无损检测技术在机械焊接结构件缺陷检测中的应用分析

胡 强，陈家星

（1.浙江省机电产品质量检测所有限公司，浙江 杭州311305；2.中国石油天然气管道第二工程有限公司，江苏 徐州221000）

1 机械焊接结构进行缺陷检测的意义

1.1 提高焊接结构检测的设备先进性

在传统的检测方法中，针对焊接技术加工出的工件通常是通过破坏性检验等专业设备进行检测或者是通过工人多年来的加工经验进行相关判断，但此类检验方法在准确性和标称尺度上都存在一定的问题，不仅大大增加了工人们的工作量，同时也增加了加工成本，造成了不必要的浪费。而本文应用的无损检测技术相比于以往普通的检测技术在规范性和工作效率等方面都得到了明显的提高，既能够规范生产线的作业安排同时又可以减少不必要的原材料、人力资源等方面的浪费，并且测量结果准确高效、稳定可靠[1]。

1.2 降低机械设备维护投入

在实际的流水线工作生产中，随着加工时间的增加，设备的磨损程度愈为严重，为了满足工业生产的连续性和高效性，需要对加工设备定期的进行检测和维修。以往的设备检测一般都在人为设定的时间节点进行大范围的检测，无法实时地检测设备的损耗情况及磨损位置，通常需要拆除设备部分结构进行相关检测，这种检测方法投入成本相对较高，同时也造成了设备不可逆的装配误差[2]。

而通过无损检测技术，可以在不拆除设备结构的情况下实现加工过程中的实时监控，对设备焊接处的工作状态进行标定并及时发现磨损状况，尽快地发现安全隐患并及时进行处理，保证设备工作的连续性和安全性，并且也为企业维护设备提供了更为便捷的解决方案。

2 机械焊接结构中无损检测技术的优势

2.1 对试件本身伤害小

以往的检测方法通常为人工检测，依据工作经验和所学知识使用传统检测工具进行。人工检测无法保证检测结果的准确性，还有可能伤害到焊接结构导致后续试件环节出现严重问题，影响焊接工作的进程。而无损检测技术采用先进科技制作，具有成本低、易上手等优势，保障测量结果的精准性，且对焊接结构造成伤害较小，有利于后续工作进展，提供产品质量保障。

2.2 安全使用有保障，使用寿命长

机械设备的损耗与检修养护工作不及时有较大关联，机械设备在运行过程中由于高强度工作容易出现损耗，若不及时修检，会导致设备损坏或出现严重安全事故。无损检测技术可对整个生产过程进行检测，从制造原材料、生产工艺、产品成型3个环节进行全面把关，使最终产品质量符合预期需求。综上所述，无损检测技术适用于全流程检测与定期检测机械设备，且对设备损伤较小，能帮助工作人员进行及时维修养护。通过对机械设备的定期检测，能够发现机械设备焊接处是否存在安全隐患，帮助工作人员及时进行维修养护。使用无损检测技术对机械设备焊接连接处进行定期检测可以避免出现安全隐患，并且能够获知缺陷处的损伤情况，精确测量缺陷处尺寸大小、凹陷深度、形状、具体位置等，根据缺陷的具体情况选择适当的修复方法，设备可得到科学合理养护，延长设备使用寿命，节约更换设备成本。

3 机械焊接结构中无损检测技术的应用

本文主要介绍4种无损检测技术的主要操作方法、技术特点与特性，通过对比分析，根据不同的损伤情况选择适宜的技术，使其发挥优势。

本文介绍的无损检测方法是指在不破坏检测对象外部结构完整性的前提下对结构内部功能实现及结构性能指标进行评估的方法。利用无损检测方式能够对被测件的形态结构、内部缺陷位置及缺陷类型、位置信息等进行定位与分析，能够实时检测设备与工件的状态，避免不必要的浪费和危险的产生。

此方法的原理是利用材料具备的材料性能在焊接过程中发现其物理量相关变化趋势的特点，进而确定被测对象的缺陷类型及其特征。由于该方法对材料的性能、形状尺寸以及技术成熟度和可靠性有很大的依赖性，并且测得的物理量也会受到人为操作、计算误差、环境因素等影响。因此在实际检测过程中，通常要取多个物理量进行研究，提高数据采集的准确性，避免因物理量采集不足造成的计算误差，最后再对多组测试结果进行分析判断，确定最终的实验结果。现阶段采用的技术中，采集物理量的措施主要利用射线法、声学法、电磁法及其他方法。

3.1 超声波检测技术

超声波检测技术的原理是声波可在金属内部以定速进行传播，若某位置声波的传播速率发生变化，则此位置为缺陷部位。声波检测能够精准对机械焊接内部损伤情况进行测量，且不伤害设备本身。一般在检测时使用发射频率高达20000Hz的声波发射装置，并依据无损设备的声波通过时间与传播过程形成的波形做对比，分析损坏机械焊接处，根据声波的接收时间与最终声波波形，估算机械焊接处损坏的具体位置及缺陷类型。超声波检测技术精准度较高、操作简便，简要培训后即可进行检测，具有良好的安全性能，使用成本低，应用广泛。

3.2 射线无损检测技术

射线检测技术应用于机械焊接内部缺陷检测，原理是射线的穿透性较强，能沿金属内部进行照射，且光线衰减程度较低，通过发射线扫描形成图像，传输到计算机设备上，使用专业射线分析软件即可获知金属结构内部具体缺陷处。射线检测技术发射的射线族能完全穿透金属并进行全方面的扫描成像，通过观察图像可直观了解金属内部的所有缺陷及缺陷种类，但在实际应用过程中，由于焊接金属的成分、形状等存在一定差异，可能导致扫描成像结果不宜识别，或结果不准确。另外，射线会对人体造成损伤，必须穿着防护服才能应用此技术，检测成本较高，受外界干扰因素较多，因此射线检测技术应用较少。

3.3 全息探测检测技术

全息探测检测技术应用全息成像，可检测出金属焊接结构内部缺陷与宏观缺陷，检测结果全面，其原理为利用激光、射线、声学等设备，将金属内部图像完全呈现出来，通过图像可直观分析缺陷位置、金属焊接材料分布情况、金属结构表面与内部结构、缺陷种类等，且呈现出的图像精准、还原度高、清晰度高，因此具有真实性、可靠性的优点，可进行缺陷位置的准确定位，并了解缺陷的形成原因，基于此选择合适的修护方法。但全息探测检测技术成本较高，且全息成像技术仍处于进步和发展中，可能存在未知的技术缺陷，目前未被广泛应用于无损机械设备焊接检测中。全息成像技术具有极高的研究价值和发展前景，能够100%还原真实检测图像，检测结果可靠真实，或许随科学技术的不断进步，全息探测检测技术在未来能被广泛应用于焊接缺陷的检测。

3.4 电磁检测技术

电磁检测技术主要包含磁粉检测、漏磁检测、涡流检测等。磁粉检测常用于机械焊接结构的缺陷检测中，磁粉只能应用铁磁类的金属结构，磁粉在检测中受到磁化检测试件的作用，若金属结构内部存在缺陷，缺陷处磁场分布发生改变，形成漏磁场。在日常光照的折射下，可观察到磁痕位置，进一步观察到磁粉大小与位置的改变，判断缺陷内部损坏情况的严重程度。磁粉具有磁吸力，在焊接结构内部中均匀地撒上磁粉，由于损坏部位的磁吸力减少，磁粉会发生一定偏移，通过检测磁粉发生漏磁场的作用与磁力大小，可判断金属结构内部缺陷位置与缺陷种类，此项检测的成本较低、操作简单，无需培训即可上手，在无损检测技术中应用较为广泛。涡流检测技术依据电磁感应的原理，在金属内部放置通交流电的电线圈，若金属焊接内部结构不存在缺陷，那么电线圈上的电流会保持稳定，若内部存在缺陷，缺陷部位产生的漏磁场将作用于电线圈产生涡流，那么会导致电流分布不均匀，通过的电流大小发生改变。通过检测产生涡流的变化度量、大小及在电线圈中作用的位置可以判断缺陷的位置及损伤程度。涡流检测技术操作简便，简单培训即可上手，具有较高的精准度，且判别提取信息较为全面，因此在机械焊接结构缺陷检测中应用十分广泛。

3.5 其他方法

除以上本文分析过的4种应用较为广泛的无损检测方法之外，还有渗透分析、目视分析、红外分析等先进检测方法。

4 焊接构件缺陷类型

焊接工件产生的技术性缺陷一般可以分为宏观缺陷、内部缺陷和微观缺陷3个方面。下面将针对每种类型所体现的表现形式、缺陷特点和影响部分进行详细的论述与分析。

4.1 宏观缺陷

这种焊接缺陷的形势从外观表现上看其主要特点是缺陷部分比较明显，不需要借助微观的专业检测设备，通过肉眼的观察就可以直接判断。这类的缺陷反映在实际加工过程中一般是咬边、烧穿、焊瘤等形式。

咬边。此类缺陷表现形式为焊接材料沿着焊缝在基底材料部分形成沟槽状凹陷。

烧穿。此类缺陷一般出现在熔深超过工件厚度，在外表面产生堆积并对基底材料产生不可逆的烧结破坏。

焊瘤。此类缺陷主要是由于焊接过程中热量传递不均或热量不足等原因造成，在其冷却后会出现附着在基底材料上的瘤状金属。

以上介绍的几种缺陷都是在工业生产中较为常见的类型，操作人员在检测时通过肉眼就可以直接检测分析。

4.2 微观缺陷

这类缺陷产生的主要原因一般是由于在焊接过程中工件由于其内部在热传导性能上存在差异而导致的微观结构与性能的变化，主要表现形势主要有过烧、过热、偏析等现象。

过烧。此类缺陷是指热量集中在某一部分时间过长，造成晶界发生局部融化或氧化的现象。

过热。此类缺陷主要是在由焊接过程中操作不规范等造成工件部分位置材料晶体组织受热被破坏的现象。

偏析。此类缺陷是由于材料组织在热循环过程中温度不稳定导致分布不均的现象。

对于此类微观缺陷，通常情况下肉眼无法之间观察，需要借助专业的仪器进行分析，且由于此类缺陷的特殊性，很难在保证工件完整性的同时进行观察，一般都要对工件进行切割以观察其内部结构变化。

4.3 内部缺陷

这种焊接缺陷存在于工件的内部结构之中，通过一般的检测方法很难发现，常见的主要类型主要包括气孔、裂纹、夹渣、内部未熔合等现象。

气孔。这种缺陷一般是因为在焊接过程中，熔池内存在尚未析出的气体，在焊接夹缝中形成空穴造成。表现形式为内部多孔式结构，影响整体刚度。

裂纹。这种缺陷一般发生在焊接材料和基底材料结合时由于温度不均而造成的分子层级的破坏，进而会造成焊缝位置产生裂纹。

夹渣。这种缺陷主要是指在焊接工作完成后，焊缝中夹杂着杂质的情况。

内部未熔合。这种缺陷的表现形式为焊接热量不足导致两种金属没有融合在一起，形成细小裂缝的现象。

以上列出的缺陷都属于内部缺陷，由于这类缺陷在工件内部，普通的仪器和肉眼无法直观发现，所以要借助一些结合光学、声学等高精尖技术进行分析，进而采集缺陷特征信息。

5 焊接结构构件缺陷检测方法

通过对以上几种检测方式进行相关论述及比较，可以发现针对不同缺陷特点采用的检测方式也是不同的，下文将介绍针对不同缺陷应对的措施。

5.1 宏观缺陷检测方法

对于上文提及的宏观缺陷一般都存在于工件的表面结构上，因为其相对明显，故利用人眼或简单的仪器就可以进行观察分析检测。其中，针对不同工作场景使用的方法也不尽相同，例如一些人眼难以直观捕捉到的情况可以借助高倍显微镜等仪器进行检测分析，涡流检测技术只能应用于可以导电的被测对象；渗透检测方法通常用于工件表面存在开口式裂纹缺陷的现象，并且加工后工件表面粗糙度也会影响检测结果。

5.2 微观缺陷检测方法

微观缺陷相较于宏观缺陷其更难以被观察到，所以检测方法一般不局限于机械方向的应用。一般检测这类缺陷用的是超声波或X射线照射的方法来检测。X射线照射的检测方式适用范围更广，出于X射线抗干扰能力及穿透能力强的特点可以对各类材料及外形结构的工件进行测试，且测试结果较为清晰，缺陷类型的识别也较为准确。但由于其检测结果图像为二维图像，在某些结构复杂位置会存在图像重叠的现象，对结果产生干扰。此外这种方法对于工件的布置也存在较为严格的要求，一般放置工件的平台与放射点的平面夹角不超过10°。相比较下超声波检测方法在工件放置方面更为简单一些，该方法最适用的情况是用来检测工件细小裂痕和空穴等缺陷，适用范围较广，但是对工件外部形态结构有一定的应用限制，且这类检测仪器对其自身的密封性有很高要求。

5.3 内部缺陷检测方法

内部缺陷由于其存在位置的特殊性，采用常用的外形测试方法已经无法检测到，因此一般使用高精度的电磁测试方法来检测这一类缺陷。电磁测试方法利用磁场的原理，将附上电荷的磁粉附着在被测工件表面上，利用磁化后工件引起磁场的变化影响磁粉在工件表面的分布形式，进而判断内部缺陷发生的位置，再利用磁粉分布状态的类型进行对比，得出内部缺陷的具体类型。

6 总结

在工业技术的进步过程中，焊接技术也得到了不断的完善与优化，技术缺陷发生率不断降低，取得了长足进步，但由于技术本身的特点，各类缺陷的产生是无法避免的，针对各类不同的缺陷要利用相对应的方式进行无损检测，进而合理地对工件内部缺陷造成的性能、结构影响进行分析检测。随着相关领域的不断发展，无损检测技术也不断有新的技术迭代产生，并逐渐在实际检测应用中占据了主导地位，例如激光检测法、计算机层析成型法、电磁检测法等新兴方法都得到了广泛应用。所以，无损检测方法对于保证在结构完成情况下提高焊接结构的可靠性与规范性、提高检测效率、降低检测误差等方面具有十分重要的应用价值。