金屬材料焊接中超聲無損檢測技術的應用

沈 偉，袁 笑，何亞翔

（上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司，江蘇 啟東 226259）

近年來，超聲波無損檢測已經實現了處理自動化、分析自動化、統計數字化，在檢測應用中便于操作。隨著信息技術的發展，計算機處理能力增強，設備自動化程度提高，超聲波檢測技術水平也在提升。當下超聲波無損檢測技術的作用是多方面的，一是可以檢測出產品質量問題，二是可以對質量問題進行分析，三是給出產品參數調整的意見。由此可見，超聲波無損檢測有利于提高產品的質量。在金屬材料焊接的質檢工作中，超聲波檢測的精確性比較高，對材料沒有損傷，檢測后不會影響產品的性能，所以廣泛應用于金屬材料焊接檢測中[1]。

1 超聲波無損檢測技術的優點和缺點

1.1 超聲波無損檢測的優點

超聲波無損檢測具有很多優點：第一，超聲波檢測方法的投資比較少，檢測結果的準確度比較高，在各類檢測方法中具有較高的性價比。第二，超聲波無損檢測不會對工件產生破壞，檢測后既可以評價工件的焊接質量，又不會影響工件的實用功能。第三，超聲波無損檢測可以自動進行數據分析，焊接后可以快速給出焊接質量報告。鑒于超聲波無損檢測具有上述優點，被廣泛應用于航天、機械制造等眾多領域中。要對檢測的數據進行分析，利用計算機來保證分析結果的準確性，最終將數據匯總形成檢測報告。根據報告中的結果來判定質量檢測是否合格，如果不合格則要進一步分析，給出參數調整的范圍。第四，準確性高。超聲無損檢測技術在檢測金屬焊接質量的過程中，可以達到100% 的檢測精確度，具有很高的檢測價值，是目前使用最為廣泛的金屬焊接檢測技術。另外，超聲無損檢測技術具有很強的穿透力，可以對體積比較大、厚度比較厚的金屬焊接試件進行檢測，而且可以對被檢測試件的質量缺陷進行準確的定位。第五，操作簡單。超聲無損檢測的設備十分輕便，可以隨用隨取，并且檢測操作簡單、檢測速度快，檢測過程中不會對周圍的生產環境造成任何影響。超聲波探傷儀如圖1 所示。

1.2 超聲波無損檢測的缺點

超聲波污損檢測的缺點是具有局限性。超聲波檢測結果的準確性需要做好前期準備工作，即對材料焊接定性和定量，如果前期這部分工作缺失，檢測結果的準確性必然受到影響。另外，超聲波對檢測材料的形貌有一定要求，規則形貌的材料檢測結果準確性高；不規則立方體金屬零件使用超聲波檢測的結果會有較大偏差，這是由于不規則形狀影響了正常傳播。超聲波的檢測結果受到多種因素影響，除了上述兩個因素外，金屬材料的晶粒度也會影響測量結果的準確性。由此可見，超聲波無損檢測可以給出準確檢測結果的條件是金屬材料晶粒度對超聲波無影響，待檢測金屬零件具有規則的幾何形貌，并且檢測前要做好細致的定性和定量分析。如此一來，超聲波無損檢測的應用就受到了限制，沒有普適性[2]。

圖1 超聲波探傷儀

2 金屬材料焊接中超聲波無損檢測的檢測方法

2.1 直接接觸法

該方法的基本原理是借助于耦合技術，使超聲波探頭與金屬焊接表面進行直接接觸，將超聲波射入到不同介質的交界面處，之后根據反饋波形的不同來檢測焊接處的問題。使用該種方法需要注意的是，為保證探頭實現超聲波的有效接收和發射，防止聲能在檢測過程中全部被反射，在檢測工作開始之前需要將接觸層上的空氣排凈。

2.2 液體浸潤法

液體浸潤法的基本工作原理是使探頭發射的超聲波經過一定厚度的耦合液面之后，使其與液體表面的交界處形成聲波反射，進而獲取檢測結果。在這個過程中，聲能在耦合液的保護下，絕大部分都會進入到焊接部位當中，最大限度的避免了聲能的浪費。如果焊接部位存在缺陷的話，在缺陷部位就會產生明顯的聲波反射現象，同時另一部分聲能在傳播到焊接地面時會發生反射。液體浸潤法當中的探頭與焊接表面不發生直接接觸，這樣就使得超聲波在發射和接收過程中具有極高的穩定性，繼而提升檢測的效率。

3 金屬材料焊接中超聲波無損檢測的具體應用

3.1 檢測宏觀缺陷

超聲波無損檢測技術可以檢測出金屬材料焊接中的宏觀缺陷。在金屬材料焊接中，宏觀缺陷是指肉眼可見的缺陷，一般表現為材料表面粗糙程度、材料的厚度是否均勻等等。對于熔點較低的金屬，焊接后其厚度會發展變化，也可能出現熔融物墜落的情況。對于精密度要求較高的工件，比如航空航天和精密儀器設備，不容許表面有宏觀缺陷。超聲波無損檢測可以有效檢測出焊接后形成的宏觀缺陷，有利于提高金屬材料焊接的質量。

3.2 檢測微觀缺陷

超聲波無損檢測技術可以檢測出金屬材料焊接中的微觀缺陷。在金屬材料焊接中，微觀缺陷是指肉眼但不到的缺陷，產生的原因是焊接技術選擇不當。焊接過程溫度較高，部分材料會隨著溫度的變化而產生內部環境變化，從而影響金屬材料的微觀形態結構，最后影響了產品的質量。另外，高溫下金屬在有氧情況下會產生金屬氧化物，這些氧化物以粉末的形式附著在金屬表面，也會影響金屬工件的品質。

3.3 檢測材料材質缺陷

超聲波無損檢測技術可以檢測出金屬材料的缺陷。在金屬材料焊接中，焊接材料自身的質量問題也會引發后續產品的質量問題。超聲波無損檢測技術可以對材料的品質進行檢測，避免材料質量不過關影響焊接質量。焊接工作開展之前，要對所用的金屬材料品質進行檢測，及時發現材料中的雜質，避免雜質對焊接的牢固性產生影響。

4 金屬材料焊接中超聲波無損檢測的注意事項

4.1 明確檢測要點

焊接方法的選擇與焊接材料的理化性質、用途、制作工藝等息息相關，針對不同焊接方法，超聲波污損檢測的的處理方案也會有差別。只有明確焊接方法的缺陷，才能夠確定相應的超聲波檢測技術。超聲波無損檢測原理如圖2 所示。檢測要點決定檢測方法，檢測的目標不同，檢測的方法也會有差異。所以，檢測人員要掌握金屬材料焊接的技術標準，然后按照標準來檢測，并且對焊接質量給出客觀合理的評價。焊接時焊點附近的溫度比較高，熔點偏低的金屬會熔化，然后冷卻后在金屬表面形成小疙瘩，導致金屬表面粗糙度增加，同時影響金屬的美觀性。這種熔融金屬形成的小疙瘩叫金屬瘤，是焊接質量的檢測必備項目。所以，超聲波無損檢測時，要將金屬瘤作為檢測要點。

4.2 合理安排檢測時間

超聲波無損檢測需耗能比較高，在檢測過程中要合理安排好檢測時間，這樣可以合理降低檢測成本。所以，檢測人員要對焊接流程有整體認知，超聲檢測不必全程檢測，根據檢測和焊接經驗，明確焊接質量常出問題的地方，然后針對這些部位進行重點檢測。這樣就可以依據焊接進度來檢測焊接質量，避免漏檢測，保證焊接問題的檢出率。所以，超聲波無損檢測前，要根據焊接的具體情況來合理安排檢測時間。

圖2 超聲波無損檢測原理圖

4.3 強化檢測員與焊接工之間的交流

不同材質的金屬在焊接中產生的變化不同，所以需要相應的超聲波檢測手段，同時要配合其他檢測技術。多種檢測方式相互配合，可以減小由于材料幾何形貌和材料自身晶粒度等對超聲波檢測結果準確性的影響。超聲波無損檢測前、檢測過程、檢測之后都要與焊接工人之間保持有效的溝通。了解焊接的方法和工作流程，這樣可以選擇匹配度更高的檢測方法，提高檢測的準確性。檢測之前要做好定性和定量分析，對焊接材料和方法了解越透徹，檢測前的準備工作就會越充分。檢測過程中，也可以跟上焊接的工作進度，檢測和焊接人員形成默契，一個焊接環節臨近結束，檢測就做好準備，這樣可以避免交替工作耽誤時間。焊接后，分析質量檢測結果時，要聽取焊接工人的意見和分析，必要時配合其他檢測方法來佐證質量檢測結果。所以，超聲波無損檢測工作人員要有良好的溝通能力，通過與焊接工人的配合，更好的開展焊接工作[3]。

5 結語

綜上所述，金屬材料焊接應用于各個領域中，隨著對工件和設備精密度要求的提高，金屬焊接后的宏觀缺陷、微觀缺陷和金屬材料本身的缺陷都備受重視。超聲波無損檢測技術則可以滿足這些工件和設備對金屬焊接的質量檢測需求。所以，超聲波無損檢測技術具有良好的檢測前景。然而，超聲波檢測技術應用也有一定的局限性，并且有時需要配合其他檢測方法才可以給出客觀的焊接質量評價，還有很大的提升空間。因此，相關的超聲波檢測技術人員和金屬材料焊接人員要提高自己的專業知識和實踐能力，理論結合經驗，推動超聲波無損檢測技術的發展。