金屬材料焊接中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)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(lái)，超聲波無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了處理自動(dòng)化、分析自動(dòng)化、統(tǒng)計(jì)數(shù)字化，在檢測(cè)應(yīng)用中便于操作。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理能力增強(qiáng)，設(shè)備自動(dòng)化程度提高，超聲波檢測(cè)技術(shù)水平也在提升。當(dāng)下超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的作用是多方面的，一是可以檢測(cè)出產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，二是可以對(duì)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析，三是給出產(chǎn)品參數(shù)調(diào)整的意見(jiàn)。由此可見(jiàn)，超聲波無(wú)損檢測(cè)有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在金屬材料焊接的質(zhì)檢工作中，超聲波檢測(cè)的精確性比較高，對(duì)材料沒(méi)有損傷，檢測(cè)后不會(huì)影響產(chǎn)品的性能，所以廣泛應(yīng)用于金屬材料焊接檢測(cè)中[1]。

1 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

1.1 超聲波無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

超聲波無(wú)損檢測(cè)具有很多優(yōu)點(diǎn)：第一，超聲波檢測(cè)方法的投資比較少，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度比較高，在各類檢測(cè)方法中具有較高的性價(jià)比。第二，超聲波無(wú)損檢測(cè)不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生破壞，檢測(cè)后既可以評(píng)價(jià)工件的焊接質(zhì)量，又不會(huì)影響工件的實(shí)用功能。第三，超聲波無(wú)損檢測(cè)可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，焊接后可以快速給出焊接質(zhì)量報(bào)告。鑒于超聲波無(wú)損檢測(cè)具有上述優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域中。要對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用計(jì)算機(jī)來(lái)保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終將數(shù)據(jù)匯總形成檢測(cè)報(bào)告。根據(jù)報(bào)告中的結(jié)果來(lái)判定質(zhì)量檢測(cè)是否合格，如果不合格則要進(jìn)一步分析，給出參數(shù)調(diào)整的范圍。第四，準(zhǔn)確性高。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)金屬焊接質(zhì)量的過(guò)程中，可以達(dá)到100% 的檢測(cè)精確度，具有很高的檢測(cè)價(jià)值，是目前使用最為廣泛的金屬焊接檢測(cè)技術(shù)。另外，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的穿透力，可以對(duì)體積比較大、厚度比較厚的金屬焊接試件進(jìn)行檢測(cè)，而且可以對(duì)被檢測(cè)試件的質(zhì)量缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。第五，操作簡(jiǎn)單。超聲無(wú)損檢測(cè)的設(shè)備十分輕便，可以隨用隨取，并且檢測(cè)操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快，檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)對(duì)周圍的生產(chǎn)環(huán)境造成任何影響。超聲波探傷儀如圖1 所示。

1.2 超聲波無(wú)損檢測(cè)的缺點(diǎn)

超聲波污損檢測(cè)的缺點(diǎn)是具有局限性。超聲波檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性需要做好前期準(zhǔn)備工作，即對(duì)材料焊接定性和定量，如果前期這部分工作缺失，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性必然受到影響。另外，超聲波對(duì)檢測(cè)材料的形貌有一定要求，規(guī)則形貌的材料檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高；不規(guī)則立方體金屬零件使用超聲波檢測(cè)的結(jié)果會(huì)有較大偏差，這是由于不規(guī)則形狀影響了正常傳播。超聲波的檢測(cè)結(jié)果受到多種因素影響，除了上述兩個(gè)因素外，金屬材料的晶粒度也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可見(jiàn)，超聲波無(wú)損檢測(cè)可以給出準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果的條件是金屬材料晶粒度對(duì)超聲波無(wú)影響，待檢測(cè)金屬零件具有規(guī)則的幾何形貌，并且檢測(cè)前要做好細(xì)致的定性和定量分析。如此一來(lái)，超聲波無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用就受到了限制，沒(méi)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(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)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(shù)，使超聲波探頭與金屬焊接表面進(jìn)行直接接觸，將超聲波射入到不同介質(zhì)的交界面處，之后根據(jù)反饋波形的不同來(lái)檢測(cè)焊接處的問(wèn)題。使用該種方法需要注意的是，為保證探頭實(shí)現(xiàn)超聲波的有效接收和發(fā)射，防止聲能在檢測(cè)過(guò)程中全部被反射，在檢測(cè)工作開(kāi)始之前需要將接觸層上的空氣排凈。

2.2 液體浸潤(rùn)法

液體浸潤(rùn)法的基本工作原理是使探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)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(jìn)而獲取檢測(cè)結(jié)果。在這個(gè)過(guò)程中，聲能在耦合液的保護(hù)下，絕大部分都會(huì)進(jìn)入到焊接部位當(dāng)中，最大限度的避免了聲能的浪費(fèi)。如果焊接部位存在缺陷的話，在缺陷部位就會(huì)產(chǎn)生明顯的聲波反射現(xiàn)象，同時(shí)另一部分聲能在傳播到焊接地面時(shí)會(huì)發(fā)生反射。液體浸潤(rùn)法當(dāng)中的探頭與焊接表面不發(fā)生直接接觸，這樣就使得超聲波在發(fā)射和接收過(guò)程中具有極高的穩(wěn)定性，繼而提升檢測(cè)的效率。

3 金屬材料焊接中超聲波無(wú)損檢測(cè)的具體應(yīng)用

3.1 檢測(cè)宏觀缺陷

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)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(jiàn)的缺陷，一般表現(xiàn)為材料表面粗糙程度、材料的厚度是否均勻等等。對(duì)于熔點(diǎn)較低的金屬，焊接后其厚度會(huì)發(fā)展變化，也可能出現(xiàn)熔融物墜落的情況。對(duì)于精密度要求較高的工件，比如航空航天和精密儀器設(shè)備，不容許表面有宏觀缺陷。超聲波無(wú)損檢測(cè)可以有效檢測(cè)出焊接后形成的宏觀缺陷，有利于提高金屬材料焊接的質(zhì)量。

3.2 檢測(cè)微觀缺陷

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)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(chǎn)生的原因是焊接技術(shù)選擇不當(dāng)。焊接過(guò)程溫度較高，部分材料會(huì)隨著溫度的變化而產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)境變化，從而影響金屬材料的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，最后影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，高溫下金屬在有氧情況下會(huì)產(chǎn)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(huì)影響金屬工件的品質(zhì)。

3.3 檢測(cè)材料材質(zhì)缺陷

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)出金屬材料的缺陷。在金屬材料焊接中，焊接材料自身的質(zhì)量問(wèn)題也會(huì)引發(fā)后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)材料的品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，避免材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)影響焊接質(zhì)量。焊接工作開(kāi)展之前，要對(duì)所用的金屬材料品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)材料中的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)對(duì)焊接的牢固性產(chǎn)生影響。

4 金屬材料焊接中超聲波無(wú)損檢測(cè)的注意事項(xiàng)

4.1 明確檢測(cè)要點(diǎn)

焊接方法的選擇與焊接材料的理化性質(zhì)、用途、制作工藝等息息相關(guān)，針對(duì)不同焊接方法，超聲波污損檢測(cè)的的處理方案也會(huì)有差別。只有明確焊接方法的缺陷，才能夠確定相應(yīng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)。超聲波無(wú)損檢測(cè)原理如圖2 所示。檢測(cè)要點(diǎn)決定檢測(cè)方法，檢測(cè)的目標(biāo)不同，檢測(cè)的方法也會(huì)有差異。所以，檢測(cè)人員要掌握金屬材料焊接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，然后按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)，并且對(duì)焊接質(zhì)量給出客觀合理的評(píng)價(jià)。焊接時(shí)焊點(diǎn)附近的溫度比較高，熔點(diǎn)偏低的金屬會(huì)熔化，然后冷卻后在金屬表面形成小疙瘩，導(dǎo)致金屬表面粗糙度增加，同時(shí)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(zhì)量的檢測(cè)必備項(xiàng)目。所以，超聲波無(wú)損檢測(cè)時(shí)，要將金屬瘤作為檢測(cè)要點(diǎn)。

4.2 合理安排檢測(cè)時(shí)間

超聲波無(wú)損檢測(cè)需耗能比較高，在檢測(cè)過(guò)程中要合理安排好檢測(cè)時(shí)間，這樣可以合理降低檢測(cè)成本。所以，檢測(cè)人員要對(duì)焊接流程有整體認(rèn)知，超聲檢測(cè)不必全程檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)和焊接經(jīng)驗(yàn)，明確焊接質(zhì)量常出問(wèn)題的地方，然后針對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。這樣就可以依據(jù)焊接進(jìn)度來(lái)檢測(cè)焊接質(zhì)量，避免漏檢測(cè)，保證焊接問(wèn)題的檢出率。所以，超聲波無(wú)損檢測(cè)前，要根據(jù)焊接的具體情況來(lái)合理安排檢測(cè)時(shí)間。

圖2 超聲波無(wú)損檢測(cè)原理圖

4.3 強(qiáng)化檢測(cè)員與焊接工之間的交流

不同材質(zhì)的金屬在焊接中產(chǎn)生的變化不同，所以需要相應(yīng)的超聲波檢測(cè)手段，同時(shí)要配合其他檢測(cè)技術(shù)。多種檢測(cè)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(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。超聲波無(wú)損檢測(cè)前、檢測(cè)過(guò)程、檢測(cè)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(cè)方法，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。檢測(cè)之前要做好定性和定量分析，對(duì)焊接材料和方法了解越透徹，檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作就會(huì)越充分。檢測(cè)過(guò)程中，也可以跟上焊接的工作進(jìn)度，檢測(cè)和焊接人員形成默契，一個(gè)焊接環(huán)節(jié)臨近結(jié)束，檢測(cè)就做好準(zhǔn)備，這樣可以避免交替工作耽誤時(shí)間。焊接后，分析質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果時(shí)，要聽(tīng)取焊接工人的意見(jiàn)和分析，必要時(shí)配合其他檢測(cè)方法來(lái)佐證質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。所以，超聲波無(wú)損檢測(cè)工作人員要有良好的溝通能力，通過(guò)與焊接工人的配合，更好的開(kāi)展焊接工作[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬材料焊接應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，隨著對(duì)工件和設(shè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)則可以滿足這些工件和設(shè)備對(duì)金屬焊接的質(zhì)量檢測(cè)需求。所以，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有良好的檢測(cè)前景。然而，超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用也有一定的局限性，并且有時(shí)需要配合其他檢測(cè)方法才可以給出客觀的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)，還有很大的提升空間。因此，相關(guān)的超聲波檢測(cè)技術(shù)人員和金屬材料焊接人員要提高自己的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力，理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。