超聲無損檢測技術在金屬材料焊接缺陷檢測中的應用

馬 俊

（昌吉州特種設備檢驗檢測所，新疆 昌吉 831100）

金屬材料具有強度高、材質均勻、塑性韌性好、制造方面等特點，廣泛的應用在電力、交通、建筑、航空航天等各行各業中。焊接是金屬材料重要的加工工藝，通用采用局部加熱或者加壓的方式，借助金屬材料內部原子之間的擴散運動與結合，將兩個分離的工件連接成為一個整體。但是，金屬材料的焊接過程中，非常容易產生焊接變形及殘余應力，造成焊接后的工件出現裂紋、氣孔、夾渣以及未熔合等缺陷。金屬材料的焊接缺陷往往會降低工件的加工精度和承載能力，嚴重影響了工件的使用性能。

無損檢測技術可以在不破壞工件的基礎上，對材料和零部件的內部和表面進行缺陷檢測，對缺陷進行定性分析與定量評價。基于超聲波的無損檢測技術在金屬焊縫缺陷檢測領域有著巨大的優勢，利用從待檢測工件內部結構的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來對內部缺陷進行定性和定量分析。本文采用超聲TOFD方法檢測金屬材料焊接內部缺陷，在分析金屬材料焊接缺陷常用無損檢測技術的基礎上，分析超聲TOFD方法的優勢，并結合實例驗證該方法的有效性。

1 焊接缺陷及成因分析

金屬材料焊接缺陷的成因分析是進行其無損檢測的基礎，焊接缺陷主要包括氣孔、夾渣、裂紋和未焊透未熔合等。氣孔是在焊接過程中熔池內產生的氣體在金屬固化過程中不能及時排除從而產生氣狀空穴。氣孔會造成金屬焊縫固體面積減少，減弱焊縫強度。氣穴主要是由于坡口處存在不干凈物質，焊條或焊劑沒有根據標準烘焙，焊芯不完整、藥皮腐敗、脫落等原因造成的。夾渣是金屬材料在焊接后存在于焊縫中的焊渣，焊渣的存在會較少焊縫固體截面，削弱焊接強度。裂紋是金屬材料焊接缺陷中危害性最大的缺陷，裂紋不僅有可見裂紋，還包括以下微笑的金屬裂紋肉眼不可見，以及焊縫內部不可見裂紋。裂紋是金屬焊接過程中熔融金屬固化時的縮變，母材料在焊接加熱時受熱不均，從而使熔融金屬和母材處于張力狀態。未焊透是金屬材料焊接時未全部熔透，未熔合是焊接時焊接電流大，焊條熔化過快，焊件周圍焊層沒有完全熔化。

2 無損檢測技術對比

無損檢測技術在工業領域內廣泛應用，根據不同的技術原理，能夠應用在金屬材料焊接缺陷檢測中的主要有射線檢測方法，磁粉檢測方法，滲透檢測方法以及渦流檢測方法。

（1）射線檢測方法。射線檢測方法利用X射線穿透被照射的物體時會隨著不同物體不同厚度不同吸收率等因素產生不同的變化，檢測人員根據影響可以判斷金屬材料內部是否存在缺陷，并可以判斷缺陷的大小。射線檢測方法成本高，對人體存在著一定的危害性，并且會污染環境。

（2）磁粉檢測方法。磁粉檢測方法利用金屬材料焊縫被磁化后，如果存在著不連續的情況，工件表面和近表面的磁力線會發生局部畸變從而產生漏磁場，根據工件表面的磁粉磁痕的可以判斷焊縫的缺陷。磁粉檢測方法適用于檢測能夠被顯著磁化的磁性材料，不適用于所有金屬材料的焊接缺陷檢測。

（3）滲透檢測方法。滲透檢測方法利用工件表面施涂含有熒光材料的滲透劑后，滲透液可以滲透進表面金屬焊接缺陷內部，除去工件表面多余的滲透液后，在工件表面施涂顯像液，現象液會吸引缺陷中的滲透液，通過檢測金屬焊縫缺陷處滲透液的痕跡來進行缺陷檢測。滲透檢測方法檢測工序較多，成本高，耗材多，同時使用的材料大部分對人體有害。

（4）渦流檢測方法。渦流檢測利用電磁感應原理，金屬焊接缺陷對工件感生渦流產生影響，通過判斷感生渦流的變化可以評估金屬材料的焊接缺陷。渦流檢測過程中線圈不需要接觸工件，并且不需要耦合劑，檢測效率高。渦流檢測方法不適用于非導電材料和結構形狀比較復雜的工件。

3 超聲TOFD檢測技術原理

超聲檢測技術利用超聲波具有良好的方向性和具有的能量特性，在金屬材料等彈性介質的傳播過程中，在工件缺陷處會出現反射、折射和散射等現象，通過分析超聲波信號特征可以判斷金屬材料中的缺陷的性質、大小及分布情況。超聲波檢測技術在金屬材料焊接缺陷檢測中具有穿透力強、靈敏度高等優勢，并且對檢測過程對人體的危害性小。

圖1 超聲TOFD技術原理示意圖

采用超聲波檢測技術對金屬材料焊接缺陷進行無損檢測，檢測方法主要有脈沖反射法、穿透法和共振法。超聲波檢測中應用最為廣泛的是脈沖反射法，通過檢測缺陷反射回波和地面回波信號特征來對缺陷進行定性分析。該方法對缺陷方向、形狀和定量分析難度大，對傳感器耦合狀態以及檢測人員的要求高。本文采用超聲TOFD技術對金屬焊接缺陷進行評價，通過精確測量工件內部缺陷的“端角”或者“端點”處的縱波衍射傳播時間，基于三角方程理論，通過計算機處理得到金屬焊接缺陷的位置和尺寸。超聲TOFD技術原理示意圖如圖1所示，該方法不會受到缺陷方向影響，檢出率高，檢測效率高，能夠實現焊縫缺陷的定性分析和定量檢測。

4 基于超聲TOFD的金屬材料焊接缺陷檢測

基于超聲TOFD技術的金屬焊接缺陷檢測系統采用雙傳感器檢測，兩個傳感器的頻率、角度以及晶片尺寸都相同。金屬缺陷檢測過程中，其中一個傳感器發生超聲波信號，另一個接收信號，兩個傳感器相向橫跨在被檢測工件的兩側。采用雙傳感器可以避免在檢測過程中鏡面反射信號對衍射信號造成影響，保證檢測系統在任何情況下都能夠很好的接收到金屬焊接缺陷內部尖端的衍射信號。

圖2 超聲TOFD焊縫缺陷檢測原理圖

以金屬材料焊接缺陷內部存在裂紋為例，超聲TOFD檢測系統接收傳感器接收到的波形分別為直通波、裂紋上和裂紋下的端點衍射波、底面反射波和橫波，如果金屬材料焊接中不存在缺陷，則接收傳感器接收到的依次為直通波、底面反射波。金屬材料焊接缺陷超聲TOFD檢測原理圖如圖2所示。

不同的焊接缺陷超聲TOFD檢測圖像不同，金屬材料焊接缺陷中的氣孔、夾渣、裂紋以及未焊透未熔合都表現出不同的圖像特征。氣孔缺陷是點狀缺陷，氣孔缺陷在TOFD圖像中沒有明顯分離的上下端點衍射信號，圖像特征表面為弧形，如圖3(1)所示。夾渣同樣屬于點狀缺陷，夾渣的TOFD圖像特征不太規則，衍射信號強，并且會出現明顯的振蕩，如圖3(2)所示。裂紋缺陷TOFD圖像特征表現為參差不齊的輪廓，并且上下端點圖像不規則，上下端點存在著許多雜散信號，如圖3(3)所示。

圖3 不同缺陷TOFD圖像特征

5 結語

金屬材料焊接過程中因為材料原因和人為因素會造成各種類型的缺陷，超聲波無損檢測技術可以實現金屬材料焊接缺陷的無損檢測。本文在分析金屬材料焊接缺陷無損檢測技術的基礎上，重點闡述超聲波檢測技術原理，探究基于超聲TOFD技術焊縫缺陷檢測，并結合金屬焊接中不同的缺陷驗證超聲TOFD檢測技術的有效性。