机械焊接结构的无损检测技术研究

李文静

（许昌学院 电气（机电）工程学院，许昌 461000）

焊接技术是随着金属的应用而产生的，早在商代，就有铸焊、钎焊和锻焊等焊接工艺。其原理是通过高温、高压或两个并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和连接方式。随着科技的进步及现代工业的迅猛发展，焊接技术也不断进步和完善，其中也包含焊接质量的检测技术。当前，机械焊接检测技术主要包含破坏性检测技术及非破坏性检测技术两大类。其中，非破坏性检测中的无损检测技术，是在不损坏试件的前提下，利用物质的声、光、磁和电等手段，借助先进的技术和设备器材，对试件内部及表面结构、状态及性质进行检查和测试的方法。因其具有非破坏性、可对检测对象100%全面检测及原材料、加工、装配成品及服役设备全程性检测等优势，其应用最广，技术也最先进。

1 机械焊接结构的主要缺陷

1.1 宏观缺陷

宏观缺陷指的是通过人的视觉、嗅觉、听觉等手段能够直接发现的、不需要借助相应仪器测量参数而发现的焊接结构缺陷。这种缺陷中比较常见的主要包括咬边、焊瘤、烧穿等[1]。所谓咬边指的是焊接器械在沿着机械缝隙进行焊接操作时，会在母线附近留下凹凸不平的沟槽。而焊瘤指的是焊接设备在尚未对焊料加热完全就投入焊接，造成液态焊料从焊接部分溢出，在结构外部冷却形成瘤状物质。而烧穿指的是焊接设备焊头过热，焊入金属结构过深，导致熔化的液态金属从焊体中流出。

1.2 内部缺陷

内部缺陷是指在焊接结构内部出现的缺陷，其具有细小、不易发现的特点，通常用肉眼难以发现这一类别的缺陷，而需要借助仪器进行检测。内部缺陷是机械焊接结构中最主要的一种缺陷。内部缺陷主要包括气孔、夹渣、裂纹等。所谓气孔，指的是焊接过程中，液态焊料由于加热不足、焊接角度不合理等原因，焊接结构内部会出现某些异常现象，其中有可能包含空气形成的孔状物。而夹渣指的是焊接时熔化的金属没有被及时排出而快速冷却，在焊接结构中残留的现象[2]。裂纹指的是由于焊头温度过高，对焊料及焊接金属的内部原子结构造成破坏，使各种原子重新混合成新的金属层的过程，由于新金属层形成不受人为控制，形成的结构较为粗糙，所以容易产生裂纹。

1.3 微观缺陷

所谓微观缺陷指的是焊接过程中，金属处于较高温度情况下极易与周围环境相关物质发生反应，导致焊体受热不均而造成结构缺陷，主要包括过热、过烧及偏析等。过热指的是使用不合适的焊接设备进行焊接造成金属内部分子原子结构破裂，粒子结构过分胀大的现象。过烧是指焊缝金属在焊接过程中受热时间过长，造成晶粒粗大，晶粒边界被激烈氧化或局部熔化的现象。而偏析则是由于焊接时温度较高，热循环促使分子运动加快，使得金属分子逐渐向未焊接部分或内部温度较低部分偏移的过程。微观缺陷不仅无法通过肉眼发现，甚至基础的测量仪器也对这种缺陷难以检测。这种缺陷的检测方法主要是对于焊接结构金属进行取样，在实验室内进行切割后利用显微镜或电子显微镜等细致化观察设备对其金属结构内部的分子分布和晶体结构进行观察，从而判断金属晶体结构是否遭到破坏，内部分子排布依然符合规则。

2 无损检测应用于机械焊接结构的优点

2.1 对设备本身的伤害较小

传统的检测技术主要依靠检测人员的经验和传统检测工具进行，不仅检测效果难以保证，还会对焊接结构本身造成严重的破坏，影响该机械的后续使用，从而造成工作的反复，对工作效率的提高起到了严重的阻碍作用[3]。而新型无损检测技术不仅成本低，操作简便，而且技术先进，测量精度大幅提高。最重要的是，这种检测技术对焊接结构本身的伤害极小甚至没有伤害，保证了产品的质量，提高了产品的可靠性。

2.2 保障使用安全，延长使用寿命

对大量设备损坏情况分析可知，机械设备损坏的部分原因就是初始的轻微损耗没有被及时检出而愈发加深，最终导致威胁设备使用且难以修复的损耗，从而造成设备的无法使用。而无损检测技术由于操作简便，不损害被检测对象的使用性能，可对制造用原材料、各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测，也可对服役中的设备进行检测。所以，该技术适宜作为机械设备焊接点的定期检测方法，通过定期检测，人们可以及时发现设备焊接点的早期缺陷及其发展程度，确定其尺寸、方位、形状并选用合适方法予以修复。这样既保障了设备的使用安全，也延长了设备的使用寿命，具有一定的经济效益。

3 机械焊接结构中常用的无损检测技术

3.1 射线无损检测技术

射线无损检测技术主要用来探测机械焊接结构的内部缺陷。这一技术利用射线穿透性强、衰减效果弱等优点，通过发射射线族照射金属焊体，对其内部结构进行扫描，然后将扫描成像结果传输到计算机上，再利用相关软件对图像进行分析，从而探查出金属内部的缺陷。这种方法的优点是射线照射具有全面性，能够对扫描部分的所有内部缺陷都有一个较为明显的显示[4]。但实际应用过程中，由于金属体的形状、大小、结构的个性化差异及宏观缺陷的干扰，射线扫描结果有时难以获得令人满意的图像。同时，由于射线对人体有较大的伤害，所以工作人员在现场操作过程中需要穿着专业的服装，即使这样，射线发射的危险仍处于一个相当高的水平，所以这一技术在一些焊接要求并非极高的机械结构中一般不予使用。

3.2 超声波检测技术

超声波检测技术主要用于检测机械焊接结构的内部缺陷。这种方法主要利用声音这一机械波在均匀金属内传播速率恒定的特性，一旦出现传播速度改变的现象就说明该段焊接结构内部存在缺陷。实际工程中，超声波检测技术的操作方法是利用超声波发射装置发射频率高达20 000Hz的超声波，再对接收端接收时间及接受声波波形进行收集分析，了解机械焊接结构中的缺陷发生在何处及具体的缺陷类别[5]。这种方法由于检测灵敏度高，且装置操作简便，对人体的危害性极低，同时节约成本，因而在机械焊接结构检测领域中被广泛应用。

3.3 全息探测检测技术

近些年来，全息成像技术的兴起与发展不仅改变了人类对于图像的呈现方式，也在工程领域的许多方面提升了技术含量。在机械焊接结构检测工作中，也少不了全息技术的身影。全息探测技术主要应用于焊接结构宏观缺陷和内部缺陷的检测，其主要的操作方法是利用射线、激光、声学等技术设备全方位地探测金属结构表面及内部的结构，将表面及内部的金属焊料分布状况形象立体地呈现出来，探测人员通过观察这些清晰度高、可信性强的图像就能够准确分析缺陷部位及缺陷情况，制定修复方案[6]。由于全息成像设备成本较高，且相关技术发展还不够健全，所以它在目前的检测领域中还没有得到广泛使用。但是，人们应该清醒地意识到由于全息成像科学含量高，对于机械结构图像的还原度极强，应当成为未来机械结构缺陷检测技术的发展方向。

3.4 电磁检测技术

电磁检测技术主要包括磁粉检测、涡流检测、漏磁检测等方法，在实际的检测工作中，主要应用磁粉检测和涡流检测两种方法。磁粉检测只能用于铁磁性的材料，工件被磁化后，当结构内部出现缺陷时，缺陷处的磁场分布会发生畸变，产生漏磁场，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。实际操作中就通过在结构内部撒入磁粉的形式，检测磁粉在何处与漏磁场发生作用及作用的大小，从而判断缺陷所处位置及缺陷类别和程度。这种方法成本较低，操作简便，因而得以广泛应用。而涡流检测技术则主要应用电磁感应原理，实际操作中将一个通交流电的线圈深入结构内部，当焊接结构处无缺陷时，线圈通过的电流大小将是恒定的，而当焊接结构处存在缺陷时，其产生的漏磁场就会与线圈发生作用，在焊接结构内部产生涡流，改变线圈通过的电流大小，同时可以利用相关检测仪器对涡流的大小、相位及流动行程进行检测，进而对缺陷类别及缺陷的严重程度进行判定[7]。这种方法不仅操作简便而且可靠性高，同时可提取的信息多样而具体，因而在机械焊接结构检测领域中被广泛应用。

3.5 渗透检测技术

渗透检测技术的原理主要是毛细管现象。实际的操作方法是，将渗透液喷涂在检测结构的表面，然后刮去完整表面的喷涂液，再在其表面喷涂显现剂，这种液体能够很好地将残留在结构表面的渗透液显现出来，由于残留的渗透液仅存在于结构缺陷中，这样就可以明显地显示出缺陷的位置及缺陷的程度及状态。这一技术不仅操作方便、对缺陷显现直观，而且灵敏度极高，通过实际试验，该方法对1μm左右的裂纹同样有效。但这一方法的不足也同样明显，渗透液和显现剂的成本较高，需要人工进行涂刷和检测，加大了人工工作量。同时，这种方法仅能检测裂纹性缺陷，无法检测凸起性等其他缺陷。

4 结语

本文主要介绍了机械焊接结构的主要缺陷和机械焊接结构中常用的五种无损检测方法。随着无损检测方法的不断发展和进步，除了以上五种检测方法，一些新型无损检测技术相继出现，如声发射检测、泄漏检测、红外检测、微波检测、磁记忆检测、热中子照相检测及激光散斑成像检测等，而且处于不断开发和升级中。同时，没有哪一种方法是完美的，任何一种检测方法都不可能给出百分百精准的结果。因此，对于特别重要的焊接结构，有必要使用两种或多种无损检测方法，使之形成一个检测系统，从而得到满意的检测结果。

无损检测方法已逐步成为主流检测方法，它是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平。无损检测技术应继续完善和进步，这不仅对机械焊接结构的质量及安全性具有十分重要的作用，对我国工业发展水平的提升也具有现实意义。