金屬材料焊接中超聲無損檢測技術(shù)的有效應(yīng)用

馬小強，孫 濤，范希磊

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.國家管網(wǎng)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(fā)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(wěn)定性造成了較大的影響。為了在焊接過程中及時發(fā)現(xiàn)缺陷并及時處理，需要利用有效的檢測技術(shù)來及時篩查焊接缺陷。超聲無損檢測技術(shù)在這一環(huán)節(jié)中起到了重要的作用，能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，確保產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

1 金屬材料焊接結(jié)構(gòu)檢測的重要性

焊接技術(shù)是金屬加工中的重要技術(shù)，例如在汽車零部件生產(chǎn)中，焊接占據(jù)了20%的耗時及10%的耗費，但是由于焊接過程中出現(xiàn)的不均勻熱戰(zhàn)冷縮現(xiàn)象，導(dǎo)致加工工件中存在殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件的強度下降，甚至導(dǎo)致焊接部位由于應(yīng)力作用而出現(xiàn)開裂的情況[1]。這種焊接產(chǎn)生的應(yīng)力被稱為焊接應(yīng)力，根據(jù)產(chǎn)生時間可以分為焊接瞬間應(yīng)力與焊接殘留應(yīng)力，前者是指焊接過程中發(fā)生的應(yīng)力，后者則是指焊機之后殘留在工件上的應(yīng)力。焊接殘留應(yīng)力的存在對于焊接結(jié)構(gòu)會造成較大的影響，包括：①開裂：殘余焊接應(yīng)力與其他因素共同作用下導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)裂紋，且裂紋出現(xiàn)時間與殘留焊接應(yīng)力的大小有直接的相關(guān)性，殘留應(yīng)力越大，焊接部位開裂速度也越快；②強度下降：殘留應(yīng)力會使得荷載應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移，當(dāng)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)殘留應(yīng)力時，工件的強度會下降；③結(jié)構(gòu)剛度降低：當(dāng)荷載重量對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加達到極限時，金屬材料會發(fā)生塑性變化，結(jié)構(gòu)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(yīng)力的不斷增長會使得焊接結(jié)構(gòu)逐漸達到極限，從而出現(xiàn)慢性的塑性變形，出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)破壞并最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)斷裂[2]。

除了上述三種情況之外，焊接殘余應(yīng)力的出現(xiàn)還會對焊接加工精度、工件穩(wěn)定性有一定的影響。因此焊接殘余應(yīng)力的出現(xiàn)成為影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要原因之一。由于焊接結(jié)構(gòu)開裂，引起了非常多的安全事故，例如比利時鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)檢測成為業(yè)界關(guān)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(nèi)部會出現(xiàn)殘余應(yīng)力。在焊接加工過程中，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力相互疊加會導(dǎo)致焊件結(jié)構(gòu)的變形，不但會影響焊接結(jié)構(gòu)的的穩(wěn)定性，同時在溫度與介質(zhì)的作用下導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)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(shù)提出了更高的要求，因此對金屬焊接結(jié)構(gòu)進行定量檢測與分析，是評價焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要措施。

2 超聲無損檢測技術(shù)的概述

超聲無損檢測技術(shù)是目前無損檢測技術(shù)中發(fā)展最迅速且應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。從應(yīng)用超聲無損檢測技術(shù)開始，利用該技術(shù)進行金屬焊接結(jié)構(gòu)檢測一直是其主要研究的方向，能夠測量焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力以及強度，從而評估焊接結(jié)構(gòu)斷裂風(fēng)險，從而預(yù)防安全事故的發(fā)生。

TOFD是一種新型超聲無損檢測技術(shù)，該技術(shù)主要是利用衍射現(xiàn)象，采用一發(fā)一收脈沖探頭進行檢測，一次掃查能夠覆蓋整個焊縫區(qū)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(shù)，能夠讓缺陷的判斷更加直觀，同時具有較高的精準(zhǔn)度，誤差不超過1mm。超聲相控陣技術(shù)的研發(fā)思路主要來自雷達電磁波相控陣技術(shù)，在應(yīng)用該技術(shù)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(yīng)力技術(shù)主要是通過測量焊件的表面應(yīng)力與殘余應(yīng)力從而評估焊件的整體狀況，目前在工業(yè)中已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，如檢查鐵路軌道殘余應(yīng)力狀況，只要內(nèi)部存在殘余應(yīng)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(shù)據(jù)庫以及投入較多的人力物力，且由于實際使用情況比較復(fù)雜，因此該技術(shù)目前仍需要不斷的完善。

3 超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用價值

超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用主要是利用超聲波與金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的相互作用從而產(chǎn)生的反射、透射以及散射現(xiàn)象進行觀察，從而判斷焊接結(jié)構(gòu)有無缺陷以及不均勻的情況，從而確定焊接結(jié)構(gòu)的缺陷程度以及特征狀況，最終對焊接結(jié)構(gòu)進行綜合性的評價，確定焊接結(jié)構(gòu)是否符合加工標(biāo)準(zhǔn)。超聲無損檢測技術(shù)主要是利用超聲波的聲學(xué)性能產(chǎn)生的各種信息進行測量，從而獲得焊接結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，并對其進行評價，由于超聲波波形、材料特性、超聲波發(fā)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(jù)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(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用價值主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 檢測金屬材料內(nèi)部缺陷

超聲無損檢測技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)金屬材料的內(nèi)部缺陷。金屬材料在焊接過程中受到內(nèi)外部因素的影響，導(dǎo)致焊接質(zhì)量缺陷，出現(xiàn)了焊接縫隙或者是殘余應(yīng)力過大的問題。金屬材料焊接質(zhì)量是否符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)將直接影響金屬材料內(nèi)部特性，并對整個加工工件的質(zhì)量有著直接的影響。因此利用該技術(shù)來檢測焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhì)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(fā)生熔化的情況，導(dǎo)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(jié)構(gòu)的宏觀效果造成影響。超聲無損檢測技術(shù)能夠檢測焊接結(jié)構(gòu)的宏觀效果，從而及時發(fā)現(xiàn)問題。

3.3 檢測焊接的細小缺陷

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

4 超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接缺陷中的應(yīng)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(nèi)，因此被稱為橫波斜探頭法。目前金屬材料焊接缺陷通常應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(yīng)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(jù)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(xiàn)實際入射點與標(biāo)記位置出現(xiàn)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(zhǔn)確向?qū)τ诤附尤毕荻ㄎ痪扔兄^大的影響，但是也由于制造工藝以及磨損的問題，會出現(xiàn)實際值偏差的問題。因此上述兩個指標(biāo)在實際測試中都需要進行測定。

4.4 時間基線調(diào)整

時間基線調(diào)整的主要內(nèi)容包括零點校正和掃描速度調(diào)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(diào)整則與零點校正同步進行，主要分為以下幾種：①聲程調(diào)整：調(diào)整之后時間基線與聲程呈正向關(guān)系，主要是將入射點作為標(biāo)準(zhǔn)塊零點，由于反射槽的反射因此會出現(xiàn)多次回波，在測量范圍內(nèi)根據(jù)回波的相對刻度進行標(biāo)記來測量聲程。②水平距離調(diào)整：主要是根據(jù)基線刻度與反射波的水平的正相關(guān)性進行調(diào)整。③深度調(diào)整：由于基線刻度與反射波深度h存在正相關(guān)性，因此可以利用反射波進行調(diào)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(jù)回波波幅高度來確定有無缺陷。因此需要根據(jù)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）?！朵摵缚p手工超聲波探傷方法以及探傷結(jié)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(diào)到最大范圍，并根據(jù)深度以及水平距離來調(diào)整比例極限。根據(jù)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(zhǔn)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(biāo)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(jié)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(jīng)探查。在探頭移動過程中還需要左右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)和長度。在時間基線水平距離調(diào)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(rèn)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(tài)波形并結(jié)合焊接工藝進行判斷，若無法準(zhǔn)確判斷時可以結(jié)合其他檢查方法來輔助判定。GB16278-647標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫質(zhì)量不過關(guān)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(nèi)部缺陷刨去即可，為了預(yù)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(fù)檢。一般情況下一條焊縫只允許返修2次。

5 結(jié)束語

金屬材料焊接過程中由于各種因素的影響會出現(xiàn)殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力對于焊接結(jié)構(gòu)會造成較大的影響，引起開裂、強度下降以及穩(wěn)定性降低等問題，更容易發(fā)生焊接結(jié)構(gòu)斷裂的情況，為了進一步確保焊接質(zhì)量，提高工件的使用性能。因此需要使用無損檢測技術(shù)來評估金屬材料焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接中具有較好的應(yīng)用效果，具有操作方便、準(zhǔn)確度高且測量速度快，能夠及時發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，從而及時處理，預(yù)防各種質(zhì)量問題的出現(xiàn)。