超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用

2022-11-15娄江

科技与创新 2022年9期

娄江

（北京诚聚成电力技术检测有限公司，北京 100024）

1 超声无损检测技术概述

1.1 检测原理

超声无损检测技术凭借超声波在试件中的传播特性，使用超声波检测仪来产生声源，超声波按特定方式穿入试件内部，声波在介质传播过程中收集表征信息，并在到达不连续声阻抗介质交界面时出现反射现象，获取超声回波信号，再由超声换能器对超声回波信号进行处理，从中提取衰减系数、速度、声强以及频率等特征信息，从而获取焊接试样超声无损检测结果，有效识别焊接件是否存在裂纹、未熔合等质量缺陷，明确缺陷位置、大小、形状和发展程度[1]。

1.2 检测基本方法

在金属材料焊接检测项目中，超声无损检测技术分为共振法、脉冲反射法、穿透法、衍射时差法等。其中，脉冲反射法应用最为常见，可细分为直接接触法、液浸法、导波法、周向导波法4项基本方法，各项检测方法的操作要点、适用范围、系统组成存在明显差异，应根据项目情况加以合理选择。

直接接触法：也被称为纵波脉冲反射法，在被测金属材料表面涂抹耦合剂作为介质，在耦合剂表面放置超声探头，探头通过耦合介质向被测材料内部导入超声波，超声波在介质中传播时遇到不连续声阻抗介质交界面时出现反射现象，超声波的传播方向和特征发生改变，再由检测设备接收并处理回弹的超声回波信号，根据处理结果评估金属材料是否存在缺陷。相比于其他方法，直接接触法有着操作简单、检测效率高的优势，但声学接触情况易受到材料表面光洁度、耦合剂性能等因素影响，为保证检测精度，需要提前清理金属材料表面灰尘污渍，使用纯净水或是硅油作为耦合剂，排出被测材料表面与超声探头之间的空气，此项方法不适用于检测表面过于粗糙、存在表面缺陷的金属材料。

液浸法：在被测材料表面布置一层液体耦合层，由超声探头向指定方向发射超声波，声波穿过液体耦合层后射入金属材料内部，在声波抵达缺陷界面与材料底面时分别反射一部分的声能，由超声换能器处理回波信号，评估被测材料是否存在质量缺陷。根据实际应用情况来看，液浸法需要准备容器，在容器内放入液体耦合剂、超声探头与被测材料，操作流程较为烦琐，但因被测材料与超声探头保持一定距离，并未发生直接介质，可以取得稳定的超声波发射、接收效果，有利于提高检测精度[2]。

导波法：超声无损检测系统由EMAT传感器、点/面缺陷通道组成，在材料检测期间，在面缺陷通道处在与焊缝相垂直方向发生超声波，在点通道与焊缝方向保持一定夹角来发射超声波，根据所接收回波信号强度，判断各通道沿线是否存在质量缺陷。此项方法适用于检测肉眼可发现存在质量缺陷的金属材料，在缺陷处人工开凿特定几何形状参数的孔、槽。

周向导波法：在焊接件外壁、内壁两侧方向各布置一处压电换能器，启动单向换能器发射超声波，超声波沿逆时针方向传播，先后经过接收传感器与焊缝区域，如果焊缝部位存在质量缺陷，将在声波传播期间形成反射回波，根据反射回波处理结果来掌握缺陷问题。在金属材料焊接检测项目中，周向导波法多用于检测内外表面裂纹等焊接缺陷，需要使用2组或以上超声探头进行检测，以此来提升检测精度。

1.3 技术优点及局限性

首先，根据实际应用情况，相比于传统有损检测技术以及磁粉检测、涡流检测等无损检测技术，超声检测技术有着声波穿透能力强、灵敏度高、设备轻便、操作简单、缺陷定位准确、适用面广、指向性强、检测精度不受环境条件影响、成本低廉的优势。例如，超声无损检测技术既可以用于检测厚度值在1～2 mm的金属板材、薄壁管材等材料，同时，也可用于检测数米长度、厚度的钢锻件。

其次，无损检测技术也存在着一定程度的局限性，包括需要额外使用耦合剂、复杂形状与不规则外形材料的检测精度有限、检测质量受材料材质与晶粒度因素影响、检测结果显示不直观等。例如，超声检测结果由衰减系数、速度、声强等特征信息组成，无法直接反映金属材料内表质量，而是需要检测人员对特征信息进行处理，绘制波形图与导入计算公式，方可识别材料是否存在质量缺陷，检测精度受到人为因素影响，对检测人员的专业素养有着较高要求。

2 超声无损检测技术的具体应用

2.1 检测内部缺陷

在金属材料内部缺陷检测环节，超声波技术应用原理为：向金属材料深处发射超声波束，在波束碰到缺陷部位和材料底面时分别发射反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据波形变化情况判断是否存在质量缺陷，识别缺陷类型、大小、位置等具体信息。同时，除超声脉冲反射法之外，还可选用根据入射声波振幅转变情况来识别质量缺陷的穿透法[3]。

一般情况下，检测人员应使用A型显示脉冲反射式超声波探伤仪，检测分辨率为0.01～1 mm，检测局限为1.0～15 000 mm。随后，根据金属材料的材质、类型来选择超声波波型，如在检测中厚板、金属铸锭与大型锻件时使用纵波，在检测薄板时使用板波，在检测存在表面划伤、焊缝裂纹、轴向裂痕等质量缺陷的金属管材时使用横波。最后，根据超声波探伤仪显示屏上所显示反射旌旗灯号高度、是否存在反射旌旗信号、射入与反射旌旗信号距离等信息来判断反射面与其他部分是否存在质量缺陷，掌握缺陷位置、大小形状等信息[4]。

2.2 检测宏观缺陷

金属材料的宏观缺陷是在焊接期间受到高温条件、工艺操作等因素影响而形成的质量缺陷，常见宏观缺陷包括翻皮、轴心晶间裂纹、金属瘤、气泡等。其中，翻皮缺陷是因焊接期间在液态金属中翻入表面氧化膜、凝固前未浮出而在材料表面形成的重叠表皮，有着周围分布气孔与夹杂物、由密集空隙及夹杂物组成条带的宏观特征。轴心晶间裂纹表现为在材料中心点形成向外发射分布裂纹，形成原因为液态金属凝固时产生过大热应力，有着自坯料中心向各方延伸蜘蛛网形条纹的宏观特征。金属瘤是金属材料在高温条件下形成液态金属传输至母材，在自然冷却后，液态金属形成大小不一的金属瘤，对材料连续性和宏观完整性造成负面影响。而气泡是在金属材料凝固期间因释放气体而在表面或内部形成气泡，有着在皮下呈分散状分布细长裂纹的宏观特征。

在金属材料宏观缺陷检测环节，可选择采取衍射时差、超声特征扫描成像、超声波脉冲反射等方法，如应用超声特征扫描成像方法，直接在显示屏上成像被检材料，在图像上标注分层、夹杂、气泡、翻皮等宏观缺陷。同时，不同宏观缺陷检测项目的检测方法及原理存在差异。例如，在超声检测夹杂缺陷时，向金属材料中穿入超声波，一部分声波直接透射材料夹杂区域，另一部分声波在传播期间遇到夹杂物时出现反射现象，对缺陷回波的相位、反射率、底面回波幅值进行分析，绘制夹杂缺陷波形图，以此来判断焊缝部位是否存在夹杂物。而在超声检测气泡缺陷时，金属材料在焊接期间可能会裹入空气而在表面、内部形成气泡，相比于金属材料，气泡的透射率几乎为零，因而可以采取超声检测技术，向金属材料射入超声波束，波束在穿过气泡缺陷区域时形成缺陷回波，且底面回波随之降低，根据底面回波降低程度来判断气泡大小[5]。

2.3 检测微观缺陷

金属材料的微观缺陷是因内部原子结构未按照周期性排列晶体而形成的内部缺陷，常见缺陷包括晶格错位、微裂纹、焊接面氧化等，这类微观缺陷对检测精度有着极高要求，常规超声检测与其他技术手段缺乏适用性，难以识别到全部微观缺陷和掌握缺陷具体信息。因此，在金属材料微观缺陷检测环节，需要应用到新型的非线性超声检测技术，从获取缺陷部位频域信息角度着手，声波在理想均匀介质中传播时的波形不会改变，仅相位、振幅有所改变，而当声波在非理想、不均匀介质中传播时，声波将出现凝聚、分岔、空化等现象，且单一频率声波出现畸变情况，声波间产生相互作用，以此来识别微观缺陷，提升检测灵敏度。同时，非线性超声检测技术由声弹性、声散射声、有限幅度、波束混叠调制、共振方法组成，不同方法的操作方式、检测机理有所不同，必须加以全面掌握。例如，在应用波束混叠调制方法时，在金属材料中相向传播两列波，分别为高频波率和低频波率，在两列波相遇时不发生作用、未形成新的频率成分时，表明金属材料不存在微观缺陷。而在两列波相遇时发生作用，频率上形成新的成分，出现非线性调制现象时，表明金属材料存在微观缺陷。

3 超声无损检测技术应用策略

3.1 合理选择检测方法

超声无损检测技术体系较为复杂，由多种检测方法组成，常见方法包括共振法、非线性检测法、脉冲反射法、超声特征扫描成像法、穿透法、衍射时差法等，且单项检测方法还由若干分支方法组成，如脉冲反射法由直接接触法、液浸法、导波法、周向导波法组成。不同方法的灵敏度，适用范围有所不同，唯有正确选择超声检测方法，方可全面反映金属材料整体状态，准确描述材料质量缺陷问题。因此，在应用超声无损检测技术时，检测人员必须综合分析材料材质、晶体状态、材料质量缺陷类型、两边介质声阻抗差异、回波信号状态等因素，确定具体的超声检测方法。例如，从质量缺陷类型角度来看，在检测材料是否存在宏观缺陷时，可以选取超声特征扫描成像检测方法，不同宏观缺陷的超声检测特征极为明显，与材料基体声阻抗有着明显差异，当存在缺陷部位时，会在图像上标示缺陷波，出现底波降低现象。而从信号处理角度来看，既可以采取频域分析方法，从分量相位角度着手，根据频率幅值与分布规律进行计算和建立以频率作为横轴的多张频谱图，同时，也可采取短时傅里叶变换法，对时刻附近信号经滑动时间窗函数加以截取，对多个时刻的信号进行傅里叶变换处理。

3.2 搭配应用多项无损检测技术

在金属材料焊接缺陷检测项目中，虽然超声检测技术有着设备轻便、操作简单、缺陷定位准确、适用面广等显著优势，但也存在一定的局限性，部分质量缺陷的检测精度较低，难以准确描述缺陷信息。因此，为全面提高金属材料焊接检测质量，突破单一技术局限性，需要搭配采取多项检测技术。例如，从检测效率角度来看，搭配使用VT目视检测法与超声检测法，提前由检测人员细致观察金属材料表面情况与整体状态，根据自身工作经验来初步判定可能存在的质量缺陷，根据初步判断结果来选择具体的超声检测方法，针对性开展超声探伤检测作业。而从检测灵敏度角度来看，在金属材料存在未熔合、裂缝等缺陷时，可以应用ECT涡流检测技术，在待测金属件上布置通有交流电的线圈，在线圈内外侧形成交变磁场，在金属材料中形成旋涡状感应交变电流，根据涡流大小、相位变化来测算材料材质状况、物理量和缺陷信息，可以有效发现金属材料中存在的裂纹、夹杂物等质量缺陷。

3.3 推动超声无损检测技术创新优化

现阶段，超声无损检测技术尚处于起步发展阶段，技术体系有待完善，检测精度、速度存在优化提升空间。因此，为取得理想的金属材料焊接检测效果，持续提高检测质量，需要推动超声无损检测技术的创新优化，主要优化方向包括相控阵声场仿真和全矩阵捕捉。其中，在相控阵声场仿真方向，在超声检测系统中加装相控阵换能器，在操作系统中建立多种声场模型，采取多元高斯法或是瑞利积分法等方法，依据声场特性来检测金属材料状态。而在全矩阵捕捉方向，采取声束延时叠加方法，对所相控阵列中所获取各阵元发出声束加以延时、叠加处理后获取偏转声束和聚焦声束，在其基础上生成图像，在各发射/接收阵元中存储对应的时域信号，按顺序依次激发各阵元，并在金属材料检测过程中采集全部发射/接收组合的回波数据并加以处理，以此来提高检测效率，无需重复开展多次测量操作[6]。