金屬材料焊接中超聲無損檢測技術的有效應用

馬小強，孫 濤，范希磊

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.國家管網集團公司甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730060）

焊接是制造加工的常用方法，但是該方法由于加工原理決定了其在處理過程中容易發生變性、開裂的情況，這對加工部件的承載力、制造精度以及穩定性造成了較大的影響。為了在焊接過程中及時發現缺陷并及時處理，需要利用有效的檢測技術來及時篩查焊接缺陷。超聲無損檢測技術在這一環節中起到了重要的作用，能夠滿足實際生產的需求，確保產品的質量安全。

1 金屬材料焊接結構檢測的重要性

焊接技術是金屬加工中的重要技術，例如在汽車零部件生產中，焊接占據了20%的耗時及10%的耗費，但是由于焊接過程中出現的不均勻熱戰冷縮現象，導致加工工件中存在殘余應力，導致工件的強度下降，甚至導致焊接部位由于應力作用而出現開裂的情況[1]。這種焊接產生的應力被稱為焊接應力，根據產生時間可以分為焊接瞬間應力與焊接殘留應力，前者是指焊接過程中發生的應力，后者則是指焊機之后殘留在工件上的應力。焊接殘留應力的存在對于焊接結構會造成較大的影響，包括：①開裂：殘余焊接應力與其他因素共同作用下導致焊接部位出現裂紋，且裂紋出現時間與殘留焊接應力的大小有直接的相關性，殘留應力越大，焊接部位開裂速度也越快；②強度下降：殘留應力會使得荷載應力循環發生偏移，當應力集中部位出現殘留應力時，工件的強度會下降；③結構剛度降低：當荷載重量對焊接結構產生應力與殘余應力疊加達到極限時，金屬材料會發生塑性變化，結構剛度也隨之下降，尤其是一些脆性金屬材料，隨著荷載重量的增加，應力的不斷增長會使得焊接結構逐漸達到極限，從而出現慢性的塑性變形，出現局部結構破壞并最終導致焊接結構斷裂[2]。

除了上述三種情況之外，焊接殘余應力的出現還會對焊接加工精度、工件穩定性有一定的影響。因此焊接殘余應力的出現成為影響焊接結構質量的重要原因之一。由于焊接結構開裂，引起了非常多的安全事故，例如比利時鋼結構橋梁斷裂、煤氣球罐由于開裂引起的爆炸事故，對社會安全造成了較大的影響。因此焊接結構檢測成為業界關注的重要課題。

由于焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，在受到焊縫以及焊接溫度的影響，焊件內部會出現殘余應力。在焊接加工過程中，殘余應力與工作應力相互疊加會導致焊件結構的變形，不但會影響焊接結構的的穩定性，同時在溫度與介質的作用下導致焊接結構的強度、抗斷裂能力以及抗高溫蠕變開裂能力下降[3]。隨著人們安全意識的提高，對焊接技術提出了更高的要求，因此對金屬焊接結構進行定量檢測與分析，是評價焊接結構質量的重要措施。

2 超聲無損檢測技術的概述

超聲無損檢測技術是目前無損檢測技術中發展最迅速且應用最廣泛的技術。從應用超聲無損檢測技術開始，利用該技術進行金屬焊接結構檢測一直是其主要研究的方向，能夠測量焊接結構殘余應力以及強度，從而評估焊接結構斷裂風險，從而預防安全事故的發生。

TOFD是一種新型超聲無損檢測技術，該技術主要是利用衍射現象，采用一發一收脈沖探頭進行檢測，一次掃查能夠覆蓋整個焊縫區域，具有較高的檢測速度，可靠性高，能夠鑒別表面延伸缺陷，且采取D-掃描成像技術，能夠讓缺陷的判斷更加直觀，同時具有較高的精準度，誤差不超過1mm。超聲相控陣技術的研發思路主要來自雷達電磁波相控陣技術，在應用該技術進行焊縫檢測時，不需要頻繁前后、左右移動探頭，只需要沿著焊縫長度水平方向平行直線掃查即可進行全體積測量，具有較高的檢測速度。超聲波測定應力技術主要是通過測量焊件的表面應力與殘余應力從而評估焊件的整體狀況，目前在工業中已經得到了推廣應用，如檢查鐵路軌道殘余應力狀況，只要內部存在殘余應力，就能夠通過超聲波檢測出來，該方法雖然比較簡單，但是需要建立豐富的數據庫以及投入較多的人力物力，且由于實際使用情況比較復雜，因此該技術目前仍需要不斷的完善。

3 超聲無損檢測技術在金屬材料焊接中的應用價值

超聲無損檢測技術在金屬材料焊接中的應用主要是利用超聲波與金屬材料焊接結構的相互作用從而產生的反射、透射以及散射現象進行觀察，從而判斷焊接結構有無缺陷以及不均勻的情況，從而確定焊接結構的缺陷程度以及特征狀況，最終對焊接結構進行綜合性的評價，確定焊接結構是否符合加工標準。超聲無損檢測技術主要是利用超聲波的聲學性能產生的各種信息進行測量，從而獲得焊接結構的相關信息，并對其進行評價，由于超聲波波形、材料特性、超聲波發射方法以及接收方法的不同，形成了不同的檢測方法，包括超聲波脈沖放射法、衍射時差法等，根據顯示方法的不同還可以被細分為超聲成像顯示、A型顯示等方法[7]。超聲無損檢測技術在金屬材料焊接中的應用價值主要表現在以下幾方面。

3.1 檢測金屬材料內部缺陷

超聲無損檢測技術能夠發現金屬材料的內部缺陷。金屬材料在焊接過程中受到內外部因素的影響，導致焊接質量缺陷，出現了焊接縫隙或者是殘余應力過大的問題。金屬材料焊接質量是否符合相關的標準將直接影響金屬材料內部特性，并對整個加工工件的質量有著直接的影響。因此利用該技術來檢測焊接結構內部是否存在缺陷、殘渣或者是未焊透的情況，從而確保加工工件的整體質量。

3.2 檢查焊接的整體效果

部分熔點低的金屬材料在焊接過程中由于焊接溫度過高會發生熔化的情況，導致液體金屬殘留在金屬材料上，在其凝固之后會對整個焊接結構的宏觀效果造成影響。超聲無損檢測技術能夠檢測焊接結構的宏觀效果，從而及時發現問題。

3.3 檢測焊接的細小缺陷

金屬材料焊接質量受到各種因素的應力，部分工人由于技藝不過關，在焊接過程中由于焊接溫度過高導致金屬材料表面發生氧化的情況，這就可能導致微小缺陷的發生。因此利用超聲無損檢測技術能夠進一步篩查焊接結構有無細小缺陷，從而及時彌補，確保焊接結構的質量[8]。

4 超聲無損檢測技術在金屬材料焊接缺陷中的應用方法

在金屬材料焊接缺陷探測中，由于焊縫與探測面形成一定的角度，因此需要將超聲波按照一定的角度射入工件內，因此被稱為橫波斜探頭法。目前金屬材料焊接缺陷通常應用該方法進行探查，主要是始脈沖與低脈沖之間有無傷脈沖來確定有無焊接缺陷。在發現焊接缺陷之后，可通過顯示屏中的高度來確定焊縫缺陷位置以及大小，主要步驟如下。

4.1 選擇檢測條件

由于焊接缺陷通常與攝入聲束存在夾角，考慮到缺陷發射波的指向性特點，因此頻率通常選擇2~5MHz，厚度較高的金屬材料由于衰減更加明顯因此可以選擇頻率更低的材料。探頭攝入角的選擇需要確保能夠掃查整個截面，并保持聲束中心線與檢查探測面保持垂直。目前常用的耦合劑為有機油、甘油、潤滑脂和水等材料，從耦合效果來看，以漿糊的應用價值最高。

4.2 探測面修整

為了確保檢測效果，需要將探測面上的油垢、銹蝕、氧化物等污漬清除掉，同時同時使用砂輪打磨深坑，修正寬度需要根據金屬材料厚度以及探頭的射入角度來確定。

4.3 探頭射入點和斜探頭K值

探頭射入點通常由于制造偏差和磨損的問題出現實際入射點與標記位置出現偏差的情況，因此需要對入射點進行測量。斜探頭K值與入射點的準確向對于焊接缺陷定位精度有著較大的影響，但是也由于制造工藝以及磨損的問題，會出現實際值偏差的問題。因此上述兩個指標在實際測試中都需要進行測定。

4.4 時間基線調整

時間基線調整的主要內容包括零點校正和掃描速度調整，在橫波檢測過程中為了更好的定位需要將聲波在材料中的傳播速度扣除，并將探頭射入點作為零點，扣除聲程就是零點矯正。掃描速度調整則與零點校正同步進行，主要分為以下幾種：①聲程調整：調整之后時間基線與聲程呈正向關系，主要是將入射點作為標準塊零點，由于反射槽的反射因此會出現多次回波，在測量范圍內根據回波的相對刻度進行標記來測量聲程。②水平距離調整：主要是根據基線刻度與反射波的水平的正相關性進行調整。③深度調整：由于基線刻度與反射波深度h存在正相關性，因此可以利用反射波進行調整。

4.5 DAC曲線繪制

由于焊接缺陷大小不同，因此聲程以及回波幅度也存在較大的差異。超聲檢測過程中主要是根據回波波幅高度來確定有無缺陷。因此需要根據回波波幅進行矯正，通常是通過制作距離-波幅曲線圖（DAC曲線）。《鋼焊縫手工超聲波探傷方法以及探傷結果分級》要求采取3×40橫通孔測試塊來繪制DAC曲線圖。在測試過程中首先需要將探傷調到最大范圍，并根據深度以及水平距離來調整比例極限。根據材料的厚度以及曲度來選擇合適的對比測試塊，測試塊中的深度等于測試深度。為了提高測試效果的準確率，需要尋找最大放射波高，并且將其作為面板中的輔助標志，并制作衰減分段曲線[4-6]。

4.6 靈敏度驗證

超聲檢驗探查焊縫及表面外觀合格之后，需要對探查的靈敏度進行驗證，例如表面耦合損失和材料衰減和測試結果不一致時，就需要考慮靈敏度的驗證。探查速度不能超過15cm/s,相鄰探頭移動距離至少需要有10%重疊位置。若為縱向探查，則探頭垂直于焊縫的中心線經探查。在探頭移動過程中還需要左右轉動10~15°。

為了確定焊接缺陷的位置和形狀，需要觀察波形缺陷信號，通過多種探查方法進行觀察，例如通過左右掃查來確定缺陷長度，前后左右掃查來確定缺陷的最高回波，通過定點轉動的方法來評估缺陷的形狀。反射波幅超過定量即可評估為缺陷，因此需要確定其位置、最大反射波幅區和長度。在時間基線水平距離調整過程中，可以通過顯示屏直接確定最大反射波的水平距離。

對于超過定量的信號則需要認真辨別是否有缺陷特征，對于疑為缺陷的信號，需要增加動態波形并結合焊接工藝進行判斷，若無法準確判斷時可以結合其他檢查方法來輔助判定。GB16278-647標準要求焊縫質量不過關需要返修處理，對于外觀缺陷的返修比較簡短，可利用碳弧氣刨將內部缺陷刨去即可，為了預防裂縫擴大，需要增加刨削深度并充分清除削切深度，在打磨之后施焊，之后進行復檢。一般情況下一條焊縫只允許返修2次。

5 結束語

金屬材料焊接過程中由于各種因素的影響會出現殘余應力，而殘余應力對于焊接結構會造成較大的影響，引起開裂、強度下降以及穩定性降低等問題，更容易發生焊接結構斷裂的情況，為了進一步確保焊接質量，提高工件的使用性能。因此需要使用無損檢測技術來評估金屬材料焊接結構的質量。超聲無損檢測技術在金屬材料焊接中具有較好的應用效果，具有操作方便、準確度高且測量速度快，能夠及時發現焊接缺陷，從而及時處理，預防各種質量問題的出現。