和維護(hù)成本高等問(wèn)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(huì)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(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生超聲波。超聲波在材料中傳播時(shí)，當(dāng)經(jīng)過(guò)聲阻抗變化的區(qū)域時(shí)會(huì)受到某種調(diào)制作用，導(dǎo)致聲場(chǎng)分布特征發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)超聲波進(jìn)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(cè)。

    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(gè)表面彈性力源，并建立了相應(yīng)的點(diǎn)源模型和表面應(yīng)力位移表達(dá)式。SUTIN 等利用積分變換，將公式進(jìn)行了進(jìn)一步的推導(dǎo)。但早期研究均為考慮介質(zhì)的熱擴(kuò)散效應(yīng)，BALTAZAR 等在這方面進(jìn)行了嘗試，但始終無(wú)法準(zhǔn)確描述激光超聲的理論模型。近年來(lái)有限元法的引入，推動(dòng)了激光超聲理論的發(fā)展，國(guó)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(yàn)層面都有了較大突破。

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

    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(wèn)題，比如激光能量到超聲能量的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題以及激光超聲信號(hào)檢測(cè)靈敏度問(wèn)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(cè)靈敏度進(jìn)一步提高，激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)必將會(huì)在高端機(jī)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(cè)

    金屬磁記憶檢測(cè)的原理是，鐵磁性試件在地球磁場(chǎng)的環(huán)境下，受到工作載荷作用時(shí)，應(yīng)力集中處的磁疇組織會(huì)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(chǎng)Hp 發(fā)生改變，出現(xiàn)法向分量Hp（y）“過(guò)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(cè)磁儀器，通過(guò)測(cè)定構(gòu)件表面漏磁場(chǎng)法向分量Hp（y）過(guò)零點(diǎn)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(cè)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(zhuān)家學(xué)者的普遍認(rèn)可。

    金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)較之其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)而言是一項(xiàng)新技術(shù)，其理論基礎(chǔ)還有待進(jìn)一步完善。由于金屬磁記憶檢測(cè)方法屬于弱磁信號(hào)檢測(cè)，信號(hào)易受其他因素干擾，因此，金屬磁記憶檢測(cè)的重復(fù)性與可靠性有待進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)各大高校和科研機(jī)構(gòu)，如裝甲兵工程學(xué)院徐濱士院士團(tuán)隊(duì)、南昌航空大學(xué)任吉林教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)等對(duì)金屬磁記憶技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了顯著的成果。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的不斷深入研究，未來(lái)有望在金屬磁記憶檢測(cè)機(jī)理、磁記憶檢測(cè)特征量的提取、損傷定量評(píng)價(jià)等方面取得突破性進(jìn)展，使得該項(xiàng)技術(shù)在再制造毛坯可再制造性評(píng)價(jià)方面發(fā)揮重要作用。

    4 當(dāng)前再制造無(wú)損檢測(cè)存在的問(wèn)題與難點(diǎn)

    不難看出，當(dāng)前有關(guān)機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)的研究得到了國(guó)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(yàn)研究階段，距離工程應(yīng)用還有相當(dāng)一段差距。

    當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者在再制造無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究方面，主要聚焦于研究對(duì)試件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、聲發(fā)射、激光全息檢測(cè)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(shí)受外界干擾較大，一些厚大零件損傷的檢測(cè)更為困難。

    微小裂紋的檢測(cè)困難。材料的宏觀缺陷多數(shù)都是從微小裂紋發(fā)展出來(lái)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(jìn)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(duì)微小裂紋所得到微弱信號(hào)很難獲取并解析，其受外部擾動(dòng)的影響也較大，這都從一定程度上制約了對(duì)微小裂紋的檢測(cè)。

    損傷（尤其是微小損傷）定量評(píng)價(jià)一直是困擾再制造無(wú)損檢測(cè)界的難題。損傷的定量化是評(píng)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(cè)及激光超聲檢測(cè)技術(shù)有望解決這一問(wèn)題，但仍有很長(zhǎng)的路要走。一些學(xué)者嘗試將多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相互融合，利用多種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，并對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行信息融合，從而提高檢測(cè)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(shí)現(xiàn)真正地信息互通與融合還需要進(jìn)一步的研究。

    5 高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)發(fā)展趨

    勢(shì)未來(lái)若干年的再制造無(wú)損檢測(cè)仍然將以磁粉、超聲、渦流、滲透、X 射線五大類(lèi)檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)將向速度更快、靈敏度更高、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展。

    傳統(tǒng)的射線檢測(cè)的缺陷比較明顯，需要耗費(fèi)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(cuò)誤缺陷，而且探傷的時(shí)間比較長(zhǎng)，評(píng)定質(zhì)量比較低。因此，射線無(wú)損檢測(cè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是利用數(shù)字成像的掃描系統(tǒng)來(lái)實(shí)施檢測(cè)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片處理。射線實(shí)時(shí)成像、數(shù)字射線成像、工業(yè)CT 等新的射線檢測(cè)技術(shù)，以其缺陷定位、定量評(píng)價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)，將在機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。國(guó)外已開(kāi)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(jì)算機(jī)模擬仿真等技術(shù)，進(jìn)行材料疲勞微裂紋擴(kuò)展等研究。

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

    6 結(jié)論

    本文總結(jié)了高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析與比較。介紹了幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究熱點(diǎn)，指出當(dāng)前機(jī)械裝備無(wú)損檢測(cè)存在的問(wèn)題與難點(diǎn)。闡述了高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。微小損傷的定量檢測(cè)將成為再制造無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。高端機(jī)械裝備再制造無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將向著圖像化、數(shù)字化、自動(dòng)化、高靈敏度方向發(fā)展。各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，必將使其在機(jī)械裝備再制造工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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