金属材料焊接中超声无损检测技术的有效应用

马小强，孙 涛，范希磊

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060；2.国家管网集团公司甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730060）

焊接是制造加工的常用方法，但是该方法由于加工原理决定了其在处理过程中容易发生变性、开裂的情况，这对加工部件的承载力、制造精度以及稳定性造成了较大的影响。为了在焊接过程中及时发现缺陷并及时处理，需要利用有效的检测技术来及时筛查焊接缺陷。超声无损检测技术在这一环节中起到了重要的作用，能够满足实际生产的需求，确保产品的质量安全。

1 金属材料焊接结构检测的重要性

焊接技术是金属加工中的重要技术，例如在汽车零部件生产中，焊接占据了20%的耗时及10%的耗费，但是由于焊接过程中出现的不均匀热战冷缩现象，导致加工工件中存在残余应力，导致工件的强度下降，甚至导致焊接部位由于应力作用而出现开裂的情况[1]。这种焊接产生的应力被称为焊接应力，根据产生时间可以分为焊接瞬间应力与焊接残留应力，前者是指焊接过程中发生的应力，后者则是指焊机之后残留在工件上的应力。焊接残留应力的存在对于焊接结构会造成较大的影响，包括：①开裂：残余焊接应力与其他因素共同作用下导致焊接部位出现裂纹，且裂纹出现时间与残留焊接应力的大小有直接的相关性，残留应力越大，焊接部位开裂速度也越快；②强度下降：残留应力会使得荷载应力循环发生偏移，当应力集中部位出现残留应力时，工件的强度会下降；③结构刚度降低：当荷载重量对焊接结构产生应力与残余应力叠加达到极限时，金属材料会发生塑性变化，结构刚度也随之下降，尤其是一些脆性金属材料，随着荷载重量的增加，应力的不断增长会使得焊接结构逐渐达到极限，从而出现慢性的塑性变形，出现局部结构破坏并最终导致焊接结构断裂[2]。

除了上述三种情况之外，焊接残余应力的出现还会对焊接加工精度、工件稳定性有一定的影响。因此焊接残余应力的出现成为影响焊接结构质量的重要原因之一。由于焊接结构开裂，引起了非常多的安全事故，例如比利时钢结构桥梁断裂、煤气球罐由于开裂引起的爆炸事故，对社会安全造成了较大的影响。因此焊接结构检测成为业界关注的重要课题。

由于焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在受到焊缝以及焊接温度的影响，焊件内部会出现残余应力。在焊接加工过程中，残余应力与工作应力相互叠加会导致焊件结构的变形，不但会影响焊接结构的的稳定性，同时在温度与介质的作用下导致焊接结构的强度、抗断裂能力以及抗高温蠕变开裂能力下降[3]。随着人们安全意识的提高，对焊接技术提出了更高的要求，因此对金属焊接结构进行定量检测与分析，是评价焊接结构质量的重要措施。

2 超声无损检测技术的概述

超声无损检测技术是目前无损检测技术中发展最迅速且应用最广泛的技术。从应用超声无损检测技术开始，利用该技术进行金属焊接结构检测一直是其主要研究的方向，能够测量焊接结构残余应力以及强度，从而评估焊接结构断裂风险，从而预防安全事故的发生。

TOFD是一种新型超声无损检测技术，该技术主要是利用衍射现象，采用一发一收脉冲探头进行检测，一次扫查能够覆盖整个焊缝区域，具有较高的检测速度，可靠性高，能够鉴别表面延伸缺陷，且采取D-扫描成像技术，能够让缺陷的判断更加直观，同时具有较高的精准度，误差不超过1mm。超声相控阵技术的研发思路主要来自雷达电磁波相控阵技术，在应用该技术进行焊缝检测时，不需要频繁前后、左右移动探头，只需要沿着焊缝长度水平方向平行直线扫查即可进行全体积测量，具有较高的检测速度。超声波测定应力技术主要是通过测量焊件的表面应力与残余应力从而评估焊件的整体状况，目前在工业中已经得到了推广应用，如检查铁路轨道残余应力状况，只要内部存在残余应力，就能够通过超声波检测出来，该方法虽然比较简单，但是需要建立丰富的数据库以及投入较多的人力物力，且由于实际使用情况比较复杂，因此该技术目前仍需要不断的完善。

3 超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用价值

超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用主要是利用超声波与金属材料焊接结构的相互作用从而产生的反射、透射以及散射现象进行观察，从而判断焊接结构有无缺陷以及不均匀的情况，从而确定焊接结构的缺陷程度以及特征状况，最终对焊接结构进行综合性的评价，确定焊接结构是否符合加工标准。超声无损检测技术主要是利用超声波的声学性能产生的各种信息进行测量，从而获得焊接结构的相关信息，并对其进行评价，由于超声波波形、材料特性、超声波发射方法以及接收方法的不同，形成了不同的检测方法，包括超声波脉冲放射法、衍射时差法等，根据显示方法的不同还可以被细分为超声成像显示、A型显示等方法[7]。超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用价值主要表现在以下几方面。

3.1 检测金属材料内部缺陷

超声无损检测技术能够发现金属材料的内部缺陷。金属材料在焊接过程中受到内外部因素的影响，导致焊接质量缺陷，出现了焊接缝隙或者是残余应力过大的问题。金属材料焊接质量是否符合相关的标准将直接影响金属材料内部特性，并对整个加工工件的质量有着直接的影响。因此利用该技术来检测焊接结构内部是否存在缺陷、残渣或者是未焊透的情况，从而确保加工工件的整体质量。

3.2 检查焊接的整体效果

部分熔点低的金属材料在焊接过程中由于焊接温度过高会发生熔化的情况，导致液体金属残留在金属材料上，在其凝固之后会对整个焊接结构的宏观效果造成影响。超声无损检测技术能够检测焊接结构的宏观效果，从而及时发现问题。

3.3 检测焊接的细小缺陷

金属材料焊接质量受到各种因素的应力，部分工人由于技艺不过关，在焊接过程中由于焊接温度过高导致金属材料表面发生氧化的情况，这就可能导致微小缺陷的发生。因此利用超声无损检测技术能够进一步筛查焊接结构有无细小缺陷，从而及时弥补，确保焊接结构的质量[8]。

4 超声无损检测技术在金属材料焊接缺陷中的应用方法

在金属材料焊接缺陷探测中，由于焊缝与探测面形成一定的角度，因此需要将超声波按照一定的角度射入工件内，因此被称为横波斜探头法。目前金属材料焊接缺陷通常应用该方法进行探查，主要是始脉冲与低脉冲之间有无伤脉冲来确定有无焊接缺陷。在发现焊接缺陷之后，可通过显示屏中的高度来确定焊缝缺陷位置以及大小，主要步骤如下。

4.1 选择检测条件

由于焊接缺陷通常与摄入声束存在夹角，考虑到缺陷发射波的指向性特点，因此频率通常选择2~5MHz，厚度较高的金属材料由于衰减更加明显因此可以选择频率更低的材料。探头摄入角的选择需要确保能够扫查整个截面，并保持声束中心线与检查探测面保持垂直。目前常用的耦合剂为有机油、甘油、润滑脂和水等材料，从耦合效果来看，以浆糊的应用价值最高。

4.2 探测面修整

为了确保检测效果，需要将探测面上的油垢、锈蚀、氧化物等污渍清除掉，同时同时使用砂轮打磨深坑，修正宽度需要根据金属材料厚度以及探头的射入角度来确定。

4.3 探头射入点和斜探头K值

探头射入点通常由于制造偏差和磨损的问题出现实际入射点与标记位置出现偏差的情况，因此需要对入射点进行测量。斜探头K值与入射点的准确向对于焊接缺陷定位精度有着较大的影响，但是也由于制造工艺以及磨损的问题，会出现实际值偏差的问题。因此上述两个指标在实际测试中都需要进行测定。

4.4 时间基线调整

时间基线调整的主要内容包括零点校正和扫描速度调整，在横波检测过程中为了更好的定位需要将声波在材料中的传播速度扣除，并将探头射入点作为零点，扣除声程就是零点矫正。扫描速度调整则与零点校正同步进行，主要分为以下几种：①声程调整：调整之后时间基线与声程呈正向关系，主要是将入射点作为标准块零点，由于反射槽的反射因此会出现多次回波，在测量范围内根据回波的相对刻度进行标记来测量声程。②水平距离调整：主要是根据基线刻度与反射波的水平的正相关性进行调整。③深度调整：由于基线刻度与反射波深度h存在正相关性，因此可以利用反射波进行调整。

4.5 DAC曲线绘制

由于焊接缺陷大小不同，因此声程以及回波幅度也存在较大的差异。超声检测过程中主要是根据回波波幅高度来确定有无缺陷。因此需要根据回波波幅进行矫正，通常是通过制作距离-波幅曲线图（DAC曲线）。《钢焊缝手工超声波探伤方法以及探伤结果分级》要求采取3×40横通孔测试块来绘制DAC曲线图。在测试过程中首先需要将探伤调到最大范围，并根据深度以及水平距离来调整比例极限。根据材料的厚度以及曲度来选择合适的对比测试块，测试块中的深度等于测试深度。为了提高测试效果的准确率，需要寻找最大放射波高，并且将其作为面板中的辅助标志，并制作衰减分段曲线[4-6]。

4.6 灵敏度验证

超声检验探查焊缝及表面外观合格之后，需要对探查的灵敏度进行验证，例如表面耦合损失和材料衰减和测试结果不一致时，就需要考虑灵敏度的验证。探查速度不能超过15cm/s,相邻探头移动距离至少需要有10%重叠位置。若为纵向探查，则探头垂直于焊缝的中心线经探查。在探头移动过程中还需要左右转动10~15°。

为了确定焊接缺陷的位置和形状，需要观察波形缺陷信号，通过多种探查方法进行观察，例如通过左右扫查来确定缺陷长度，前后左右扫查来确定缺陷的最高回波，通过定点转动的方法来评估缺陷的形状。反射波幅超过定量即可评估为缺陷，因此需要确定其位置、最大反射波幅区和长度。在时间基线水平距离调整过程中，可以通过显示屏直接确定最大反射波的水平距离。

对于超过定量的信号则需要认真辨别是否有缺陷特征，对于疑为缺陷的信号，需要增加动态波形并结合焊接工艺进行判断，若无法准确判断时可以结合其他检查方法来辅助判定。GB16278-647标准要求焊缝质量不过关需要返修处理，对于外观缺陷的返修比较简短，可利用碳弧气刨将内部缺陷刨去即可，为了预防裂缝扩大，需要增加刨削深度并充分清除削切深度，在打磨之后施焊，之后进行复检。一般情况下一条焊缝只允许返修2次。

5 结束语

金属材料焊接过程中由于各种因素的影响会出现残余应力，而残余应力对于焊接结构会造成较大的影响，引起开裂、强度下降以及稳定性降低等问题，更容易发生焊接结构断裂的情况，为了进一步确保焊接质量，提高工件的使用性能。因此需要使用无损检测技术来评估金属材料焊接结构的质量。超声无损检测技术在金属材料焊接中具有较好的应用效果，具有操作方便、准确度高且测量速度快，能够及时发现焊接缺陷，从而及时处理，预防各种质量问题的出现。