非金属超声检测仪（精选8篇）
非金属超声检测仪 篇1
固体火箭发动机通常由壳体、绝热层、包覆层、推进剂四层材料通过胶粘剂粘结固化而成。受温度、加速度载荷[1]等影响,层间可能出现脱粘(包括间隙型脱粘和紧贴型脱粘)。推进剂燃烧时,脱粘区域迅速扩大并被窜入的火焰点燃,导致燃烧室压力骤升,严重危害火箭弹的发射安全性和飞行稳定性,对于发动机各层间的粘接质量检测是发动机生产和验收过程中十分重要的环节。
壳体是一种高强度合金钢,绝热层、包覆层和推进剂都是成分复杂的有机复合材料,属于粘弹性体[2],性状类似橡胶。对于这种由金属与非金属组成的多层粘接结构的检测,其基本物理模型如图1所示,目前主要使用的方法是工业CT[3]和超声波[4],其中超声检测因其检测速度快、能检出间隙开度很小的紧贴型脱粘且成本低廉而广泛应用于实际生产。但是,由于金属对橡胶的超声屏蔽效应使得超声很难透过金属进入橡胶层,同时因为橡胶对超声的强衰减作用致使本已十分微弱的超声信号很难到达下一界面,基于以上两点,目前常规超声方法仅能较好地检测第一界面的脱粘缺陷,对于深层界面的脱粘仍难以发现。近年来,国内外通过对超声在材料中的传播特征规律的深入研究,借助计算机实现快速信号处理等手段,多项技术综合运用,对深层界面的脱粘检测取得了重要突破,获得了比较满意的检测效果。
1 界面回波分离
由于1界面两侧介质声阻抗差异悬殊,超声波在此界面发生强烈反射(声压反射率接近90%),加上金属对超声的衰减较小,使得超声波在金属层内来回多次反射;同时,透过1界面的声波经过橡胶层的多次强衰减作用变得十分微弱,因此要分析各界面的粘接状态,必须分离出各界面的反射回波。
1.1 常数分离法[5]
模拟层间脱粘,制作如图2所示的脱粘试样。其中yi(i=1,2,3)为i界面脱粘时换能器接收到的回波信号,yij(j=0,1,…,i)表示yi中i界面的回波分量,ri(i=0,1,2,3)为i界面的声压反射率,ti(i=0,1,2,3)为i界面的声压透射率。
分离过程如下:
以分离1界面脱粘时1界面的回波信号为例,y1=y10+t0y11,选择合适的时间窗可以使0界面反射回波y10不进入换能器接收范围,则
y11=y1/t0,y21=r1y11 (1)
y1即换能器接收到的波形。y11和y21分别是该界面脱粘和未脱粘的波形。同理
y22=y11-y21=y11-r1y11=(1-r1)y11,y32=r2y22 (2)
y33=y22-y32=y22-r2y22=(1-r2)y22,y43=r3y33 (3)
分离结束,得到了i界面脱粘和粘好时i界面的回波信号,滤除了上面层的反射回波,为后期信号处理提供了方便。本方法利用了界面反射率ri逐层分离回波信号,所以称为常数分离法。
常数分离法能够分离出2、3界面回波,但不能分离出4界面及高界面的回波。分析其原因主要有:①实际检测中,检测位置的不同会使同界面的回波一致性有差异;②信号在界面处反射和透射,都会引起回波信号相位变化;③由于界面层次多,前面界面分离的误差将带入更高界面层次的分离,高界面误差积累很严重。
1.2 自适应滤波分离法[5]
自适应滤波法的基本思想和常数分离法一样,也是用已分离出的界面回波为参考信号,对下一界面回波进行分离,它与常数分离法的主要区别在于用一个自适应处理器来取代常数ri的功能。自适应滤波的原理是通过估计输入信号的统计特性并调整其本身的响应使某一代价函数达到最小值。自适应滤波处理器通常由两个部分构成,即滤波器部分和自适应算法部分(用来调整滤波器的参数)。
图3是自适应滤波的原理图,信号yii(k)为参考信号,信号yi+1(k)为输入信号,信号y(i+1)i(k)是自适应滤波器的输出,信号y(i+1)(i+1)(k)是最后系统的输出,e(k)称为误差信号。这里i代表第i界面,yi+1表示要处理的回波信号,yii代表已提取的i界面回波,以之相对应的y(i+1)i表示经自适应滤波调整后的yi+1中的i界面回波,y(i+1)(i+1)代表得到的i界面回波。
自适应滤波主要是根据误差最小准则来调整滤波器系数的。即该系数必须使L1准则下|e|的期望最小,即
E(|e|)=min
由于自适应滤波分离法利用统计学规律,加上自动控制中的反馈思想,使y(i+1)i(k)模拟yi+1(k)中的yii(k)所代表的i界面回波,然后将信号yi+1(k)中的i界面回波分离出去,最终得到的是下一个界面的回波。
2 缺陷特征的提取
要评价界面的粘接状态,必须选取一个能反映粘接S状态的特征量X,X可以是一个数,也可以是一个向量。经过界面回波分离得到了各个界面脱粘和粘好的回波信号y′(t),y(t),从其中提炼出能满足要求的X,既有时域和频域的分析方法,也有时频域综合的小波分析法。
2.1 时域分析方法
2.1.1 峰值法[6]
即将y′(t),y(t)的峰值作为特征量X。
2.1.2 积分法[7]
分别对y′(t),y(t)求希尔伯特包络线,然后对t进行积分,将得到的积分值作为X。
2.1.3 统计特征法[2]
分别求取y′(t)、y(t)的统计特征,包括期望、均方值、方差等,X既可以是其中一个统计特征,也可以是某几个所组成的向量。
2.2 频域分析方法
2.2.1 幅度谱法[8]
信号经傅里叶变换得到幅度谱,幅度谱可用的特征量有振幅谱主频率、振幅谱极大值、平均中心频率、频带宽度、频谱一(二)阶矩、优势频带宽度、优势频率等。
2.2.2 功率谱法[8]
功率谱从统计的角度出发,结合傅氏分析法,对具有随机性质的信号分析上有比幅度谱法更好的效果。功率谱可用的特征量有加权功率谱平均功率、指定带宽能量、加权功率谱功率、有限频带能量、主频对应能量等。
2.2.3 倒频谱法[8]
倒频谱可以用来分析复杂频谱图上的周期成分,分离和提取在密集泛频信号中的成分。在分析具有同族谐振和异族谐振等复杂信号时,效果很好。实际工程中常用的倒频谱表达式为
式中,Ca(τ)称为幅值倒频谱,定义为“对数功率谱的傅里叶变换”。倒频谱中可用的特征量有峰值时间,峰值大小等。
2.2.4 最大熵谱估计法[9]
最大熵谱法是伯格在1967年首先提出的一种按最大熵外推相关函数的谱分析方法。该方法没有固定的时间窗,克服了传统谱分析方法中分辨率低、频谱“泄露”等现象。最大熵谱估计的原理是根据已知数据信息,在不进行任何新的假设的情况下,合理地预测未知延迟离散时间上的相关函数,也就是说在据已知信息外推相关函数时,每一步都保持未知时间的不确定性或熵为最大。
检测中将回波信号的衰减系数[7,10]作为反映界面粘接质量的特征量,在频域中对衰减系数进行估计的方法主要有三种,即谱差法、谱移法、谱距法,研究中主要采用谱移法。谱移法的关键是求取回波中心频率,研究中采用最大熵谱估计法对回波信号进行功率谱估计。
2.3 小波分析法[9,11,12]
小波分析法的本质是用一个窗口大小(面积)恒定,高宽比可自由伸缩的窗口对信号截断处理,这样带来的好处是对于低频信号可以使用高宽比小(大尺度)的窗口,使得更多的信号进入窗口,从而看到信号的全貌,而对高频信号可以使用高宽比大(小尺度)的窗口,获得更多细节,同时节省计算资源。
对已获得的各界面脱粘和粘好信号进行n尺度分解,恢复各个尺度下的细节信号,计算各个尺度上细节信号的能量谱,得到由不同尺度下的能量组成的n维向量X,这个向量就可以作为反映粘接状态的特征量。
3 缺陷的识别
至此,已经获得了脱粘和粘好的特征值XD和XA,实际检测中被检件的特征值X可能位于这两值之间,这时该如何评价粘接状态呢。
3.1 平均值法[13]
所谓平均值法就是将XD和XA算术平均后作为缺陷判定的依据
3.2 模糊分类法[14,15,16]
平均值算法只当X为实数时才有效,当X为n维向量时是无法比较大小的。模糊算法就是一种确定被检材料的特征量与哪种脱粘程度的特征量比较接近的算法。
在模糊数学中,衡量两个模糊集的贴近度有三种算法:
Hamming贴近度:
Eucild贴近度:
Minkowski贴近度:
其中,A,B表示两种粘接状态,xi表示其对应的特征量X中的各分量,ρ(A,B)表示A,B两种粘接状态的接近程度。分别计算被检件的特征量X与XD和XA的距离,距离小者认为这俩状态更接近。
3.3 贝叶斯分类法[17]
粘接状态虽然只笼统地分为脱粘和粘好,但同一种粘接状态所对应的特征量X并不是一成不变的,而是近似地服从正态分布。某特定状态对应的特征量X的概率密度函数为
式中,n为向量X的维数,表示粘接状态,us和σs分别为该状态下X的期望向量和协方差矩阵。可以用大量样本得到的估计值代替他们。最终可以得到贝叶斯线性判别函数
ys(X)=lnqs+c0s+c1sx1+…+cnsxn (10)
式中,cis表示判别系数,可由样本的期望和协方差矩阵求出:qs为粘接状态s的先验概率;xi为特征量X的分量。利用此数学模型便能对粘接状态进行判别,若yD(X)>yA(X),表示未知状态S落在脱粘范围内的概率大于落在粘好范围的概率,认为脱粘存在,否则认为粘接良好。
3.4 人工神经网络分类法[9,11,18]
人工神经网络是一个由大量非线性变换单元广泛互联而成的网络,是一个复杂的多参数非线性函数,它可以通过学习、逼近各种预测模型而不需要人的事先干预,从而既避免了人为因素的影响,又简化了预测过程。目前无损检测中,人工神经网络的训练算法一般采用较成熟的BP算法,即误差信号反向传播算法。BP神经网络由输入层、隐含层和输出层组成,层与层之间采用全互联方式。
在对脱粘缺陷的识别中,神经网络的输入量是n维特征量X,因此输入层需要n个节点;网络的输出结果只有两个,即脱粘和粘好,因此输出层只需两个节点,这样网络的输出Y是个二维向量。对粘接状态已知的试件进行检测,得到一系列样本(X,Y),用这些样本对神经网络进行训练,直到总误差满足精度要求为止,这样就建立了BP模型。将某被检件的特征量X输入到这个模型即可得到粘接状态的判别结果。
4 结束语
对于多层粘接结构的检测,目前在超声检测方法上还没有比较有效的手段,只能寄希望于后期的信号处理了。对多层粘接结构信号处理的一般模式是信号预处理(滤波放大等)、界面回波分离、特征量提取、模式(缺陷)识别。必要时还可根据识别的结果做图像重构及报警等。但必须看到的是,信号处理结果毕竟是“算”出来的,有些情况下得出的结果并不可靠,所以并不能完全依赖信号处理这个手段,需要多种无损检测方法并用方可得到比较可靠的检测结论。
非金属超声检测仪 篇2
学号姓名：刘长军刘倩倩刘嘉威刘校 罗林李鑫林祥祥林晗 老师：袁新娣
时间：
2013年11月
引言认识金属探测器金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。比如在机场、大型运动会(如奥运会)、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门(包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂)也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。而为了能够准确判定金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的灵敏度。目前。国外虽然已有较为完善的系列产品，但价格及其昂贵；国内传统的金+.属探测器则是利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰。
一、设计目的1、进一步了解和运用涡流效应的原理。
2、了解电容三点式振荡电路原理。二：任务和要求
1、任务：设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子。
2、探测器性能要求：（1）工作温度范围：-40℃——+50℃。（2）连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h（小时）。（3）要求当有金属靠近传感器时相应的电路会发出警报。（4）探测距离在20mm以内。
三、总方案设计
1、元器件的准备电路中的NPN型三极管型号为9014,三极管VT1的放大倍数不要太大，这样可以提高电路的灵敏度。VD1-VD2为1N4148。电阻均为1/8W。金属探测器的探头是一个关键元件，它是一个带磁心的电感线圈。磁心可选Φ10的收音机天线磁棒，截取15mm，再用绝缘板或厚纸板做两个直径为20mm的挡板，中间各挖一个Φ10mm的孔，然后套在磁心两端，如图1所示。最后Φ0.31的漆包线在磁心上绕。如果不能自制，也可以买一只6.8mH的成品电感器，但必须是那种绕在“工”字形磁心上的立式电感器，而且电感器的电阻值越小越好。
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2、电路的制作与调试图2是金属探测器电原理图图，组装前将所用元器件的管脚引线处理干净并镀上锡。对照三个图，依次将电阻器、二极管、电容器、三极管、发光二极管、微调电阻器焊到电路板上，再将电感探头连接到电路板上。电路装好，检查无误就可以通电调试。接通电源，将微调电阻器R8的阻值由大到小慢慢调整，直到发光二极管亮为止。然后用一金属物体接近电感探头的磁心端面，这时发光二极管会熄灭。调整微调电阻器R8可以改变金属探测器的灵敏度，微调电阻器R8的阻值过大或过小电路均不能工作。如果调整得好，电路的探测距离可达20mm。但要注意金属探测器的电感探头不要离元器件太近，在装盒时不要使用金属外壳 S L1 6.8mH 1 3 C20.01uf0.01ufCAP NP R1 3.3kR23.3k R36.8k R4100 R6680k R72M R8 5.1k C4 0.1ufC5 0.1ufC72.2uf Q1A TR_2_IS_N_A 3 1 2 Q1BTR_2_IS_N_A 6 4 5 Q2A TR_2_IS_N_A 31 2 0.01uf CAP NP D1 DIODED2DIODE D3 LED5V
图2 金属探测器总原理图
3、电路工作原理涡流效应图3涡流传感器结构图根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体(如:金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等)μr1， 较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钴、镍）μr很大，也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。金属探测器电路中的主要部分是一个处于临界状态的振荡器，当有金属物品接近电感L（即探测器的探头）时，线圈中产生的电磁场将在金属物品中感应出涡流，这个能量损失来源于振荡电路本身，相当于电路中增加了损耗电阻。如果金属物品与线圈L较近，电路中的损耗加大，线圈值降低，使本来就处于振荡临界状态的振荡器停止工作。从而控制后边发光二极管的亮灭。在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器构成了一个电容三点式振荡器用如图4所示。VT1的静态工作点：取R6=6.8K（电位器）,R2=3.3K,VBQ=0.5VCC。当图2中三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用使它 的集电极信号为负。两个电容器两端的信号极性通过电容器的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡，R8和R1的存在，消弱了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。S L1 6.8mH 1 3 C2 0.01uf0.01ufCAP NP R1 3.3k0.01uf CAP NP
图4 电容三点式振荡电路理论计算振荡器的频率为：（C是C1，C2的串联）金属探测器的振荡频率约为40KHz，主要由电感L、电容器C1、C2决定。调节电位器R8减小反馈信号，使电路处在刚刚起振的状态。电阻器R6是三极管VT1的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器C4、电阻器送到由三极管VT2、电阻器R3、R9及电容器C5等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和VD2进行半波整流，电容器C7进行滤波。整流滤波后的直流
电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发光二极管VD3亮。在金属探测器的电感探头L接近金属物体时，振荡电路停振，没有信号通过电容器C4，三极管VT3的基极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二极管熄灭。
R4 100 C72.2uf Q2A TR_2_IS_N_A 31 2 D1 DIODE D3 LED5V
图5 发光二极管检测电路
四、原件清单
NPN9014
3个
0.01uF无极性电容
3个
0.1uF电容
2个
202uF电容
1个自制电感线圈
1个二极管1N4004
2个
发光二极管
1个 6.8K电阻
1个 6.8K变阻器
1个 3.3K电阻
2个 100欧姆电阻
1个 2M电阻
1个 5.1K变阻器
1个 9K电阻
1个
非金属超声检测仪 篇3
1 临床资料
1.1 一般资料
采用自1993年9月至2007年1月, 来我院就诊的52 例疑有四肢软组织内非金属异物伤患者行超声检查。其中男性37 例, 女性15 例;年龄3～65 岁, 平均35.8 岁。异物种类有碎玻璃18 例, 竹木刺13 例, 塑料9 例, 泥土4 例, 沙石7 例, 布片1 例。异物存留部位:上臂4 例, 前臂7 例, 手部7 例, 大腿5 例, 膝部11 例, 小腿9 例, 踝关节腔内1 例, 足部8 例。
1.2 B型超声仪检查
入院后常规行B型超声仪检查, 探头频率7.5 MHz。多切面多方位扫查, 判定是否有异物残留, 并报告异物的位置、数量、大小及性质等情况。
1.3 治疗
B型超声仪检查后, 积极术前准备, 35 例位置深在及广泛者于硬膜外麻醉下取出异物, 其余均于局麻下取出异物。结果48 例顺利取出, 4 例于B超引导下取出。伤口均行一期缝合, 伤口较深者行皮片引流, 术后常规注射破伤风抗毒素, 并给予抗生素预防感染治疗。因异物彻底清除, 清创彻底, 伤口均一期愈合, 无感染发生。
我科收治一患者于6个月前不慎摔倒将枣树树枝扎入右下肢, 当时用力拔出后在当地医院给予清创, 伤口一直未愈。B超检查示:右大腿见长条形强回声, 长约9.0 cm, 宽为1.2 cm, 后伴声影, 诊断为右侧股部肌层内异物。为验证B超诊断的准确性行CT三维重建结果:右股内侧肌内斜行管状高密度影, 结合病史考虑残留异物。手术探查取出长约9.5 cm, 直径约1 cm, 褐色树枝1根, 约2周后伤口愈合 (见图1～3) 。
2 结 果
异物最小0.3 cm×0.3 cm×0.3 cm, 最大1.0 cm×3.0 cm×9.5 cm。软组织内非金属异物伤, 术前超声提示的大小、数量、范围等与手术基本符合。符合率为98%, 定性诊断准确率为65%。
3 讨 论
四肢软组织内异物分为金属性和非金属性两类。金属异物的诊断及处理均较容易, 而非金属异物因影像诊断困难, 易漏诊, 术中处理较困难。非金属性异物常见的有玻璃、塑料、沙石、泥土、布片、竹木刺等, 进入体内一般不引起化学性损伤, 但异物本身常带有细菌, 大多会引起炎症反应, 并发展为化脓性炎症。因此, 四肢软组织内非金属异物的治疗首要措施是彻底清除异物, 同时注意彻底清洗伤口, 局部及全身应用足量广谱抗生素, 才能使伤口尽可能一期愈合, 减少感染。
在临床诊疗中, X线及CT检查一直作为对非金属性异物的常规检查手段, 但其主要运用于不透X线成分的玻璃、沙石、泥土等, 对竹木屑、布块、塑料等敏感性很差。随着20世纪80年代MRI逐渐应用于临床, 外伤遗留在体内的各种非金属异物如玻璃、瓷片、砂石、木屑、布块、塑料等开始被发现[1]。对各种非金属异物的诊断临床上更多依赖MRI检查, 尤其对X线及CT检查敏感性很差的竹木屑、布块、塑料等非金属异物, MRI检查成为首选的影像诊断方法。但MRI检查价格昂贵, 无法全面普及, 超声检查则价格低廉, 目前基层已全面普及。同时超声检查不受异物物理性质的限制, 可以弥补X线及CT等其他影像学诊断方式在非金属异物伤诊断方面的局限性, 特别作者使用的B型超声仪拥有7.5 MHz超高频探头, 可以分辨出0.2mm微小异物, 其诊断准确性极高, 加之操作简捷, 在对浅表软组织异物的显像与诊断方面有独特的优势。但组织穿透力相对较低[2], 可通过多切面多方位检查克服。
同时, 手术中可在超声引导下行软组织异物取出, 大大提高手术成功率, 是超声检查的又一优越性的体现。其价格低廉, 检查方便, 无辐射, 无痛苦, 可以重复检查及在手术中定位, 容易被患者所接受。另外超声能直观清晰显示异物与周围组织及血管的关系, 明确异物周围软组织反应程度和范围, 包括感染后脓肿形成, 血肿及肉芽肿的情况。并能指导手术路径, 避免术中误伤血管, 可以不受时间限制监视整个手术过程, 最大限度地降低手术创伤。不同性质的非金属异物其声像图表现各不相同, 超声像图表现可归纳如下:a) 局部软组织中见点状、条状或不规则强回声, 边界清晰, 伴声影为玻璃块;b) 软组织中见细条状中等或高回声弱声影为竹木块、塑料;c) 局部软组织中见点状或半圆形弧形强回声伴强声影者为沙石、泥土块;d) 软组织中见中等偏低类圆形回声, 沿缝针方向排列, 后常伴弱声影为布片等丝织物残留。
不透X线成分的玻璃、沙石、泥土等, 因其密度较大, 与正常组织差异大, 区分较容易, 同时超声波穿透困难, 回声较强, 诊断阳性率及符合率较高。对竹木屑、布块、塑料等因其密度较小, 与正常组织差异小, 区分较困难, 同时超声波较易穿过, 回声较弱, 敏感性差, 诊断阳性率及符合率较低。各种非金属异物的诊断阳性率及符合率依次为:玻璃、沙石、泥土、竹木条、塑料、布块。各种非金属异物其声像图表现与其形态、体积等有关, 体积越大, 诊断阳性率越高, 对形态不规则, 体积较小的微小异物, 诊断阳性率越低。
超声对非金属性异物敏感性很高, 所以超声可作为诊断定位任何非金属性异物的首选方法。不同性质的异物其声像图表现有一定的交叉性, 如异物较深, 形态不规则, 体积较小, 与正常组织区分困难[3]。本组定性诊断准确率为65%, 因而超声对非金属性异物准确地定性必须结合临床。同时超声检查对非金属微小异物诊断阳性率及符合率较低, 但其对判断非金属性异物的有无及定位诊断的优势是目前其他影像学检查不可比拟的。随着超声成像技术的完善, 通过提高容积分辨率及放射频率, 可大大提高超声分辨率, 提高诊断阳性率及符合率。
摘要：目的探讨B型超声在软组织内非金属异物诊断中的应用价值。方法利用B型超声对52例非金属异物伤患者进行定位及定性检查。结果B型超声对软组织内非金属异物的定位及定性准确率高。结论B型超声是软组织内非金属异物首选的影像诊断方法。
关键词：超声,非金属异物,诊断
参考文献
[1]高元桂, 蔡幼铨, 蔡组龙.磁共振成像诊断学[M].第1版.北京:人民军医出版社, 1997:3-45.
[2]袁光华.B超动态频率扫描技术[J].中国超声医学杂志, 1989, 5 (3) :170-172.
金属材料超声空化技术的应用研究 篇4
1 超声空化效应
“超声空化”是指当熔体或固-熔混合体中引入高能超声波后, 受交变声压的作用, 熔体在声波的负压相被拉裂, 形成近乎真空的空化泡。在超声场的作用下, 存在于熔体中的微小气泡振动、生长, 不断聚集声场能量, 当达到某个阈值时, 空化气泡急剧崩溃闭合。当声波的正压相来临时, 空化泡高速闭合、崩溃, 释放出声场能量, 在熔体极小的空间中将产生高达10-4atm的瞬时高压和可达104K的高温, 引起熔体或固-熔混合体的强烈扰动, 称之为“超声空化效应”。
2 超声空化在金属材料制备中的应用
2.1 凝固组织的细化和均匀化
2.1.1 晶粒的细化
“超声空化效应”可以使枝晶破碎, 从而增加核心数;空化高压可以引起熔体瞬间过冷, 从而提高了成核率。所以, 在凝固过程中施加超声处理能显著地细化对于几乎所有的合金晶粒。
2.1.2 化学成分和结构的均匀化
晶粒的细化、空化和声流可导致熔体中溶质元素的扩散及混合作用。在微观上看来, 合金元素的分布更加均匀, 大大减小了合金的微观偏析, 达到均匀化退火时间大大缩短的目的。例如:应用后, 杜拉铝退火时间从50~90h减少到0.7~1.5h;铝铜合金的退火时间也减少了98%以上。“超声空化效应”也能显著抑制铸件中的柱状晶区域, 从而增加等轴晶组织的比例, 促进铸件组织结构的更加均匀。“超声空化效应”的上述各作用使合金具有更好的耐蚀性, 屈服强度提高了10~30%, 极限强度提高了20~40%, 延伸率提高了20~40%, 铸件的热加工性能 (特别是可锻性) 也得到了一定程度的提高, 以前不可锻的钻合金、高硼钢、纯锌等也变得可锻。
2.2 改善固-熔界面的润湿性
2.2.1 改善锡-铝液之间的湿润性
由于铝合金表面有致密的氧化膜, 所以阻碍了锡液在铝合金表面的附着和铺展, 因此, 通常认为铝与锡液是不润湿的。将铝合金 (如板、丝等) 浸入通有超声波的锡熔池, 在空化高压下, 只需瞬间就能破坏其氧化膜, 使锡液与铝直接接触并润湿。此工艺目前已广泛应用于铝制散热器、电缆及电气元件的表面搪锡。
2.2.2 改善石墨锡-铝熔体之间的湿润性
不用超声时, 在同祥的温度下, 石墨与铝液几乎完全不能润湿。但当引入“超声空化”时, 在铝的熔点 (740℃) 附近, 超声处理能很好地清除石墨与铝熔体界面间形成的氧化膜, 从而实现石墨与铝熔体的润湿。
2.2.3 改善陶器-金属熔体之间的湿润性
“超声空化”可以清除陶瓷表面吸附的气体, 进而增大其表面能, 减小陶瓷-金属熔体之间的润湿角。所以, 借助于超声处理可以使各种碳化物、氮化物、金属氧化物等在瞬间被金属熔体良好润湿。这一成果为金属-陶瓷间的连接和复合材料的制备提供了简洁、有效的工艺手段。
2.3 制备金属基复合材料
2.3.1 连续纤维增强金属基复合材料的制备
传统制备金属基复合材料的工艺需要对纤维进行涂层等预处理, 使纤维-基体界面接合牢固, 将产生一定量具有破坏作用的反应物。但通过金属熔体中的超声空化区域后, 只在瞬间熔体就能很好地润湿并复合连续陶瓷纤维束中的每根纤维, 冷却后形成预制丝。然后在超声作用下, 将多股预制丝进行二次复合, 就可以得到连续纤维增强金属基复合材料。
2.3.2 颗粒增强金属基复合材料的制备
对于提高复合材料的强度和改善其韧性而言, 增强粒子的微细化具有重要意义。通常人们所用机械搅拌法只能弥散粒径一般不小于10μm的较粗的粒子, 且工艺复杂, 制备周期长, 基体中还会存在较严重的气孔、夹杂等缺陷。采用超声处理方法, 通过空化、声流的联合作用, 各种直径在5μm以下、甚至亚微米级的微细陶瓷粒子在数秒钟内就能在熔体中弥散分布, 其工艺简单, 还能获得致密的基体。
3 超声空化在电化学过程中的应用
3.1 化学沉积制备复合Cu/Al2O3粉体材料
3.1.1 抑制副产物Cu2O的形成
“超声空化”反映体系中存在很多高温、高压“微反应器”, 所以在使用化学沉积法制备复合Cu/Al2O3粉体材料中引入超声波, 可使水产生氢自由基H·和H2O2, H·和H2O2可将Cu+氧化为Cu2+, 抑制形成副产物Cu2O。
3.1.2 加速反应速度
超声会产生速度很快的微小射流, 这将有利于加速质量的传递, 使金属铜的生成反应加快, 还可以强化搅拌, 及时脱除反应过程中产生的氢气。
3.1.3 有效地改善镀层的质量
以往在非超声条件下生成的Al2O3颗粒表面铜层厚度不均匀, 有的部位铜层会呈断续状, 或出现少量颗粒无铜层的情况, 还会有游离金属出现。但“超声空化效应”会将正常发育的晶粒打断成为新的、更小的晶核, 有利于镀层晶粒变小并迅速而平缓地沉积在Al2O3颗粒的表面。所以, 在超声辐射下的化学镀铜能够有效改善镀层的质量, 获得晶粒度小、Cu与Al2O3颗粒界面粘结性好且厚度均匀的表面铜层。
3.2 超声波应用于镀镍、铬的过程
在电镀过程中, 超声波声空化作用可以连续清洁和激活电极表面, 最大程度的驱除聚集在电极上的气泡, 进而加速扩散, 满足离子更快的移动。超声波应用于电镀有两种方法:一种是将超声波直接引入电镀槽, 声空化作用可以增加沉积速率使电流密度增加8倍以上, 同时也能改善镀层粉末的晶向, 从而得到更光亮的镀层;另一种方法是将超声波加在阴极上, 镀铬时用低碳钢作阴极, 在阴极上加20k Hz的超声振动, 其微硬度增加了10%, 镀层晶粒将变细而且光亮。
3.3 超声波应用于有价金属的回收
一般来说, 由于金属离子浓度太低, 阳离子至阴极的移动速度 (反应控制步骤) 很慢, 所以目前人们采用电解沉积的方法处理废电解液、废电镀液及酸洗液等含有金属离子的稀溶液, 回收有价金属的电流效率就很低。但如果在电解槽中引入超声波, 其电流效率可以明显的提高。例如:在回收镀铜废液 (30g/L Cu SO4·5H2O, 150g/LH2SO4) 时, 当电流密度小于500Am-2时, 使用超声震动的效果不大, 但当电流密度处在500Am-2~800Am-2时, 电流效率就可提高12%~15%, 电流密度越大提高的幅度也就越大。通过实验证明, 当Cu SO4·5H2O浓度分别为40g/L, 20g/L, 10g/L, 4g/L时, 电流密度可分别由原来的55%, 48%, 28%, 3%提高到86%, 74%, 62%, 17%。以上实例就可说明“超声空化效应”能够明显的加速电荷移动速度, 提高反应速度, 减少浓度极化, 降低过电压, 从而提高电流效率。
4 结论
综上所述, “超声空化效应”在金属材料的制备工艺和性能改善及新材料的研制开发方面都发挥了重要的作用。我国未来的发展趋势是采用迢声物理、流体力学、凝固理论等多学科交叉的方法, 进一步控制和优化工艺参数, 制备出有实际应用价值的新型材料, 以使“超声空化效应”在高新技术及民用领域都获得更为广泛的应用。
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非金属超声检测仪 篇5
提高材料表面硬度是增强其耐磨性的方法之一。根据Hall-Petch理论,微观结构细化的金属材料具有很高的硬度和韧性[1]。传统的使金属获得细化的微观组织结构的方法是热处理。近年来,受激光在材料加工中广泛应用的启发,激光直接堆积技术成为很多学者研究的热点[2,3]。激光金属堆积技术的发展,使提高零件表面硬度有了新的思想,同时也使产品的设计、制造和生产发生了巨大的变 革[4]。激光直 接堆积 (laserdirectmetaldeposition,LDMD)是一种通过激光束将金属粉末融化堆积在基体上的加工工艺,其特点是可将任何形状的零件分割成一系列的薄片,采用自底向上的逐层堆积方法得到所需形状和尺寸的零件。通过激光熔敷逐层堆积可准确获得复杂几何形体的零件,因此,该工艺在激光快速成形[5]、激光表面再制造和修复[6]等领域得到应用。
在激光堆积过程中,材料的结晶速度很快,晶粒不易长大,但在此过程中获得更细的微观组织从而使材料得到更高的强度和硬度是科研工作者追求的目标。近年来,一些研究者在铸造过程中通过振动来细化晶粒[7]。本文针对316L不锈钢的激光直接堆积层硬度较低的问题,借鉴振动铸造细化晶粒的方法,提出了在激光堆积过程中在基板上引入超声振动来细化堆积层晶粒以提高堆积层硬度的激光超声堆积新方法,并研究开发了一种超声波振动装置。通过超声振动堆积实验,在振动激光堆积过程中,引入基板的振动去干扰堆积层晶粒的生长方向和生长速度,从而使堆积层的晶粒得到细化,从根本上提高堆积层的显微硬度。通过实验分析了不同堆积工艺参数下的激光超声堆积层的晶粒大小和硬度,并将其与无振动激光堆积进行了比较,证明了超声振动激光堆积细化晶粒、提高材料硬度的可行性。
1激光振动堆积机理模型
在激光振动堆积过程中,被堆积的基板安装在以一定频率振动的振动台上,金属粉末通过同轴送粉器喷向基板。金属粉末与基板接触前,在激光的作用下被熔化为液滴,遇到基板后结晶。以下分析采用激光振动堆积细化晶粒。
1.1振动模型的建立
固化过程中,位于基板上的结晶体即晶枝的形状可以近似看成悬臂梁。晶枝的固有频率可用悬臂梁固有频率的计算,估算模型如下:
式中,E为材料的弹性模量;I为界面模型参数;m为单位长度的质量;l为整体悬臂长度。
本研究中所用测试材料是316L不锈钢,其弹性模量E=200GPa,密度ρ=5.45×103kg/m3。根据给定的 参数,ωn的计算结 果如下:i=1时,ωn=2.375×107Hz;i=2时,ωn=1.064×108Hz;i=3时,ωn=1.930×108Hz。
熔池内的枝晶尺寸很小,固有频率非常高,很难让其产生共振。本文所研究的激光超声振动堆积的思路是使堆积基板以枝晶固有频率整数倍的频率振动。为此设计了一台振频和振幅可控制的振动台。实验时,将堆积基板固定在超声振动台上,堆积过程 中通过基 板的振动 传递使枝 晶发生谐振。
采用振动方式来细化晶粒的振动有低频振动和高频振动。 高频振动 的振动频 率一般高于10kHz,比如超声振动;低频振动的振动频率在100Hz以内,如次声波。本研究选择超声波高频振动,振动频率为40kHz。
1.2超声振动的机理
超声振动的方向与激光注入方向相同时,超声能量可以高效地作用在激光堆积的基板上,通过基板将能量传递给熔池中的晶枝。
基板随超声振动台做简谐振动(图1),其运动方程为
速度方程为
式中,a为振幅;f0为振动台的振动频率。
由图1知,为实现超声堆积,金属粉末液滴沿图中“堆积方向”喷向基板。当基板的运动方向与金属粉末液滴的喷射方向相反时,两者开始接触时(图1中的A点),堆积开始;基板振动到B点处时,与金属粉末液滴接触最充分;当基板与喷粉方向一致时(图1中的C点)两者产生分离,完成一次堆积。下一个振动周期,基板与金属粉末液滴在D点又一次接触,进行下一次堆积。
设t1时刻,金属粉末液滴与基板开始分离。要使金属粉末液滴与基板上的堆积熔 池产生分离,基板向下运动的速度v要高于金属粉末液滴的喷射速度v1。两者分离的临界条件是v和v1相等。由式(3)知,金属粉末液滴与基板分离的时间t1满足:
式中,T为基板的振动周期。
v1 >2πaf0 时,式(4)不成立,这就意味着金属粉末液滴始终粘着基板,不会与基板分离。因此v0=2πaf0 是关键速度。金属粉末液滴与基板分离后,t时刻的基板与金属液滴相对位置为
金属粉末液滴与基板再次接触时即在t2时刻,基板与液滴的相对振动位移为
则有
式(6)变形可得
因此t1、t2和f0的关系如下:
基板与金属粉末液滴的接触时间tc为
在一个堆积 过程中,tc/T、t1/T,t2/T随着v1/v0的变化如图2所示。
基板的振动使金属粉末液滴撞击到基板后,两者的相对运动速度不断改变,同时,基板的振动使金属粉末液滴获得了额外的能量,在晶粒生长过程中,金属粉末液滴在冲击作用下预制和干扰了枝晶的生长,从而使堆积层的晶粒得到细化,提高了堆积层的硬度。
2 基板振动夹具设计
如图3所示,基板振动夹具由由3个零件构成。连接轴的一端固定于基板,另一端与圆盘固连,4个支撑柱将圆盘与超声 振动机的托盘 分离。圆盘浸泡 在水中以放大 超声波的振幅。 连接轴采用不 等直径是 为了让基板可 以从超声波发 生器中获得谐振能量(通过实验结果 进行不断修正颈部直径,直到基板振动幅度最大)。
3 实验及分析
本论文主要研究激光堆积过程中,超声振动是否存在干扰和抑制晶粒生长、细化晶粒的作用,同时观察超声波与激光堆积参数间是否存在耦合现象。激光超声堆积实验时,取振动频率(该频率接近理论计算固有频率值的整数倍)为42kHz,改变实验台的振幅、激光功率、送粉量和激光移动速度等实验参数。
激光堆积实 验用的金 属粉末及 基板均为316L不锈钢,每次堆积5层,微观组织显微图从中间层断面获取。实验结果如表1所示。
3.1检测方法
堆积后的晶粒尺寸是衡量堆积效果的重要指标。本文采用测定晶粒尺 寸的方法来说明采用LUMD方法可达到细化堆积层晶粒的目的。堆积层晶粒的大小采用美国ASTM标准,即用堆积层单位长度上的晶粒数量N来定义晶粒大小:
ASTM的晶粒尺寸号n可以用单位面积或长度上的晶粒数来估算。估算n的最通用方法有对比法、晶粒计数法和断面法。
3.2微观组织比较
激光堆积所得到的堆积层微观组织如图4所示。采用断面法在微观组织图中画一条直线,通过横断线法计算晶粒数量来估算晶粒尺寸,结果见表2。
从图4和表2可知,与激光直接堆积相比,采用激光超声堆积方法所获得的堆积层晶粒得到了细化。实验结果证明了超声振动细化激光堆积层晶粒的有效性。
超声振动能对激光堆积层的晶粒进行细化的原因如下:1振动影响 了晶粒的 生长方向。LUMD中,晶粒生长方向与粉末注入方向成一个角度;LDMD中,晶粒生长方向与粉末注入方向相同。2LUMD中,超声振动传递到枝晶,干扰了枝晶的生长,致使枝晶生长变慢或者发生断裂。3调整激光超声堆积的工艺参数,可改变晶粒的大小。激光超声堆积的工艺参数对晶粒的影响是,激光功率 越低,晶粒越大;送粉量越 大,晶粒越小。
3.3激光超声堆积和激光直接堆积的显微硬度
堆积层硬度是在Duramin显微硬度测试仪上测得的。测量时,测试压力为4.96N,作用时间为6s;放大倍数为40。各试样均测量5次,取其均值为被测件的硬度。测试结果见表3。
由实验结果可知:采用超声激光堆积可以减小堆积层的晶粒尺寸,使堆积层的显微硬度得到不同程度的提高,其原因是超声激光堆积使得堆积层的晶粒细化。
4结论
(1)基板的振动改变了堆积层晶粒的生长方向和生长的速度。采用激光超声堆积时,堆积层的晶粒生长方向发生倾斜,与粉末注入方向成一个角度。
(2)振动使堆积层的晶粒得到细化。激光超声堆积过程中,基板的振动方向和粉末注入方向相反时,金属粉末液滴与熔池的相对运动速度叠加,粉末液滴容易进入到熔池的深处,干扰枝晶生长,因此超声振动使悬臂梁状态的枝晶生长受到干扰,致使晶粒断裂、滑移,从而细化晶粒。
(3)超声振动对提高激光堆积层的显微硬度有一定的效果。超声振动使激光堆积层的晶粒得到细化,从而提高了堆积层的硬度。
摘要：为提高316L不锈钢材料的激光堆积层硬度,提出了激光超声堆积(LUMD)方法。该方法通过基板的超声振动来改变堆积层晶粒的生长方向和生长速度,达到细化堆积层的晶粒、提高堆积层显微硬度之目的。在理论分析的基础上,通过实验测试了相同工艺参数下堆积层晶粒的大小和硬度。实验结果显示,改变LUMD的工艺参数后,堆积层晶粒得到了细化,堆积层的硬度得到了不同程度的提高。研究表明,采用LUMD方法可使堆积层的显微硬度得到显著提高。
非金属超声检测仪 篇6
1 超声冲击处理技术
超声冲击处理技术的主要驱动能量是大功率超声。它主要借助压电陶瓷和磁致伸缩换能器,使电能得到有效转化,最终变成机械能。通过变幅聚能后,对焊接表面进行冲击碰撞,材料的表面形成局部的塑性变形,有效降低焊接的残余应力,减小焊趾变形,提高其主要的抗疲劳性能。超声振动驱动症状的超声表面强化技术也可以被称作超声冲击处理技术,而超声振动驱动丸粒的超声表面强化技术还可以被称作超声喷丸强化技术。
我国主要是在20世纪90年代对UIT进行研究,主要研究超声冲击处理对焊接接头的疲劳强度的主要作用。利用超声冲击的处理技术,可以将焊接接头的疲劳性能进行有效改变。在我国的焊接结构领域中,超声冲击处理技术得到了普遍应用。而UIT技术的主要优势有:可以将焊接接头的疲劳强度进行大幅度提高,有效降低焊接残余应力,产生更多有益的残余压应力;有效提高焊接接头的抗应力腐蚀性能;在实际施工过程中,在焊趾表面部位会萌生出很多疲劳裂纹,而利用UIT技术可以进行有效消除;对于焊趾具体的几何形状,可以得到有效改善,有效降低应力集中;针对超声振动应力薄,对焊接结构尺寸的稳定性具有很高要求,利用UIT可以有效提高其稳定性。
利用UIT不仅可以有效强化焊接接头的抗疲劳性,而且可以在材料表面进行改进处理。有关这个方面的研究,俄罗斯和乌克兰早期就已经着手研究。近年来,我国的相关工作不断增加,例如利用UIT对超高钢抗应力腐蚀性能的影响,对钢轨钢组织的影响,对合金的力学性能等各个方面进行有效改善。
2 超声喷丸强化技术
超声喷丸强化技术自身具有很大的功率超声,可以将其视为驱动能量,主要借助超声换能器和变幅器驱动金属对其表面进行喷丸处理。和传统的气动喷丸强化进行有效比较,USP主要是利用超声振动能量对丸粒进行推动使其飞行,对需要处理的表面进行轰击。这个过程中,不需要压缩空气,所利用的丸粒数量也较少,且可以进行循环使用。如果使用合金和陶瓷等高质量的丸粒,其带来的冲击能量也比较大。USP技术自身具有很强的工艺可控性,主要是因为其自身的直径和密度对其定制具有很大的方便性,应以其超声波振幅和频率为基础,对其处理需要进行有效的确定。如果使用的丸粒直径较大,那么所产生的残余压应力也会比较大。通过USP处理的表面,其粗糙度比较低。利用USP对超声变幅杆的高频振动,可以借助冲击针,在需要处理的零件表面进行直接传递。当前,国际喷丸强化领域受到很大重视。针对材料表面的纳米化处理防范,应用USP技术开展了大量相关研究工作。USP自身存在诸多优越性,在我国具有良好的发展前景。但是,被喷零件结构尺寸会对其起到限制。在利用USP技术的过程中,需要对实际的零件进行有关表面的处理。以零件的具体结构为基础,选择进行结构加工的超声喷丸工具头和丸粒循环腔体。丸粒进行有效回弹和碰撞,会对能量进行消耗。
针对USP表面纳米化处理对材料的抗疲劳性产生作用,会受到很多因素的影响。一方面,通过超声喷丸产生参与压力;另一方面,纳米化、加工硬化等,会产生具体的强化效果,可以提高材料的抗疲劳性。然后,再进行表面纳米处理,增加表面粗糙度,甚至还会产生表面微裂纹,降低材料的抗腐蚀性,对材料的抗疲劳性能产生不利影响。与此同时,在加工硬化的过程中,会产生残余压实力,如果高温情况,就会变得松弛。上述具体的影响、需要处理的材料、超声喷丸处理工艺以及疲劳载荷等因素,具有十分密切的关系。因此,要针对具体问题,开展针对性研究。在腐蚀环境下,如果需要应用,则需对USP表面纳米化处理、对腐蚀疲劳和应力腐蚀性能展开进一步的研究。
3 超声深滚强化和滚光技术
针对传统的滚光强化技术,主要在工具头上进行施加,使材料表面发生变形,使其可以产生消峰填谷的作用,从而有效提高零件抗疲劳性能。在机械制造中,滚压加工得到广泛应用。在滚压强化的具体处理过程中,如果在工具头上施加过大的静压力,表面就会产生划伤和撕裂。与此同时,还会形成残余切应力,不便于薄壁零件的处理。
我国在很早就开始研究有关振动挤压工具的设计工作,主要针对处理表面粗糙度的变化规律进行有效的研究,并不断优化挤压工艺。有关超声振动的滚压技术,其主要的原理都是基本相同的,即在超声变幅杆的头部,对超声振动进行直接利用,使需要处理的表面产生冲击和挤压,引入参与压实力和细化晶粒,从而产生表面抛光作用。所以,它可以称为超声无磨料抛光技术。如果工具头和超声变幅杆产生连接,这时压入量较大或者具体的进给较快,那么对材料的表面就会产生表面划伤,或者会使工具头产生磨损。利用超声深滚和滚光一体化技术,在工具头和被处理表面会形成没有划伤的表面,这样就会大大降低工具头的磨损。针对金属零件表面的光整技术,其具体的超声深滚处理可以根据静压力的具体大小和超声减摩作用,使需要处理的表面避免受到损伤。而抗疲劳强化技术,可利用超声深滚,主要是在需要处理的表面,细化表层材料的晶粒,消除加工纹理,从而有效改善被处理表面的表面粗糙度。近些年,我国超声滚压强化技术具体的研究应用得到了有效拓展和发展。利用超声振动螺纹滚挤压强化,可以有效降低螺纹的表面粗糙度。
4 结束语
综上所述,金属材料超声表面强化技术在当今国内外都得到了广泛应用,其相关研究也在不断提高。当前,可将超声表面强化处理技术和激光冲击处理技术进行有效联合,促进其拥有更加广阔的发展领域。
摘要：本文对传统的表面机械强化技术和特点进行回顾,介绍并评述近些年发展和应用较好的金属材料——超声表面强化技术,主要包括超声冲击处理技术、超声喷丸强化技术以及超声深滚强化和滚光技术。介绍其研发现状,对其特点、限制和传统的表面接卸强化技术进行比较,提出针对金属材料超声表面强化技术的发展建议。
关键词：金属材料,超声表面,强化技术
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非金属超声检测仪 篇7
核电站压力容器顶盖仪表测量管 (如图1) 用于压力容器内中子通量的测量, 每个顶盖上分布有8根仪表测量管, 仪表测量管属于一回路系统重要组成部分, 其异种金属焊缝的焊接容易产生气泡、裂纹等缺陷, 存在缺陷的焊缝在缺陷位置容易产生断裂[1,2], 使一回路带放射性物质存在泄漏风险, 因此必须定期对该类焊缝进行检查。异种金属焊缝超声检测在国内、外领域都是难题, 不同国家的产品标准对检测方法也各不相同。由于超声检测具有检测成本低、速度快、灵敏度高、仪器轻、对现场环境要求低等优点, 所以广泛应用在核电设备无损检测中[3,4]。
1 仪表测量管简介
带仪表测量管的压力容器顶盖结构不同于国内现有堆型, 其反应堆压力容器没有设计底部贯穿件, 所有的测量通道均布置在顶盖上, 顶盖仪表测量管异种金属焊缝是该关键设备上的薄弱环节, 相应规范也将其纳入强制必检项目, 检查实施方式及检查质量都受到业主及监管机构高度重视。
压力容器顶盖仪表测量管异种金属焊缝共8条, 在顶盖周围均匀分布, 其壁厚为33.4mm, 外径准φ187.5mm, 仪表测量管外表面与下筒体内表面间最小尺寸为115.8mm。其模型如图1所示:1.仪表测量管接管;2.异种金属焊缝;3.仪表测量管。顶盖上除了有仪表测量管外, 还有其它很多附属设备分布于周围, 焊缝所处位置空间狭小, 其模型如图2所示:1.顶盖2.门孔3.仪表测量管4.下筒体5.挡流板6.CRDM管;顶盖区域属于高剂量区, 对在该区域进行检查设备安装、操作人员有较大影响。
目前比较成熟的异种金属焊缝超声自动检查技术主要是针对压力容器进水口、出水口接管焊缝, 而仪表测量管异种金属焊缝直径小、壁厚薄, 虽然二者材质相近, 但结构尺寸以及周围环境存在巨大差异, 使得压力容器进水口、出水口接管异种金属焊缝超声自动检验技术在此不能适用。因此, 必须针对仪表测量管异种金属焊缝开发专用的检查设备及超声检验技术。
2 顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置总体设计
2.1 检查装置机械结构设计
图3所示为顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查检测示意图, 它包括轴向定位组件, 周向运动组件、轴向运动组件及耦合剂储存组件等四个部分, 其中轴向定位组件安装于仪表测量管顶端后, 保证轴向、周向运动组件在仪表测量管轴向每次安装位置一致, 周向定位杆将周向运动组件周向限位, 轴向运动组件固定在周向运动上, 周向运动旋转, 带动轴向运动整体旋转, 从而带动探头整体旋转。
周向运动组件由导轨滚轮副限制其余五个自由度, 在电机驱动下, 只能绕导轨旋转, 其定位采用两个固定夹定心, 此两个固定夹呈120°角度分布, 在与两固定夹分别成120°的位置, 设计有一快速夹紧机构, 使其安装过程中能实现快速安装, 准确定位。轴向运动组件螺纹连接在周向运动组件运动载体上, 在周向运动电机带动下, 轴向运动组件整体绕仪表测量管旋转。两个运动轴的相互配合, 可以实现仪表测量管异种金属焊缝的轴向与周向自动扫查。
1.轴向定位组件;2.仪表测量管;3.周向定位杆;4.周向运动组件;5.轴向运动组件;6.下筒体;7.探头夹持器;8.耦合剂储存器.
2.2 检查装置系统说明
压力容器顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置包括机械系统、控制系统和超声系统等三个方面内容研究, 其检查设备研究框图如图4所示:
3技术难点及解决方法
3.1 技术难点
1) 仪表测量管周围空间狭小, 安装及检测受到下筒体、顶盖、挡流板、CRDM管等部件的限制 (如图2) ;
2) 轴向与周向定位准确、可靠, 同时, 保证安装时间尽量少, 设备轻便;
3) 耦合剂收集困难。
3.2 解决方法
3.2.1 仪表测量管周围空间狭小, 障碍物多的解决方法
针对周围空间狭小, 障碍物多特点, 仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置设计时, 合理选用和布置传动方式, 控制轴向运动组件和周向运动组件各零部件尺寸, 每个尺寸都经过准确计算, 建立其三维模型, 确保每个环节准确, 最终保证其三维模型与实物一致, 确保装置研发成功。
3.2.2 周向、轴向准备定位、快速安装解决方法
为了实现快速安装, 保证人体在设备安装过程中被照射剂量尽量低, 轴向定位组件、周向运动组件、耦合剂收集组件均设计由两半组成, 一端由合页把两部分连接好, 另一端靠快速夹钳将两部分快速夹紧, 使其连接后成一个整圈。轴向定位组件中有三根定位杆与周向运动组件中三个定位块相连, 能保证轴向尺寸每次安装一致, 周向定位采用周向定位杆与最近的一根CRDM管相切, 周向定位杆固定于周向运动组件上, 该方法能保证装置每次安装于仪表测量管后, 与仪表测量管周向角度一致。
3.2.3 耦合剂收集困难解决方法
在检查装置的下部摆放一个专用装置进行耦合剂收集, 此装置底部一侧与下筒体上表面支撑面贴合, 设计时保证此装置与仪表测量管联接件采用橡胶材质, 快速夹钳夹紧的同时, 保证橡胶与仪表测量管紧密贴合, 从而实现扫查过程中顺着仪表测量管外壁往下流的耦合剂进行收集, 为了保证耦合剂形成一个闭合回路, 在此耦合剂收集装置下部开有两个引流孔, 然后通过水管引至专用耦合剂储存装置。
4 结语
本文提出了一种能够实现同时进行仪表测量管周向和轴向焊缝检查功能的顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查装置, 详述了顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声自动检查的结构特征, 详述了周向往复扫查、轴向往复扫查、周向定位与轴向定位的实现方法。保证了监测数据的准确性与可靠性, 减少了人体受放射性射线的照射, 为顶盖仪表测量管异种金属焊缝的超声检查带来帮助。
摘要：顶盖仪表测量管异种金属焊缝关系着核反应堆回路系统的安全运行, 为有效避免安全事故的发生, 必须对该类焊缝进行无损检测。根据无损检测规范要求, 仪表测量管异种金属焊缝适合进行超声检查。然而, 由于仪表测量管周围空间狭小, 安装及检测受到相关零件的限制, 而且目前没有专门针对对此部位焊缝检查的成熟技术及专用检查装置。为此, 本文提出了一种核反应堆压力容器一回路系统的顶盖仪表测量管异种金属焊缝检查装置, 其能够按照相关检查规范要求有效的对该处焊缝进行超声自动检查, 确保险期检测数据准确、可靠。
关键词：核反应堆,焊缝,超声自动检查装置
参考文献
[1]冯小平, 杨峰, 李亚维, 等.铸件的超声波检测分析[J].热加工工艺, 2015, 41 (3) :79-80.
[2]袁建中.异种金属焊缝表面和近表面超声爬波检测技术[J].中国核工业, 2010 (6) :147-150.
[3]雒里柯.异种金属焊缝常规超声检测应注意的几个问题[J].无损探伤, 2013, 37 (6) :32-33.
非金属超声检测仪 篇8
关键词：超声波,金属包覆,单分散导电微球,化学镀镍,镀金
随着电子产品轻薄及功能多样化发展,IC构装趋向高密度化与细间距化,先前成熟的锡铅焊接工艺已不能满足ITO线路等高密度配线工艺的需要[1],各向异性导电胶(Anisotropic Conductive Film,简称ACF)的研究使电子元件的细间距、高可靠的冷互连成为可能,有关其制备及性质等方面的研究受到了各国的广泛关注[2,3]。ACF中较为核心的技术是制备性能良好且稳定的导电颗粒,理想导电颗粒应具有:(1)形状规则;(2)单分散性好,粒径大小适中(3～15μm)且均匀;(3)耐热性及导电性良好等优点。聚合物包覆金属形成的核/壳结构微球,密度小、可设计性强,在一定压力下可以发生弹性形变提供较大的电极接触面积,因而成为提高ACF导电性能的新型导电颗粒[4]。
化学镀法是非金属材料表面金属化的主要方法之一,但纳、微米级的基体粒径较小,比表面积较大,在表面镀覆过程中易出现团聚现象[5],影响其使用性能。声化学是近十几年兴起的边缘学科,超声空化产生的气泡在声波正负压的作用下崩溃时产生高压高温,为化学反应提供特殊的物理与化学环境[6],在生物学、催化学、有机合成、聚合反应等方面具有广泛应用[7,8]。研究表明超声波可以显著提高化学镀的镀速并改善金属镀层的结构[9],但有关其在金属包覆中提高复合粒子分散性的应用研究较少。本工作在化学镀基础上调整工艺条件,引入超声波辅助分散的方法,改善导电微球的单分散问题;进而在Ni/PS微球表面包覆导电性能良好的Au层,进一步提高微球的导电性能。
1 实验
1.1 试剂与仪器
单分散交联PS微球(粒径约为5μm)制备方法参考文献[10];HAuCl4,PdCl2,SnCl2,NiCl2·6H2O,NaH2PO2·H2O,柠檬酸钠,NH4Cl均为分析纯试剂,采用KQ-250DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司提供)
1.2 实验步骤
对PS微球进行粗化、敏化、活化预处理,使其表面植入反应活性中心—Pd颗粒,通过化学镀法在微球表面镀覆Ni合金,接着通过置换法在制备的Ni/PS微球表面进行纯金的包覆,反应过程的机理如图1所示。
1.2.1 Ni/PS导电微球的制备
将预处理后的微球加入到化学镀Ni溶液中,并将镀液置于超声清洗器中。化学镀镍液的配制如表1所示,添加少量NH4Cl调节镀液的约为4,水浴温度为60℃。超声搅拌条件下,采用恒流泵向镀液中滴加NaH2PO2溶液,滴速为2mL/min,16h后停止反应,抽滤清洗后真空干燥,制得Ni/PS导电微球。
1.2.2 Au导电微球的制备
镀金溶液组分的浓度配制如表2所示,水浴温度50℃,在置换镀金溶液中加入5 g 上述Ni/PS导电微球,超声条件下反应30min,抽滤、洗涤后真空干燥,制得Ni/PS/Au导电微球。
1.3 表征
通过加拿大Bomen公司的mb154s红外光光谱仪测定微球表面预处理前后功能团的变化;通过日本JEOL公司的JSM-6300LV型扫描电镜观察PS基体微球及导电微球表面形貌;采用扫描电镜的EDS能谱仪测试镀层中元素的含量;采用德国BRUKER公司D8型X射线粉末衍射仪表征微球表面包覆金属的物相结构(CuKα射线)。导电微球的导电性能测试参考文献[11]粉体导电率测试的方法。
2 结果与讨论
2.1 交联PS微球及其预处理前后图谱分析
图2是PS微球浓硫酸处理前后红外图谱,其中图2a为所制备的交联PS微球的红外图谱,图中位于1607cm-1,1491cm-1,1448cm-1为PS中苯环的三个特征伸缩振动峰,位于3460cm-1附近的羟基峰为压片过程中KBr吸收空气中的水份而形成的—OH伸缩峰。图2b为将PS微球经浓硫酸处理、清洗后的红外图谱,将2a和2b进行比较可以看出,经过浓硫酸处理并且清洗后的图谱在1183cm-1出现S=O的强烈伸缩振动峰,说明经过浓硫酸的“粗化”处理,PS微球表面发生磺化反应,PS分子中环上的原子被磺酸基(—SO3H)取代生成烃基磺酸。谱图在1730cm-1处出现的峰对应为羰基特征峰值,这是因为水洗过程中,磺酸根发生水解从而在微球表面引入羰基根。图谱表明,浓硫酸的“粗化”处理实为磺化反应,经过水洗后将在微球表面引入了羰基等官能团,改善了微球表面的亲水性,从而增强了微球表面对Sn2+的吸附力。
图3为交联聚苯乙烯微球基体及其预处理前后的SEM图。图3a为制备的交联PS微球,由图中可以看出,微球粒径约为5μm,单分散性良好,形貌规则,表面光滑无破损,为后续的化学镀提供了良好的基体。图3b中为经过浓硫酸“粗化”处理后的微球,微球表面与3a图相比表面较为粗糙。图3c为预处理完成后的微球,从图中可以看出微球表面附着有纳米级颗粒。
2.2 Ni/PS导电微球图谱分析
图4所示为采用不同搅拌分散条件通过化学镀方法制备Ni/PS微球的SEM图谱,图4a所示为采用超声搅拌制备的导电微球,由图可见导电微球的分散性好,保持了良好的球型度;包覆后的微球表面有纳米级的“丘状结构”,根据文献报道[12],在热压与电极接触时,“丘状”突起可穿透电极的氧化层以增强其导电性能。
为了进行对比实验,采用普通机械搅拌对微球进行化学镀镍,图4b为采用普通机械搅拌制备的导电微球,由图中可见,虽然各个单体的微球的包覆较好,但微球的团聚现象较为严重。分析团聚的主要原因有:(1)传统机械搅拌在使微球悬浮后分散效果不明显,随化学镀覆的进行,复合微球的密度明显增大,反应容器中微球分布不均匀,靠近底部的微球数明显要多于上层微球数,而且随着反应的进行,复合微球的表层也会变得相对粗糙,微球接触碰撞的机会增大;(2)随镀覆的进行,导电微球因为表面包覆了具有磁性的镍层,微球间因磁性引起物理团聚。若在镀覆初期,形成物理团聚的微球未能及时分散开,Ni-P合金在颗粒接触处沉积进而将颗粒连接在一起,最终导致大量微球团聚成团,形成团聚体。超声设备的引入可以产生的中空气泡,空化气泡爆炸时产生的具有强烈冲击力的微射流能能弱化微球间的作用力,有效地防止微球的团聚,同时超声波的空化作用使化学镀产生的氢气快速释放,加速了化学镀镍反应的进行[13]。
另外,各向异性导电胶中的导电微球要求金属包覆层具有一定的柔软度,保证在热压过程导电微球可以产生一定的弹性形变,有文献报道[14]磷含量较高的镍层具有较好的柔软度。为此,对制备的导电微球的包覆层了组分分析,图5显示的为图4b中导电微球表面镀层的EDS能谱,从图谱中可以看出包覆层中的P含量较高,通过分析得知(Ni/P)=90.01/8.99(质量分数/%)。
2.3 Au/Ni/PS导电微球图谱分析
图6为制备导电微球的X射线衍射图谱,其中图6a为Ni包覆PS微球的XRD图谱,谱线图谱在2θ=44.4,51.6,76.8°分别对应的是Ni面心立方结构的(111),(200),(222)晶态特征峰,表明PS微球表面包覆一层镍。图6b为Au包覆导电微球的XRD图谱。在2θ=38.2,44.3°处的衍射峰分别对应单质Au(111),(200)的X射线衍射特征峰,说明微球表面已经包覆了一层纯金层,谱线在44.3左右出现的特征峰与镍的特征峰发生重叠,但在76.6左右出现了镍的特征峰,说明导电微球的包覆层主要是金和镍。
(a )Ni/PS导电微球;(b) Au/ Ni/PS导电微球
(a)Ni/PS composite microspheres; (b) Au/ Ni/PS composite microspheres
图7显示了采用置换法在Ni/PS导电微球表面包覆纯金后的扫描电镜照片,从图中可以看出,所制备的Au/Ni/PS微球与Ni/PS微球形貌相似,仍保持良好的球型度和“丘状”突起,微球的分散性良好。表面的“丘状”突起与基体微球结合紧密,能保证与电极的良好接触。
2.4 导电微球的导电性测试
本实验对表面包覆Ni合金及包覆Au的复合导电微球进行体电阻率测试测试,实验结果如表3所示。
由表3可以看出,通过纯金的包覆,可以使导电微球的导电性提高近10倍,其导电性能可以满足作为ACF用导电微球的导电性能要求。
3 结论
(1)以交联的PS微球为基体,以化学镀法为基础,在反应过程中引入超声设备对微球进行分散,并采用滴加还原剂的方法较好地控制了导电微球的团聚问题,制备了单分散性良好的Ni/PS微球,体电阻率为4.8×10-2Ω·cm。