馬 俊

（昌吉州特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)所，新疆 昌吉 831100）

金屬材料具有強(qiáng)度高、材質(zhì)均勻、塑性韌性好、制造方面等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在電力、交通、建筑、航空航天等各行各業(yè)中。焊接是金屬材料重要的加工工藝，通用采用局部加熱或者加壓的方式，借助金屬材料內(nèi)部原子之間的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與結(jié)合，將兩個(gè)分離的工件連接成為一個(gè)整體。但是，金屬材料的焊接過(guò)程中，非常容易產(chǎn)生焊接變形及殘余應(yīng)力，造成焊接后的工件出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣以及未熔合等缺陷。金屬材料的焊接缺陷往往會(huì)降低工件的加工精度和承載能力，嚴(yán)重影響了工件的使用性能。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在不破壞工件的基礎(chǔ)上，對(duì)材料和零部件的內(nèi)部和表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)，對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析與定量評(píng)價(jià)。基于超聲波的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬焊縫缺陷檢測(cè)領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢(shì)，利用從待檢測(cè)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性和定量分析。本文采用超聲TOFD方法檢測(cè)金屬材料焊接內(nèi)部缺陷，在分析金屬材料焊接缺陷常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析超聲TOFD方法的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證該方法的有效性。

1 焊接缺陷及成因分析

金屬材料焊接缺陷的成因分析是進(jìn)行其無(wú)損檢測(cè)的基礎(chǔ)，焊接缺陷主要包括氣孔、夾渣、裂紋和未焊透未熔合等。氣孔是在焊接過(guò)程中熔池內(nèi)產(chǎn)生的氣體在金屬固化過(guò)程中不能及時(shí)排除從而產(chǎn)生氣狀空穴。氣孔會(huì)造成金屬焊縫固體面積減少，減弱焊縫強(qiáng)度。氣穴主要是由于坡口處存在不干凈物質(zhì)，焊條或焊劑沒(méi)有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)烘焙，焊芯不完整、藥皮腐敗、脫落等原因造成的。夾渣是金屬材料在焊接后存在于焊縫中的焊渣，焊渣的存在會(huì)較少焊縫固體截面，削弱焊接強(qiáng)度。裂紋是金屬材料焊接缺陷中危害性最大的缺陷，裂紋不僅有可見裂紋，還包括以下微笑的金屬裂紋肉眼不可見，以及焊縫內(nèi)部不可見裂紋。裂紋是金屬焊接過(guò)程中熔融金屬固化時(shí)的縮變，母材料在焊接加熱時(shí)受熱不均，從而使熔融金屬和母材處于張力狀態(tài)。未焊透是金屬材料焊接時(shí)未全部熔透，未熔合是焊接時(shí)焊接電流大，焊條熔化過(guò)快，焊件周圍焊層沒(méi)有完全熔化。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，根據(jù)不同的技術(shù)原理，能夠應(yīng)用在金屬材料焊接缺陷檢測(cè)中的主要有射線檢測(cè)方法，磁粉檢測(cè)方法，滲透檢測(cè)方法以及渦流檢測(cè)方法。

（1）射線檢測(cè)方法。射線檢測(cè)方法利用X射線穿透被照射的物體時(shí)會(huì)隨著不同物體不同厚度不同吸收率等因素產(chǎn)生不同的變化，檢測(cè)人員根據(jù)影響可以判斷金屬材料內(nèi)部是否存在缺陷，并可以判斷缺陷的大小。射線檢測(cè)方法成本高，對(duì)人體存在著一定的危害性，并且會(huì)污染環(huán)境。

（2）磁粉檢測(cè)方法。磁粉檢測(cè)方法利用金屬材料焊縫被磁化后，如果存在著不連續(xù)的情況，工件表面和近表面的磁力線會(huì)發(fā)生局部畸變從而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，根據(jù)工件表面的磁粉磁痕的可以判斷焊縫的缺陷。磁粉檢測(cè)方法適用于檢測(cè)能夠被顯著磁化的磁性材料，不適用于所有金屬材料的焊接缺陷檢測(cè)。

（3）滲透檢測(cè)方法。滲透檢測(cè)方法利用工件表面施涂含有熒光材料的滲透劑后，滲透液可以滲透進(jìn)表面金屬焊接缺陷內(nèi)部，除去工件表面多余的滲透液后，在工件表面施涂顯像液，現(xiàn)象液會(huì)吸引缺陷中的滲透液，通過(guò)檢測(cè)金屬焊縫缺陷處滲透液的痕跡來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。滲透檢測(cè)方法檢測(cè)工序較多，成本高，耗材多，同時(shí)使用的材料大部分對(duì)人體有害。

（4）渦流檢測(cè)方法。渦流檢測(cè)利用電磁感應(yīng)原理，金屬焊接缺陷對(duì)工件感生渦流產(chǎn)生影響，通過(guò)判斷感生渦流的變化可以評(píng)估金屬材料的焊接缺陷。渦流檢測(cè)過(guò)程中線圈不需要接觸工件，并且不需要耦合劑，檢測(cè)效率高。渦流檢測(cè)方法不適用于非導(dǎo)電材料和結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜的工件。

3 超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)原理

超聲檢測(cè)技術(shù)利用超聲波具有良好的方向性和具有的能量特性，在金屬材料等彈性介質(zhì)的傳播過(guò)程中，在工件缺陷處會(huì)出現(xiàn)反射、折射和散射等現(xiàn)象，通過(guò)分析超聲波信號(hào)特征可以判斷金屬材料中的缺陷的性質(zhì)、大小及分布情況。超聲波檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接缺陷檢測(cè)中具有穿透力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)檢測(cè)過(guò)程對(duì)人體的危害性小。

圖1 超聲TOFD技術(shù)原理示意圖

采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬材料焊接缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)方法主要有脈沖反射法、穿透法和共振法。超聲波檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的是脈沖反射法，通過(guò)檢測(cè)缺陷反射回波和地面回波信號(hào)特征來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。該方法對(duì)缺陷方向、形狀和定量分析難度大，對(duì)傳感器耦合狀態(tài)以及檢測(cè)人員的要求高。本文采用超聲TOFD技術(shù)對(duì)金屬焊接缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)精確測(cè)量工件內(nèi)部缺陷的“端角”或者“端點(diǎn)”處的縱波衍射傳播時(shí)間，基于三角方程理論，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到金屬焊接缺陷的位置和尺寸。超聲TOFD技術(shù)原理示意圖如圖1所示，該方法不會(huì)受到缺陷方向影響，檢出率高，檢測(cè)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫缺陷的定性分析和定量檢測(cè)。

4 基于超聲TOFD的金屬材料焊接缺陷檢測(cè)

基于超聲TOFD技術(shù)的金屬焊接缺陷檢測(cè)系統(tǒng)采用雙傳感器檢測(cè)，兩個(gè)傳感器的頻率、角度以及晶片尺寸都相同。金屬缺陷檢測(cè)過(guò)程中，其中一個(gè)傳感器發(fā)生超聲波信號(hào)，另一個(gè)接收信號(hào)，兩個(gè)傳感器相向橫跨在被檢測(cè)工件的兩側(cè)。采用雙傳感器可以避免在檢測(cè)過(guò)程中鏡面反射信號(hào)對(duì)衍射信號(hào)造成影響，保證檢測(cè)系統(tǒng)在任何情況下都能夠很好的接收到金屬焊接缺陷內(nèi)部尖端的衍射信號(hào)。

圖2 超聲TOFD焊縫缺陷檢測(cè)原理圖

以金屬材料焊接缺陷內(nèi)部存在裂紋為例，超聲TOFD檢測(cè)系統(tǒng)接收傳感器接收到的波形分別為直通波、裂紋上和裂紋下的端點(diǎn)衍射波、底面反射波和橫波，如果金屬材料焊接中不存在缺陷，則接收傳感器接收到的依次為直通波、底面反射波。金屬材料焊接缺陷超聲TOFD檢測(cè)原理圖如圖2所示。

不同的焊接缺陷超聲TOFD檢測(cè)圖像不同，金屬材料焊接缺陷中的氣孔、夾渣、裂紋以及未焊透未熔合都表現(xiàn)出不同的圖像特征。氣孔缺陷是點(diǎn)狀缺陷，氣孔缺陷在TOFD圖像中沒(méi)有明顯分離的上下端點(diǎn)衍射信號(hào)，圖像特征表面為弧形，如圖3(1)所示。夾渣同樣屬于點(diǎn)狀缺陷，夾渣的TOFD圖像特征不太規(guī)則，衍射信號(hào)強(qiáng)，并且會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩，如圖3(2)所示。裂紋缺陷TOFD圖像特征表現(xiàn)為參差不齊的輪廓，并且上下端點(diǎn)圖像不規(guī)則，上下端點(diǎn)存在著許多雜散信號(hào)，如圖3(3)所示。

圖3 不同缺陷TOFD圖像特征

5 結(jié)語(yǔ)

金屬材料焊接過(guò)程中因?yàn)椴牧显蚝腿藶橐蛩貢?huì)造成各種類型的缺陷，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬材料焊接缺陷的無(wú)損檢測(cè)。本文在分析金屬材料焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述超聲波檢測(cè)技術(shù)原理，探究基于超聲TOFD技術(shù)焊縫缺陷檢測(cè)，并結(jié)合金屬焊接中不同的缺陷驗(yàn)證超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)的有效性。