超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用

婁江

（北京誠(chéng)聚成電力技術(shù)檢測(cè)有限公司，北京 100024）

1 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

1.1 檢測(cè)原理

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)憑借超聲波在試件中的傳播特性，使用超聲波檢測(cè)儀來(lái)產(chǎn)生聲源，超聲波按特定方式穿入試件內(nèi)部，聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中收集表征信息，并在到達(dá)不連續(xù)聲阻抗介質(zhì)交界面時(shí)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，獲取超聲回波信號(hào)，再由超聲換能器對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行處理，從中提取衰減系數(shù)、速度、聲強(qiáng)以及頻率等特征信息，從而獲取焊接試樣超聲無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，有效識(shí)別焊接件是否存在裂紋、未熔合等質(zhì)量缺陷，明確缺陷位置、大小、形狀和發(fā)展程度[1]。

1.2 檢測(cè)基本方法

在金屬材料焊接檢測(cè)項(xiàng)目中，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分為共振法、脈沖反射法、穿透法、衍射時(shí)差法等。其中，脈沖反射法應(yīng)用最為常見(jiàn)，可細(xì)分為直接接觸法、液浸法、導(dǎo)波法、周向?qū)Рǚ?項(xiàng)基本方法，各項(xiàng)檢測(cè)方法的操作要點(diǎn)、適用范圍、系統(tǒng)組成存在明顯差異，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況加以合理選擇。

直接接觸法：也被稱為縱波脈沖反射法，在被測(cè)金屬材料表面涂抹耦合劑作為介質(zhì)，在耦合劑表面放置超聲探頭，探頭通過(guò)耦合介質(zhì)向被測(cè)材料內(nèi)部導(dǎo)入超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不連續(xù)聲阻抗介質(zhì)交界面時(shí)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，超聲波的傳播方向和特征發(fā)生改變，再由檢測(cè)設(shè)備接收并處理回彈的超聲回波信號(hào)，根據(jù)處理結(jié)果評(píng)估金屬材料是否存在缺陷。相比于其他方法，直接接觸法有著操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高的優(yōu)勢(shì)，但聲學(xué)接觸情況易受到材料表面光潔度、耦合劑性能等因素影響，為保證檢測(cè)精度，需要提前清理金屬材料表面灰塵污漬，使用純凈水或是硅油作為耦合劑，排出被測(cè)材料表面與超聲探頭之間的空氣，此項(xiàng)方法不適用于檢測(cè)表面過(guò)于粗糙、存在表面缺陷的金屬材料。

液浸法：在被測(cè)材料表面布置一層液體耦合層，由超聲探頭向指定方向發(fā)射超聲波，聲波穿過(guò)液體耦合層后射入金屬材料內(nèi)部，在聲波抵達(dá)缺陷界面與材料底面時(shí)分別反射一部分的聲能，由超聲換能器處理回波信號(hào)，評(píng)估被測(cè)材料是否存在質(zhì)量缺陷。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，液浸法需要準(zhǔn)備容器，在容器內(nèi)放入液體耦合劑、超聲探頭與被測(cè)材料，操作流程較為煩瑣，但因被測(cè)材料與超聲探頭保持一定距離，并未發(fā)生直接介質(zhì)，可以取得穩(wěn)定的超聲波發(fā)射、接收效果，有利于提高檢測(cè)精度[2]。

導(dǎo)波法：超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)由EMAT傳感器、點(diǎn)/面缺陷通道組成，在材料檢測(cè)期間，在面缺陷通道處在與焊縫相垂直方向發(fā)生超聲波，在點(diǎn)通道與焊縫方向保持一定夾角來(lái)發(fā)射超聲波，根據(jù)所接收回波信號(hào)強(qiáng)度，判斷各通道沿線是否存在質(zhì)量缺陷。此項(xiàng)方法適用于檢測(cè)肉眼可發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量缺陷的金屬材料，在缺陷處人工開(kāi)鑿特定幾何形狀參數(shù)的孔、槽。

周向?qū)Рǚǎ涸诤附蛹獗?、?nèi)壁兩側(cè)方向各布置一處壓電換能器，啟動(dòng)單向換能器發(fā)射超聲波，超聲波沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑?，先后?jīng)過(guò)接收傳感器與焊縫區(qū)域，如果焊縫部位存在質(zhì)量缺陷，將在聲波傳播期間形成反射回波，根據(jù)反射回波處理結(jié)果來(lái)掌握缺陷問(wèn)題。在金屬材料焊接檢測(cè)項(xiàng)目中，周向?qū)Рǚǘ嘤糜跈z測(cè)內(nèi)外表面裂紋等焊接缺陷，需要使用2組或以上超聲探頭進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)提升檢測(cè)精度。

1.3 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及局限性

首先，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，相比于傳統(tǒng)有損檢測(cè)技術(shù)以及磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲檢測(cè)技術(shù)有著聲波穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、缺陷定位準(zhǔn)確、適用面廣、指向性強(qiáng)、檢測(cè)精度不受環(huán)境條件影響、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。例如，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)既可以用于檢測(cè)厚度值在1～2 mm的金屬板材、薄壁管材等材料，同時(shí)，也可用于檢測(cè)數(shù)米長(zhǎng)度、厚度的鋼鍛件。

其次，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也存在著一定程度的局限性，包括需要額外使用耦合劑、復(fù)雜形狀與不規(guī)則外形材料的檢測(cè)精度有限、檢測(cè)質(zhì)量受材料材質(zhì)與晶粒度因素影響、檢測(cè)結(jié)果顯示不直觀等。例如，超聲檢測(cè)結(jié)果由衰減系數(shù)、速度、聲強(qiáng)等特征信息組成，無(wú)法直接反映金屬材料內(nèi)表質(zhì)量，而是需要檢測(cè)人員對(duì)特征信息進(jìn)行處理，繪制波形圖與導(dǎo)入計(jì)算公式，方可識(shí)別材料是否存在質(zhì)量缺陷，檢測(cè)精度受到人為因素影響，對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)素養(yǎng)有著較高要求。

2 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 檢測(cè)內(nèi)部缺陷

在金屬材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)，超聲波技術(shù)應(yīng)用原理為：向金屬材料深處發(fā)射超聲波束，在波束碰到缺陷部位和材料底面時(shí)分別發(fā)射反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)波形變化情況判斷是否存在質(zhì)量缺陷，識(shí)別缺陷類(lèi)型、大小、位置等具體信息。同時(shí)，除超聲脈沖反射法之外，還可選用根據(jù)入射聲波振幅轉(zhuǎn)變情況來(lái)識(shí)別質(zhì)量缺陷的穿透法[3]。

一般情況下，檢測(cè)人員應(yīng)使用A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀，檢測(cè)分辨率為0.01～1 mm，檢測(cè)局限為1.0～15 000 mm。隨后，根據(jù)金屬材料的材質(zhì)、類(lèi)型來(lái)選擇超聲波波型，如在檢測(cè)中厚板、金屬鑄錠與大型鍛件時(shí)使用縱波，在檢測(cè)薄板時(shí)使用板波，在檢測(cè)存在表面劃傷、焊縫裂紋、軸向裂痕等質(zhì)量缺陷的金屬管材時(shí)使用橫波。最后，根據(jù)超聲波探傷儀顯示屏上所顯示反射旌旗燈號(hào)高度、是否存在反射旌旗信號(hào)、射入與反射旌旗信號(hào)距離等信息來(lái)判斷反射面與其他部分是否存在質(zhì)量缺陷，掌握缺陷位置、大小形狀等信息[4]。

2.2 檢測(cè)宏觀缺陷

金屬材料的宏觀缺陷是在焊接期間受到高溫條件、工藝操作等因素影響而形成的質(zhì)量缺陷，常見(jiàn)宏觀缺陷包括翻皮、軸心晶間裂紋、金屬瘤、氣泡等。其中，翻皮缺陷是因焊接期間在液態(tài)金屬中翻入表面氧化膜、凝固前未浮出而在材料表面形成的重疊表皮，有著周?chē)植細(xì)饪着c夾雜物、由密集空隙及夾雜物組成條帶的宏觀特征。軸心晶間裂紋表現(xiàn)為在材料中心點(diǎn)形成向外發(fā)射分布裂紋，形成原因?yàn)橐簯B(tài)金屬凝固時(shí)產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力，有著自坯料中心向各方延伸蜘蛛網(wǎng)形條紋的宏觀特征。金屬瘤是金屬材料在高溫條件下形成液態(tài)金屬傳輸至母材，在自然冷卻后，液態(tài)金屬形成大小不一的金屬瘤，對(duì)材料連續(xù)性和宏觀完整性造成負(fù)面影響。而氣泡是在金屬材料凝固期間因釋放氣體而在表面或內(nèi)部形成氣泡，有著在皮下呈分散狀分布細(xì)長(zhǎng)裂紋的宏觀特征。

在金屬材料宏觀缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)，可選擇采取衍射時(shí)差、超聲特征掃描成像、超聲波脈沖反射等方法，如應(yīng)用超聲特征掃描成像方法，直接在顯示屏上成像被檢材料，在圖像上標(biāo)注分層、夾雜、氣泡、翻皮等宏觀缺陷。同時(shí)，不同宏觀缺陷檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)方法及原理存在差異。例如，在超聲檢測(cè)夾雜缺陷時(shí)，向金屬材料中穿入超聲波，一部分聲波直接透射材料夾雜區(qū)域，另一部分聲波在傳播期間遇到夾雜物時(shí)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，對(duì)缺陷回波的相位、反射率、底面回波幅值進(jìn)行分析，繪制夾雜缺陷波形圖，以此來(lái)判斷焊縫部位是否存在夾雜物。而在超聲檢測(cè)氣泡缺陷時(shí)，金屬材料在焊接期間可能會(huì)裹入空氣而在表面、內(nèi)部形成氣泡，相比于金屬材料，氣泡的透射率幾乎為零，因而可以采取超聲檢測(cè)技術(shù)，向金屬材料射入超聲波束，波束在穿過(guò)氣泡缺陷區(qū)域時(shí)形成缺陷回波，且底面回波隨之降低，根據(jù)底面回波降低程度來(lái)判斷氣泡大小[5]。

2.3 檢測(cè)微觀缺陷

金屬材料的微觀缺陷是因內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)未按照周期性排列晶體而形成的內(nèi)部缺陷，常見(jiàn)缺陷包括晶格錯(cuò)位、微裂紋、焊接面氧化等，這類(lèi)微觀缺陷對(duì)檢測(cè)精度有著極高要求，常規(guī)超聲檢測(cè)與其他技術(shù)手段缺乏適用性，難以識(shí)別到全部微觀缺陷和掌握缺陷具體信息。因此，在金屬材料微觀缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)，需要應(yīng)用到新型的非線性超聲檢測(cè)技術(shù)，從獲取缺陷部位頻域信息角度著手，聲波在理想均勻介質(zhì)中傳播時(shí)的波形不會(huì)改變，僅相位、振幅有所改變，而當(dāng)聲波在非理想、不均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波將出現(xiàn)凝聚、分岔、空化等現(xiàn)象，且單一頻率聲波出現(xiàn)畸變情況，聲波間產(chǎn)生相互作用，以此來(lái)識(shí)別微觀缺陷，提升檢測(cè)靈敏度。同時(shí)，非線性超聲檢測(cè)技術(shù)由聲彈性、聲散射聲、有限幅度、波束混疊調(diào)制、共振方法組成，不同方法的操作方式、檢測(cè)機(jī)理有所不同，必須加以全面掌握。例如，在應(yīng)用波束混疊調(diào)制方法時(shí)，在金屬材料中相向傳播兩列波，分別為高頻波率和低頻波率，在兩列波相遇時(shí)不發(fā)生作用、未形成新的頻率成分時(shí)，表明金屬材料不存在微觀缺陷。而在兩列波相遇時(shí)發(fā)生作用，頻率上形成新的成分，出現(xiàn)非線性調(diào)制現(xiàn)象時(shí)，表明金屬材料存在微觀缺陷。

3 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用策略

3.1 合理選擇檢測(cè)方法

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)體系較為復(fù)雜，由多種檢測(cè)方法組成，常見(jiàn)方法包括共振法、非線性檢測(cè)法、脈沖反射法、超聲特征掃描成像法、穿透法、衍射時(shí)差法等，且單項(xiàng)檢測(cè)方法還由若干分支方法組成，如脈沖反射法由直接接觸法、液浸法、導(dǎo)波法、周向?qū)РǚńM成。不同方法的靈敏度，適用范圍有所不同，唯有正確選擇超聲檢測(cè)方法，方可全面反映金屬材料整體狀態(tài)，準(zhǔn)確描述材料質(zhì)量缺陷問(wèn)題。因此，在應(yīng)用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)時(shí)，檢測(cè)人員必須綜合分析材料材質(zhì)、晶體狀態(tài)、材料質(zhì)量缺陷類(lèi)型、兩邊介質(zhì)聲阻抗差異、回波信號(hào)狀態(tài)等因素，確定具體的超聲檢測(cè)方法。例如，從質(zhì)量缺陷類(lèi)型角度來(lái)看，在檢測(cè)材料是否存在宏觀缺陷時(shí)，可以選取超聲特征掃描成像檢測(cè)方法，不同宏觀缺陷的超聲檢測(cè)特征極為明顯，與材料基體聲阻抗有著明顯差異，當(dāng)存在缺陷部位時(shí)，會(huì)在圖像上標(biāo)示缺陷波，出現(xiàn)底波降低現(xiàn)象。而從信號(hào)處理角度來(lái)看，既可以采取頻域分析方法，從分量相位角度著手，根據(jù)頻率幅值與分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算和建立以頻率作為橫軸的多張頻譜圖，同時(shí)，也可采取短時(shí)傅里葉變換法，對(duì)時(shí)刻附近信號(hào)經(jīng)滑動(dòng)時(shí)間窗函數(shù)加以截取，對(duì)多個(gè)時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換處理。

3.2 搭配應(yīng)用多項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

在金屬材料焊接缺陷檢測(cè)項(xiàng)目中，雖然超聲檢測(cè)技術(shù)有著設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、缺陷定位準(zhǔn)確、適用面廣等顯著優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性，部分質(zhì)量缺陷的檢測(cè)精度較低，難以準(zhǔn)確描述缺陷信息。因此，為全面提高金屬材料焊接檢測(cè)質(zhì)量，突破單一技術(shù)局限性，需要搭配采取多項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。例如，從檢測(cè)效率角度來(lái)看，搭配使用VT目視檢測(cè)法與超聲檢測(cè)法，提前由檢測(cè)人員細(xì)致觀察金屬材料表面情況與整體狀態(tài)，根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)初步判定可能存在的質(zhì)量缺陷，根據(jù)初步判斷結(jié)果來(lái)選擇具體的超聲檢測(cè)方法，針對(duì)性開(kāi)展超聲探傷檢測(cè)作業(yè)。而從檢測(cè)靈敏度角度來(lái)看，在金屬材料存在未熔合、裂縫等缺陷時(shí)，可以應(yīng)用ECT渦流檢測(cè)技術(shù)，在待測(cè)金屬件上布置通有交流電的線圈，在線圈內(nèi)外側(cè)形成交變磁場(chǎng)，在金屬材料中形成旋渦狀感應(yīng)交變電流，根據(jù)渦流大小、相位變化來(lái)測(cè)算材料材質(zhì)狀況、物理量和缺陷信息，可以有效發(fā)現(xiàn)金屬材料中存在的裂紋、夾雜物等質(zhì)量缺陷。

3.3 推動(dòng)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化

現(xiàn)階段，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，技術(shù)體系有待完善，檢測(cè)精度、速度存在優(yōu)化提升空間。因此，為取得理想的金屬材料焊接檢測(cè)效果，持續(xù)提高檢測(cè)質(zhì)量，需要推動(dòng)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化，主要優(yōu)化方向包括相控陣聲場(chǎng)仿真和全矩陣捕捉。其中，在相控陣聲場(chǎng)仿真方向，在超聲檢測(cè)系統(tǒng)中加裝相控陣換能器，在操作系統(tǒng)中建立多種聲場(chǎng)模型，采取多元高斯法或是瑞利積分法等方法，依據(jù)聲場(chǎng)特性來(lái)檢測(cè)金屬材料狀態(tài)。而在全矩陣捕捉方向，采取聲束延時(shí)疊加方法，對(duì)所相控陣列中所獲取各陣元發(fā)出聲束加以延時(shí)、疊加處理后獲取偏轉(zhuǎn)聲束和聚焦聲束，在其基礎(chǔ)上生成圖像，在各發(fā)射/接收陣元中存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，按順序依次激發(fā)各陣元，并在金屬材料檢測(cè)過(guò)程中采集全部發(fā)射/接收組合的回波數(shù)據(jù)并加以處理，以此來(lái)提高檢測(cè)效率，無(wú)需重復(fù)開(kāi)展多次測(cè)量操作[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為切實(shí)滿足金屬材料使用需要，要在檢測(cè)環(huán)節(jié)全面發(fā)現(xiàn)焊接裂紋、氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷并加以有效處理。檢測(cè)人員必須對(duì)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)予以充分重視，深入了解超聲檢測(cè)技術(shù)的方方面面，掌握技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，落實(shí)上述應(yīng)用策略，使超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)更好地應(yīng)用于金屬材料焊接項(xiàng)目當(dāng)中。