鄧銀舟，秦 健，江 帆，林鐿琳

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)品檢測(cè)技術(shù)中心，廣東 深圳 518067)

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金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲性能檢測(cè)方法研究

鄧銀舟，秦 健，江 帆，林鐿琳

(深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)品檢測(cè)技術(shù)中心，廣東 深圳 518067)

金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)，結(jié)合現(xiàn)代科研技術(shù)手段在生產(chǎn)設(shè)備檢驗(yàn)中的綜合應(yīng)用，這種檢驗(yàn)方式通過(guò)聲波圖像的波動(dòng)變化反映金屬構(gòu)件疲勞損傷的程度，直觀(guān)的圖像分析和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)綜合應(yīng)用，推進(jìn)我國(guó)設(shè)備維修技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、專(zhuān)業(yè)化發(fā)展。

金屬構(gòu)件；疲勞損傷；非線(xiàn)性超聲波檢測(cè)

非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)是相對(duì)于線(xiàn)性超聲波檢驗(yàn)而言的。線(xiàn)性超聲波是指聲音分貝變大或者變小過(guò)程中，聲頻與波形保持不變，聲音頻率上的運(yùn)動(dòng)源依舊保持穩(wěn)定的狀態(tài)；而非線(xiàn)性超聲波則是音頻與波形隨著聲音分貝的變化而變化，表現(xiàn)出不同的波形特征[1-2]。依據(jù)這一理論，對(duì)聲波應(yīng)用技術(shù)進(jìn)一步深入研究，得出非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)方法。利用聲頻和聲波的非現(xiàn)象變化，對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷后構(gòu)件的性能、壽命、材質(zhì)以及整體性進(jìn)行分析[3]，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用水平的進(jìn)一步深入探究。

1 檢測(cè)理論

1.1超聲波空間傳輸理論

金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中比較先進(jìn)的一種檢驗(yàn)措施。本文對(duì)這種研究技術(shù)進(jìn)行分析主要從理論分析和實(shí)踐分析兩方面入手，其中第一種理論分析，超聲波空間傳輸理論。超聲波是傳播分貝遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人的聲音承受范圍的聲音傳播系統(tǒng)，超聲波的傳播速度比聲音的傳播速度更快，傳播形式更強(qiáng)。超聲波在金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)中應(yīng)用主要是聲音傳播空間性強(qiáng)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)接收器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)金屬超聲波控制研究。超聲波將金屬疲勞損失強(qiáng)度進(jìn)行綜合劃分，并且結(jié)合聲音傳播光纖傳輸技術(shù)，對(duì)超聲波的聲頻傳輸信號(hào)和傳輸強(qiáng)度進(jìn)行科學(xué)聲波模型劃分；另一方面，運(yùn)用分析方程進(jìn)行綜合性線(xiàn)性分析，運(yùn)用線(xiàn)性數(shù)據(jù)分析方程進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分。如果數(shù)據(jù)劃分結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)單數(shù)耦合，則為低程度金屬疲勞損傷；如果為雙向構(gòu)建耦合模型，則為高強(qiáng)度金屬疲勞損傷模型。超聲波的應(yīng)用使非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)理論的聲波圖形清晰程度進(jìn)一步加強(qiáng)，金屬構(gòu)件疲勞損傷強(qiáng)度檢測(cè)準(zhǔn)確性提高。

1.2超聲波信號(hào)檢測(cè)理論

金屬構(gòu)件疲勞損傷的原因主要有兩方面：一方面，機(jī)械設(shè)備無(wú)用功水平較高，導(dǎo)致設(shè)備金屬構(gòu)件磨損情況嚴(yán)重；另一方面，金屬構(gòu)件自身年齡使用壽命較短，材質(zhì)性差，導(dǎo)致金屬構(gòu)件出現(xiàn)疲勞損傷。對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中金屬構(gòu)件疲勞損傷進(jìn)行綜合檢驗(yàn)中應(yīng)用，非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)，是將聲波傳輸檢驗(yàn)技術(shù)與雷法信號(hào)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合融合為一體的雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)。這種檢測(cè)方式能夠充分發(fā)揮非線(xiàn)性聲波檢驗(yàn)強(qiáng)度性特征，應(yīng)用雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行疲勞損傷表層損傷聲波信號(hào)圖反饋。非線(xiàn)性監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也與紅外線(xiàn)光波應(yīng)用結(jié)合，當(dāng)金屬構(gòu)件疲勞損傷嚴(yán)重時(shí)，非線(xiàn)性光波與紅外線(xiàn)監(jiān)測(cè)光波的變化曲線(xiàn)的明顯程度較大；當(dāng)金屬構(gòu)件疲勞損傷程度輕時(shí)，非線(xiàn)性光波與紅外線(xiàn)監(jiān)測(cè)光波的變化曲線(xiàn)的變化程度性較低。此外，超聲波信號(hào)檢測(cè)中同時(shí)應(yīng)用非線(xiàn)性光波與紅外線(xiàn)監(jiān)測(cè)光波，進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，還能夠提高金屬構(gòu)件疲勞損傷程度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.3雷達(dá)超聲波波段分析理論

雷達(dá)超聲波波段分析理論，是將進(jìn)行金屬構(gòu)件檢驗(yàn)過(guò)程中非線(xiàn)性超聲波檢驗(yàn)與無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星信號(hào)檢驗(yàn)技術(shù)相融合。一方面，非線(xiàn)性超聲波應(yīng)用聲頻和聲波變化圖將金屬檢測(cè)圖像反映出來(lái)，為金屬構(gòu)件疲勞損傷提供了直觀(guān)的視覺(jué)圖形檢測(cè)支持。另一方面，檢驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)行雷達(dá)光纖檢驗(yàn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)又為非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)在金屬構(gòu)件疲勞損傷提供了數(shù)據(jù)分析依據(jù)，最大限度的保障了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。此外，為了保障對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷準(zhǔn)確性進(jìn)一步加大，監(jiān)測(cè)人員可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙面檢測(cè)。所謂雙面檢測(cè)，就是應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波應(yīng)用聲頻和聲波變化圖，與雷達(dá)光纖圖像檢測(cè)對(duì)同一金屬構(gòu)件進(jìn)行綜合性分析，應(yīng)用兩種檢測(cè)形式進(jìn)行同步檢測(cè)，也為金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)提供了科學(xué)的理論支持。

1.4超聲波網(wǎng)絡(luò)體系理論

非線(xiàn)性超聲波性能的基礎(chǔ)理論是結(jié)合聲頻傳播與聲波傳輸對(duì)金屬構(gòu)件的疲勞損傷進(jìn)行綜合分析，將這種基礎(chǔ)分析方法中進(jìn)行創(chuàng)新組合，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)衛(wèi)星傳輸技術(shù)與超聲波圖像傳播同步應(yīng)用。這種綜合性圖像檢測(cè)技術(shù)能夠在檢測(cè)程序中構(gòu)建其數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)。隨著程序逐步運(yùn)轉(zhuǎn)，金屬構(gòu)件疲勞損傷平臺(tái)的構(gòu)建程度越完善，從而超聲波網(wǎng)絡(luò)體系理論的傳輸強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。例如：應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)對(duì)鐵金屬構(gòu)件疲勞損傷進(jìn)行檢驗(yàn)，隨著對(duì)鐵金屬構(gòu)件疲勞損傷程度的進(jìn)一步加深，非線(xiàn)性超聲波的數(shù)據(jù)傳播圖像逐步清晰。維修人員依據(jù)非線(xiàn)性超聲波的檢測(cè)圖像分析出金屬構(gòu)件檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，確定金屬構(gòu)件疲勞損傷的理論原因，得出數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)用分析報(bào)告指導(dǎo)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的維修與保護(hù)。

2 方法探究

2.1微裂痕非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)

金屬構(gòu)件疲勞損傷檢驗(yàn)中應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備全面精確化檢驗(yàn)。金屬微裂痕非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)。超聲波進(jìn)行金屬檢驗(yàn)時(shí)首先對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行全方位掃描，金屬表層的微裂痕能夠?qū)Τ暡ǖ膾呙杪暡ǘ萎a(chǎn)生鋸齒式波段。一方面，超聲波變化過(guò)程中，金屬表面的微裂痕隨著聲波變化一張一合，對(duì)超聲波的正常傳輸造成影響，導(dǎo)致超聲波聲波段傳輸穩(wěn)定性產(chǎn)生不同情況的波動(dòng)；另一方面，如果金屬構(gòu)件微裂痕程度較小，當(dāng)超聲波在金屬表面進(jìn)行聲波傳輸時(shí)，金屬表層處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)對(duì)聲波變化產(chǎn)生較大影響，檢測(cè)人員可以通過(guò)這一特征對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷進(jìn)行初步檢驗(yàn)。

2.2累積疲勞損傷檢驗(yàn)

結(jié)合初步檢驗(yàn)結(jié)結(jié)果對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷進(jìn)一層次進(jìn)行檢驗(yàn)。有些金屬疲勞損傷的程度性中大多都屬于微型裂痕損傷，但由于金屬構(gòu)件長(zhǎng)時(shí)間使用造成金屬元件上出現(xiàn)大量的微型裂痕，從而形成了累積式疲勞損傷。在傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件修理中，將這種損傷與微裂痕檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)放在同樣的標(biāo)準(zhǔn)中，使金屬構(gòu)件累積疲勞損傷檢驗(yàn)，維修程度較低，不僅增加了檢測(cè)次數(shù)，而且成為生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的難題。應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)可以通過(guò)超聲波與紅外線(xiàn)同步作用對(duì)金屬構(gòu)件累積疲勞損傷程度進(jìn)行綜合性檢驗(yàn)，并結(jié)合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、光纖數(shù)據(jù)分析對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偵綜合分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷的全面性檢測(cè)，為提高生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用率提供了保障。例如，某大型生產(chǎn)廠(chǎng)應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波性能檢驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步科學(xué)化應(yīng)用，使生產(chǎn)金屬構(gòu)件的疲勞損傷檢驗(yàn)程度進(jìn)一步提高，檢驗(yàn)準(zhǔn)確定得到提高，大大降低了該工廠(chǎng)金屬元件維修費(fèi)用，降低企業(yè)維修費(fèi)用支出，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.3材質(zhì)損傷檢驗(yàn)

金屬構(gòu)件中的材質(zhì)也會(huì)對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷情況造成影響。例如，應(yīng)用非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)對(duì)鐵、銅兩種構(gòu)件進(jìn)行疲勞損傷檢驗(yàn)。從兩種不同材質(zhì)構(gòu)件的超聲波聲頻和聲波變化頻率來(lái)看，鐵構(gòu)件的損耗程度比銅構(gòu)件的波動(dòng)變化更大。由此可見(jiàn)，鐵構(gòu)件的損耗程度比銅構(gòu)件的損耗程度更大。由于鐵的金屬原子穩(wěn)定性比銅弱，鐵原子與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成四氧化三鐵或三氧化二鐵。金屬表面氧化物會(huì)增加生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)中無(wú)用功的比重，從而使生產(chǎn)整體效率較低，對(duì)設(shè)備的整體應(yīng)用造成影響。

2.4疲勞損傷整體性檢驗(yàn)

金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)也能夠?qū)υO(shè)備應(yīng)用的整體性進(jìn)行檢驗(yàn)，超聲波與非線(xiàn)性檢驗(yàn)圖像的結(jié)合應(yīng)用可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中有用功和無(wú)用功的使用情況進(jìn)行分析。如果非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)中微裂痕是金屬構(gòu)件疲勞損傷的主要原因，那么，生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的摩擦力較大，無(wú)用功大于有用功；如果金屬構(gòu)件疲勞損傷的主要原因?yàn)榇笮土押?，原因可能是生產(chǎn)運(yùn)行出現(xiàn)程序問(wèn)題或者構(gòu)件老化，出現(xiàn)突然斷裂。結(jié)合非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)圖像對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷整體進(jìn)行科學(xué)分析。

3 結(jié) 論

金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲波性能檢測(cè)中不僅保留了傳統(tǒng)金屬構(gòu)件的檢測(cè)方式，同時(shí)應(yīng)用超聲波聲頻聲波分析技術(shù)、紅外線(xiàn)分析技術(shù)、衛(wèi)星光纖分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行金屬構(gòu)件疲勞損傷分析。從理論和檢驗(yàn)方式兩方面進(jìn)行分析，推進(jìn)我國(guó)整體維修技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

[1] 吳斌, 顏丙生, 等. 金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲性能檢測(cè)初探[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2014, 31(1): 87-92.

[2] 周正干, 劉斯明. 金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲性能檢測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展探究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 47(8): 2-11.

[3] 顏丙生, 劉自然, 張躍春, 等. 金屬構(gòu)件疲勞損傷非線(xiàn)性超聲性能檢測(cè)方法研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(4): 20-24.

PerformanceTestMethodofNonlinearUltrasonicofMetalComponentinFatigueDamage

DENG Yinzhou, QING Jian, JIANG Fan LIN Yilin

(ShenzhenEntryExitInspectionandQuarantineBureauofIndustrialProductsInspectionandQuarantineTechnologyCenter,Shenzhen,Guangdong518067,China)

We think metal component in fatigue damage performance of nonlinear ultrasonic testing will be combined with modern scientific technology comprehensive application in production equipment inspection. The inspection way by sound wave of the image will reflect the degree of a fatigue damage of metal components in intuitive image analysis, as is an integrated application of precise data analysis technology with advance equipment maintenance technology to realize scientific and professional development in our country.

Metal components; Fatigue damage; Nonlinear ultrasonic test

2016-08-26

鄧銀舟(1974-)，男，廣東清遠(yuǎn)人，工程師，研究方向：材料檢測(cè)，手機(jī)：13823321588，E-mail:719617051@qq.com.

TG115.28

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.026