鋁合金結構件焊縫質量渦流及X射線檢測對比研究

單清群，何曉龍，曹春鵬，陳輝剛

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

鋁合金結構件焊縫質量渦流及X射線檢測對比研究

單清群，何曉龍，曹春鵬，陳輝剛

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

渦流檢測方法具有設備簡單、檢測速度快、靈敏度高、非接觸式檢測等優(yōu)點，能及時檢測焊縫質量情況，有效檢測焊縫是否存在未焊透、焊接裂紋等缺陷，以分析確定焊縫內的潛在風險，現已成為鋁合金結構件焊縫的有效檢測手段。采用多頻渦流檢測技術，配合新型無方向性電擾動渦流傳感器及X射線探傷儀，并制作鋁合金結構件焊縫人工缺陷，通過對比試驗兩種不同的檢測方法，分析兩種方法的優(yōu)劣。試驗結果表明，多頻渦流檢測技術配合新型無方向性電擾動渦流傳感器能夠滿足檢測要求，減小焊縫表面焊道的凹凸不平產生的干擾影響，并且全面地發(fā)現缺陷；相比之下，雖然X射線檢測結果更為直觀，但檢測速度較慢，不適合現場應用及缺陷快速定位。

鋁合金結構件；焊縫質量；多頻渦流；無方向性傳感器

0 前言

焊接結構的質量約占鋼材產量的45%，鋁和鋁合金焊接結構的比例不斷增加。鋁及鋁合金因其密度小、質量輕、熱容量大、強度高、散熱性強、耐腐蝕性好以及在高低溫下能夠保持良好的力學性能等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、鐵路、汽車等交通運輸行業(yè)[1]。鑒于鋁合金的特性，其焊接接頭易產生夾渣、氣孔、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷[2]，需要在焊接后采取無損檢測手段探查缺陷。常用的無損檢測方法有超聲、射線、滲透、磁粉、渦流等。相比較超聲、射線、滲透、磁粉檢測方法，渦流檢測方法具有設備簡單、檢測速度快、靈敏度高、非接觸式檢測等優(yōu)點。為了減小焊縫表面焊道的凹凸不平產生的干擾影響，并且全面地發(fā)現缺陷，本研究采用多頻渦流檢測技術結合無方向性電擾動渦流傳感器檢測鋁合金焊接接頭，同時采用X射線檢測法進行對比試驗，綜合比較兩種檢測手段的優(yōu)劣，為鋁合金焊接接頭無損檢測提供借鑒。

1 渦流檢測技術

1.1 多頻渦流檢測技術原理

多頻渦流檢測技術采用多頻率同時激勵探頭線圈，根據不同頻率對不同參數變化所獲得的檢測結果經分析處理后，能有效抑制多個干擾因素，一次性提取多個所需信號（如缺陷信息、壁厚情況等）。

當渦流探頭接觸試件（導電材料）時，試件內便形成渦流，渦流在試件內的分布不均勻。渦流的分布隨著深度的增加按指數函數方式衰減，即距離探頭線圈越遠，渦流密度越小[3]。假設渦流在試樣表面的密度為1，隨著深度的增加，試樣中的渦流密度逐漸衰減。當衰減到0.37時，h正好為一個滲透深度（即1個δ），或稱之為一個標準滲透深度。標準滲透深度是渦流密度由表面上的 100%衰減到37%時的深度[4]。試樣不同深度的渦流密度如圖1所示。

圖1 試樣不同深度的渦流密度

渦流在試件中可滲透的標準滲透深度分別與σ、f和μτ三者乘積的平方根成反比

式中δ為標準滲透深度（單位：inch/cm）；f為檢測頻率（單位：Hz）；σ為電導率（單位：μS/cm）；ρ為電阻率（單位：μΩ·cm）；μ為相對磁導率。

當渦流頻率越低時，相對同一材質工件的滲透深度越大，但渦流頻率越低，渦流密度越小，能夠發(fā)現細小缺陷的能力越弱。利用多頻渦流檢測技術，可檢測鋁合金結構件焊接的缺陷，表面微小裂紋和內部缺陷。

1.2 新型無方向性電擾動渦流傳感器

渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎上的一種無損檢測方法，由載交變電流的檢測線圈（探頭）、檢測電流的儀器和被檢金屬工件三部分組成。渦流檢測的實質是檢測線圈阻抗的變化。當檢測線圈靠近被檢工件時，其表面會出現電磁渦流，該渦流同時產生一個與原磁場方向相反的磁場，并部分抵消原磁場，導致檢測線圈電阻和電感分量變化。若金屬工件存在缺陷，就會改變渦流場的強度及分布，使線圈阻抗也發(fā)生變化，通過檢測這個變化分析是否存在缺陷，電磁渦流檢測原理示意如圖2所示[5]。

圖2 電磁渦流檢測原理示意

渦電流在檢測工件上的流動情形如圖3所示。垂直于渦電流流向的裂縫阻擋了其流動，使工件上反射磁場隨之發(fā)生變化，進而導致檢測線圈阻抗和電壓的改變而被探測出；相反，如果裂縫的走向與渦電流的方向平行，缺陷很難被發(fā)現，因此一般渦流檢測時必須從多個方向進行掃查探傷。

圖3 裂縫垂直于渦流流向易被探測

當采用常規(guī)絕對式渦流探頭（通常為單線圈）檢測導體的表面裂縫時，其信號大小與裂紋深度關系密切，可用來估算實際裂紋的深度。但若探頭不垂直于受檢工件或左右搖擺不定時，就會產生干擾信號，大大降低檢測的穩(wěn)定性及準確性。此外，絕對式探頭對鐵磁性材料的磁導率極其敏感，焊縫表面高低不平、熱影響區(qū)變化以及銹蝕的表面也會造成很大的干擾，無法進行可靠的檢測[6]。

新型無方向性電擾動渦流傳感器提離和晃動信號小，對橫向和縱向缺陷靈敏度相同，非常適合焊縫檢測。無方向性電擾動渦流傳感器是一種能夠將磁場及其變化量轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅难b置，包括激勵線圈和檢測單元。激勵線圈與感應線圈的法線垂直組合成一個完整的傳感器，傳感器平行于檢測工件平面。當激勵線圈和感應線圈大小可變，則交變感應電流所產生磁場的磁力線相對于感應線圈的方向各不相同，即感應線圈內有大量取向各異的磁力線穿過，這樣必然會嚴重影響檢測由缺陷引起的電流微弱擾動而導致的磁通變化。如果激勵線圈相對于感應線圈的尺寸足夠大，那么感應電流相對于小尺寸的感應線圈可近似視為沿單一方向直線流動，感應線圈附近的磁力線方向亦趨于一致，感應線圈取法線方向平行于電流流動方向。無缺陷時，穿過兩個感應線圈的磁通量為最少；當因缺陷存在引起電流擾動而導致磁通變化時，即使是微弱的變化，感應線圈也能很靈敏地發(fā)現，且感應線圈的這種取向對提離變化的敏感度也減至最小。

2 試驗方法及設備

2.1 鋁合金焊接接頭無損檢測設備

本研究采用SMART-5097智能多頻/陣列渦流探傷儀，并結合最先進的DSP、FPGA數字處理技術、實時多頻渦流檢測技術和微處理機技術，能實時有效地檢測金屬材料構件缺陷，區(qū)分合金種類和熱處理狀態(tài)以及厚度變化等。同時，基于渦流滲透深度與頻率的關系，采用多頻渦流檢測技術，對無方向性電擾動渦流傳感器加載多個頻率激勵，采用高頻檢測表面的細小缺陷，低頻檢測內部的缺陷，在快速實現焊接質量檢測的同時反映鋁合金焊接位置不同深度的缺陷情況。儀器可連接多種不同形式的檢測探頭，以適應不同形式的檢測需要，其主要技術參數如表1所示。此外，采用XXQ2505D-XK3.2射線探傷儀進行對比試驗。

表1 SMART－5097智能多頻/陣列渦流探傷儀主要技術參數

2.2 鋁合金結構件焊縫人工缺陷制作

考慮現場工程應用情況，選用表面未打磨處理的鋁合金結構件焊縫進行人工缺陷制作。

為確保能夠可靠有效地模擬各類自然缺陷，鋁合金結構件焊縫工件缺陷示意如圖4所示，總共有6個人工缺陷，分別為：1號—尺寸5 mm×0.15 mm× 0.7mm的橫向外表面缺陷；2號—尺寸5mm×0.15mm× 1.2mm的橫向外表面缺陷；3號—尺寸5mm×0.15mm×埋藏深1.0 mm（缺陷深度1.2 mm）的橫向內部缺陷；4號—尺寸5mm×寬0.15 mm×深0.7 mm的縱向外表面缺陷；5號—尺寸5 mm×寬0.15 mm×深1.2 mm的縱向外表面缺陷；6號—尺寸5 mm×寬0.15 mm×埋藏深1.0 mm（缺陷深度1.2 mm）的縱向內部缺陷。

圖4 鋁合金結構件焊縫工件缺陷尺寸加工

3 試驗結果及分析

3.1 鋁合金結構件焊縫渦流檢測試驗結果及分析

使用SMART-5097智能多頻/陣列渦流探傷儀檢測鋁合金結構件焊縫工件，無缺陷位置焊縫凹凸不平檢測信號（噪聲）如圖5所示。結果表明，無缺陷位置的檢測信號基本保持水平。

鋁合金結構件焊縫工件缺陷位置檢測結果如圖6所示。由圖可知，鋁合金結構件焊縫工件上不同類型（橫向、縱向）、不同深度（外表面、內部）缺陷均能被有效檢出，且呈現不同的信號幅值和傾角。該測試方法檢測速度快、靈敏度高，易于實現自動化，克服了焊縫表面凹凸不平帶來的干擾，保證缺陷檢測具有高的信噪比。通過多頻渦流檢測技術以及配合新型無方向性電擾動渦流傳感器，能夠較好地實現鋁合金結構件焊接接頭缺陷的快速檢測。

但是，在渦流檢測結果判定的過程中，需要檢測人員有一定的操作和判斷經驗，其檢測結果并非是直觀地反映缺陷形貌，且不適用于形狀復雜的零件；同時，該方法只能檢測導電材料的表面和近表面缺陷，檢測深度有限，檢測結果也易受材料本身及其他因素的干擾。

圖5 鋁合金結構件焊縫工件無缺陷位置焊縫凹凸不平檢測信號（噪聲）

圖6 鋁合金結構件焊縫工件缺陷位置檢測信號

3.2 鋁合金結構件焊縫X射線檢測實驗結果及分析

采用X射線檢測法檢測鋁合金焊接接頭。不同試驗條件下對接試板的宏觀形貌及檢測結果如圖7～圖9所示。所有焊接試板的射線檢測均能較好地反映焊縫形貌。試板1焊縫形貌整體較好，經肉眼觀察，X射線檢測無明顯缺陷存在。試板2焊接初始和結束位置余高較低，中間位置余高較大；同時，在焊接過程中添加銅絲制造人工缺陷，從射線檢測結果可知，焊縫中心可見明顯的條狀白亮色異物，可看作類裂紋缺陷，該方法能較好地發(fā)現裂紋缺陷形貌。試板3在焊接過程中人工制造氣孔缺陷，通過宏觀形貌能觀察到正面焊縫余高極為不均勻，肉眼可觀察到氣孔缺陷，同時射線探傷結果能夠很好反映內部氣孔缺陷。

圖7 試板1焊縫宏觀形貌及X射線探傷結果

圖8 試板2焊縫宏觀形貌及X射線探傷結果

圖9 試板3焊縫宏觀形貌及X射線探傷結果

綜上所述，相比于渦流檢測法，X射線檢測法能夠獲得缺陷的直觀圖像，定性準確，對長度、寬度尺寸的定量也比較準確。但是，X射線檢測法對缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的確定比較困難，檢測成本較高，速度較慢；同時，檢驗厚工件需要高能量的射線設備，而且隨著厚度的增加，其檢驗靈敏度也會下降；在檢測過程中還會產生帶輻射射線，需做防護工作。

4 結論

（1）多頻渦流檢測技術配合新型無方向性電擾動渦流傳感器能夠滿足對鋁合金結構件焊縫的檢測要求，減小焊縫表面焊道凹凸不平帶來的干擾影響，并快速、準確地發(fā)現缺陷。

（2）X射線檢測法可以獲得缺陷的直觀圖像，定性準確，對長度、寬度尺寸的定量也較準確。

（3）多頻渦流檢測技術對檢測人員、材料種類及缺陷深度有要求，檢測結果也易受材料本身及其他因素的干擾；X射線檢測法對缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的確定較困難，檢測成本高，速度較慢，需對射線做防護工作。相比較而言，針對現場檢測及缺陷快速定位，采取多頻渦流檢測技術更為合適。

[1]劉叢.關于鋁合金焊接質量問題的因果分析[J].大觀周刊，2011（40）：58.

[2]王立夫，唐衡郴，王金金，等.軌道車輛用鋁合金焊接缺陷分析[J].焊接技術，2012（10）：14-17.

[3]王兆林.渦流探傷在機車輪心探傷中的應用[J].鐵道機車與動車，2013（6）：36-39.

[4]林俊明，田鴻立.多頻數字渦流檢測技術在電力系統中的應用[J].電力建設，1995（06）：5-7.

[5]黃建明，林俊明.焊縫電磁渦流檢測技術[J].無損檢測，2004，26（2）：95-98.

[6]任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社，2008.

Contrastive study of eddy current testing and X-ray detection in welding seam of aluminum alloy components

SHAN Qingqun，HE Xiaolong，CAO ChunPeng，CHEN Huigang
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The eddy current testing has the advantages of simple device requirement，fast detection speed，high sensitivity and noncontact detection etc.，which can detect the quality and defects of welding seam just in time，such as incomplete penetration and cracks，to determine the potential risks in the weld.It has become an effective detection method for welding seam in aluminum alloy components.In this paper，the multi-frequency eddy current testing in association with novel non-directional eddy current sensor and X-ray detection were applied，and the precast defects of welding seam in aluminum alloy structured components were conducted. Besides，the advantages and disadvantages of the two different testing methods were compared.The results illustrated that the detection requirements of the welding seam in aluminum alloy components could be satisfied through the multi-frequency eddy current testing in association with the novel non-directional eddy current sensor，which would reduce the interference effect caused by the irregularity of welding seam surface，detecting the welding defects comprehensively；in contrast，although the X-ray detection results were more intuitive，the detection speed was slower，which was not suitable for field application and rapid location of defects.

Al alloy components；quality of welding seam；multi-frequency eddy；non-directional eddy current sensor；X-ray detection

TG456.7

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發(fā)[J].電焊機，2017，47（03）：1-6.

2017-01-19

單清群（1963—），男，山東青島人，工程師，本科，主要從事檢測技術、質量檢驗技術等研究工作。