機械焊接結構的無損檢測技術研究

李文靜

（許昌學院 電氣（機電）工程學院，許昌 461000）

焊接技術是隨著金屬的應用而產生的，早在商代，就有鑄焊、釬焊和鍛焊等焊接工藝。其原理是通過高溫、高壓或兩個并用，使同性或異性兩工件產生原子間結合的加工工藝和連接方式。隨著科技的進步及現代工業的迅猛發展，焊接技術也不斷進步和完善，其中也包含焊接質量的檢測技術。當前，機械焊接檢測技術主要包含破壞性檢測技術及非破壞性檢測技術兩大類。其中，非破壞性檢測中的無損檢測技術，是在不損壞試件的前提下，利用物質的聲、光、磁和電等手段，借助先進的技術和設備器材，對試件內部及表面結構、狀態及性質進行檢查和測試的方法。因其具有非破壞性、可對檢測對象100%全面檢測及原材料、加工、裝配成品及服役設備全程性檢測等優勢，其應用最廣，技術也最先進。

1 機械焊接結構的主要缺陷

1.1 宏觀缺陷

宏觀缺陷指的是通過人的視覺、嗅覺、聽覺等手段能夠直接發現的、不需要借助相應儀器測量參數而發現的焊接結構缺陷。這種缺陷中比較常見的主要包括咬邊、焊瘤、燒穿等[1]。所謂咬邊指的是焊接器械在沿著機械縫隙進行焊接操作時，會在母線附近留下凹凸不平的溝槽。而焊瘤指的是焊接設備在尚未對焊料加熱完全就投入焊接，造成液態焊料從焊接部分溢出，在結構外部冷卻形成瘤狀物質。而燒穿指的是焊接設備焊頭過熱，焊入金屬結構過深，導致熔化的液態金屬從焊體中流出。

1.2 內部缺陷

內部缺陷是指在焊接結構內部出現的缺陷，其具有細小、不易發現的特點，通常用肉眼難以發現這一類別的缺陷，而需要借助儀器進行檢測。內部缺陷是機械焊接結構中最主要的一種缺陷。內部缺陷主要包括氣孔、夾渣、裂紋等。所謂氣孔，指的是焊接過程中，液態焊料由于加熱不足、焊接角度不合理等原因，焊接結構內部會出現某些異常現象，其中有可能包含空氣形成的孔狀物。而夾渣指的是焊接時熔化的金屬沒有被及時排出而快速冷卻，在焊接結構中殘留的現象[2]。裂紋指的是由于焊頭溫度過高，對焊料及焊接金屬的內部原子結構造成破壞，使各種原子重新混合成新的金屬層的過程，由于新金屬層形成不受人為控制，形成的結構較為粗糙，所以容易產生裂紋。

1.3 微觀缺陷

所謂微觀缺陷指的是焊接過程中，金屬處于較高溫度情況下極易與周圍環境相關物質發生反應，導致焊體受熱不均而造成結構缺陷，主要包括過熱、過燒及偏析等。過熱指的是使用不合適的焊接設備進行焊接造成金屬內部分子原子結構破裂，粒子結構過分脹大的現象。過燒是指焊縫金屬在焊接過程中受熱時間過長，造成晶粒粗大，晶粒邊界被激烈氧化或局部熔化的現象。而偏析則是由于焊接時溫度較高，熱循環促使分子運動加快，使得金屬分子逐漸向未焊接部分或內部溫度較低部分偏移的過程。微觀缺陷不僅無法通過肉眼發現，甚至基礎的測量儀器也對這種缺陷難以檢測。這種缺陷的檢測方法主要是對于焊接結構金屬進行取樣，在實驗室內進行切割后利用顯微鏡或電子顯微鏡等細致化觀察設備對其金屬結構內部的分子分布和晶體結構進行觀察，從而判斷金屬晶體結構是否遭到破壞，內部分子排布依然符合規則。

2 無損檢測應用于機械焊接結構的優點

2.1 對設備本身的傷害較小

傳統的檢測技術主要依靠檢測人員的經驗和傳統檢測工具進行，不僅檢測效果難以保證，還會對焊接結構本身造成嚴重的破壞，影響該機械的后續使用，從而造成工作的反復，對工作效率的提高起到了嚴重的阻礙作用[3]。而新型無損檢測技術不僅成本低，操作簡便，而且技術先進，測量精度大幅提高。最重要的是，這種檢測技術對焊接結構本身的傷害極小甚至沒有傷害，保證了產品的質量，提高了產品的可靠性。

2.2 保障使用安全，延長使用壽命

對大量設備損壞情況分析可知，機械設備損壞的部分原因就是初始的輕微損耗沒有被及時檢出而愈發加深，最終導致威脅設備使用且難以修復的損耗，從而造成設備的無法使用。而無損檢測技術由于操作簡便，不損害被檢測對象的使用性能，可對制造用原材料、各中間工藝環節、直至最終產成品進行全程檢測，也可對服役中的設備進行檢測。所以，該技術適宜作為機械設備焊接點的定期檢測方法，通過定期檢測，人們可以及時發現設備焊接點的早期缺陷及其發展程度，確定其尺寸、方位、形狀并選用合適方法予以修復。這樣既保障了設備的使用安全，也延長了設備的使用壽命，具有一定的經濟效益。

3 機械焊接結構中常用的無損檢測技術

3.1 射線無損檢測技術

射線無損檢測技術主要用來探測機械焊接結構的內部缺陷。這一技術利用射線穿透性強、衰減效果弱等優點，通過發射射線族照射金屬焊體，對其內部結構進行掃描，然后將掃描成像結果傳輸到計算機上，再利用相關軟件對圖像進行分析，從而探查出金屬內部的缺陷。這種方法的優點是射線照射具有全面性，能夠對掃描部分的所有內部缺陷都有一個較為明顯的顯示[4]。但實際應用過程中，由于金屬體的形狀、大小、結構的個性化差異及宏觀缺陷的干擾，射線掃描結果有時難以獲得令人滿意的圖像。同時，由于射線對人體有較大的傷害，所以工作人員在現場操作過程中需要穿著專業的服裝，即使這樣，射線發射的危險仍處于一個相當高的水平，所以這一技術在一些焊接要求并非極高的機械結構中一般不予使用。

3.2 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術主要用于檢測機械焊接結構的內部缺陷。這種方法主要利用聲音這一機械波在均勻金屬內傳播速率恒定的特性，一旦出現傳播速度改變的現象就說明該段焊接結構內部存在缺陷。實際工程中，超聲波檢測技術的操作方法是利用超聲波發射裝置發射頻率高達20 000Hz的超聲波，再對接收端接收時間及接受聲波波形進行收集分析，了解機械焊接結構中的缺陷發生在何處及具體的缺陷類別[5]。這種方法由于檢測靈敏度高，且裝置操作簡便，對人體的危害性極低，同時節約成本，因而在機械焊接結構檢測領域中被廣泛應用。

3.3 全息探測檢測技術

近些年來，全息成像技術的興起與發展不僅改變了人類對于圖像的呈現方式，也在工程領域的許多方面提升了技術含量。在機械焊接結構檢測工作中，也少不了全息技術的身影。全息探測技術主要應用于焊接結構宏觀缺陷和內部缺陷的檢測，其主要的操作方法是利用射線、激光、聲學等技術設備全方位地探測金屬結構表面及內部的結構，將表面及內部的金屬焊料分布狀況形象立體地呈現出來，探測人員通過觀察這些清晰度高、可信性強的圖像就能夠準確分析缺陷部位及缺陷情況，制定修復方案[6]。由于全息成像設備成本較高，且相關技術發展還不夠健全，所以它在目前的檢測領域中還沒有得到廣泛使用。但是，人們應該清醒地意識到由于全息成像科學含量高，對于機械結構圖像的還原度極強，應當成為未來機械結構缺陷檢測技術的發展方向。

3.4 電磁檢測技術

電磁檢測技術主要包括磁粉檢測、渦流檢測、漏磁檢測等方法，在實際的檢測工作中，主要應用磁粉檢測和渦流檢測兩種方法。磁粉檢測只能用于鐵磁性的材料，工件被磁化后，當結構內部出現缺陷時，缺陷處的磁場分布會發生畸變，產生漏磁場，在合適的光照下形成目視可見的磁痕，從而顯示出不連續性的位置、大小、形狀和嚴重程度。實際操作中就通過在結構內部撒入磁粉的形式，檢測磁粉在何處與漏磁場發生作用及作用的大小，從而判斷缺陷所處位置及缺陷類別和程度。這種方法成本較低，操作簡便，因而得以廣泛應用。而渦流檢測技術則主要應用電磁感應原理，實際操作中將一個通交流電的線圈深入結構內部，當焊接結構處無缺陷時，線圈通過的電流大小將是恒定的，而當焊接結構處存在缺陷時，其產生的漏磁場就會與線圈發生作用，在焊接結構內部產生渦流，改變線圈通過的電流大小，同時可以利用相關檢測儀器對渦流的大小、相位及流動行程進行檢測，進而對缺陷類別及缺陷的嚴重程度進行判定[7]。這種方法不僅操作簡便而且可靠性高，同時可提取的信息多樣而具體，因而在機械焊接結構檢測領域中被廣泛應用。

3.5 滲透檢測技術

滲透檢測技術的原理主要是毛細管現象。實際的操作方法是，將滲透液噴涂在檢測結構的表面，然后刮去完整表面的噴涂液，再在其表面噴涂顯現劑，這種液體能夠很好地將殘留在結構表面的滲透液顯現出來，由于殘留的滲透液僅存在于結構缺陷中，這樣就可以明顯地顯示出缺陷的位置及缺陷的程度及狀態。這一技術不僅操作方便、對缺陷顯現直觀，而且靈敏度極高，通過實際試驗，該方法對1μm左右的裂紋同樣有效。但這一方法的不足也同樣明顯，滲透液和顯現劑的成本較高，需要人工進行涂刷和檢測，加大了人工工作量。同時，這種方法僅能檢測裂紋性缺陷，無法檢測凸起性等其他缺陷。

4 結語

本文主要介紹了機械焊接結構的主要缺陷和機械焊接結構中常用的五種無損檢測方法。隨著無損檢測方法的不斷發展和進步，除了以上五種檢測方法，一些新型無損檢測技術相繼出現，如聲發射檢測、泄漏檢測、紅外檢測、微波檢測、磁記憶檢測、熱中子照相檢測及激光散斑成像檢測等，而且處于不斷開發和升級中。同時，沒有哪一種方法是完美的，任何一種檢測方法都不可能給出百分百精準的結果。因此，對于特別重要的焊接結構，有必要使用兩種或多種無損檢測方法，使之形成一個檢測系統，從而得到滿意的檢測結果。

無損檢測方法已逐步成為主流檢測方法，它是工業發展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業發展水平。無損檢測技術應繼續完善和進步，這不僅對機械焊接結構的質量及安全性具有十分重要的作用，對我國工業發展水平的提升也具有現實意義。