超聲無損檢測技術在金屬材料焊接中的應用

婁江

（北京誠聚成電力技術檢測有限公司，北京 100024）

1 超聲無損檢測技術概述

1.1 檢測原理

超聲無損檢測技術憑借超聲波在試件中的傳播特性，使用超聲波檢測儀來產生聲源，超聲波按特定方式穿入試件內部，聲波在介質傳播過程中收集表征信息，并在到達不連續聲阻抗介質交界面時出現反射現象，獲取超聲回波信號，再由超聲換能器對超聲回波信號進行處理，從中提取衰減系數、速度、聲強以及頻率等特征信息，從而獲取焊接試樣超聲無損檢測結果，有效識別焊接件是否存在裂紋、未熔合等質量缺陷，明確缺陷位置、大小、形狀和發展程度[1]。

1.2 檢測基本方法

在金屬材料焊接檢測項目中，超聲無損檢測技術分為共振法、脈沖反射法、穿透法、衍射時差法等。其中，脈沖反射法應用最為常見，可細分為直接接觸法、液浸法、導波法、周向導波法4項基本方法，各項檢測方法的操作要點、適用范圍、系統組成存在明顯差異，應根據項目情況加以合理選擇。

直接接觸法：也被稱為縱波脈沖反射法，在被測金屬材料表面涂抹耦合劑作為介質，在耦合劑表面放置超聲探頭，探頭通過耦合介質向被測材料內部導入超聲波，超聲波在介質中傳播時遇到不連續聲阻抗介質交界面時出現反射現象，超聲波的傳播方向和特征發生改變，再由檢測設備接收并處理回彈的超聲回波信號，根據處理結果評估金屬材料是否存在缺陷。相比于其他方法，直接接觸法有著操作簡單、檢測效率高的優勢，但聲學接觸情況易受到材料表面光潔度、耦合劑性能等因素影響，為保證檢測精度，需要提前清理金屬材料表面灰塵污漬，使用純凈水或是硅油作為耦合劑，排出被測材料表面與超聲探頭之間的空氣，此項方法不適用于檢測表面過于粗糙、存在表面缺陷的金屬材料。

液浸法：在被測材料表面布置一層液體耦合層，由超聲探頭向指定方向發射超聲波，聲波穿過液體耦合層后射入金屬材料內部，在聲波抵達缺陷界面與材料底面時分別反射一部分的聲能，由超聲換能器處理回波信號，評估被測材料是否存在質量缺陷。根據實際應用情況來看，液浸法需要準備容器，在容器內放入液體耦合劑、超聲探頭與被測材料，操作流程較為煩瑣，但因被測材料與超聲探頭保持一定距離，并未發生直接介質，可以取得穩定的超聲波發射、接收效果，有利于提高檢測精度[2]。

導波法：超聲無損檢測系統由EMAT傳感器、點/面缺陷通道組成，在材料檢測期間，在面缺陷通道處在與焊縫相垂直方向發生超聲波，在點通道與焊縫方向保持一定夾角來發射超聲波，根據所接收回波信號強度，判斷各通道沿線是否存在質量缺陷。此項方法適用于檢測肉眼可發現存在質量缺陷的金屬材料，在缺陷處人工開鑿特定幾何形狀參數的孔、槽。

周向導波法：在焊接件外壁、內壁兩側方向各布置一處壓電換能器，啟動單向換能器發射超聲波，超聲波沿逆時針方向傳播，先后經過接收傳感器與焊縫區域，如果焊縫部位存在質量缺陷，將在聲波傳播期間形成反射回波，根據反射回波處理結果來掌握缺陷問題。在金屬材料焊接檢測項目中，周向導波法多用于檢測內外表面裂紋等焊接缺陷，需要使用2組或以上超聲探頭進行檢測，以此來提升檢測精度。

1.3 技術優點及局限性

首先，根據實際應用情況，相比于傳統有損檢測技術以及磁粉檢測、渦流檢測等無損檢測技術，超聲檢測技術有著聲波穿透能力強、靈敏度高、設備輕便、操作簡單、缺陷定位準確、適用面廣、指向性強、檢測精度不受環境條件影響、成本低廉的優勢。例如，超聲無損檢測技術既可以用于檢測厚度值在1～2 mm的金屬板材、薄壁管材等材料，同時，也可用于檢測數米長度、厚度的鋼鍛件。

其次，無損檢測技術也存在著一定程度的局限性，包括需要額外使用耦合劑、復雜形狀與不規則外形材料的檢測精度有限、檢測質量受材料材質與晶粒度因素影響、檢測結果顯示不直觀等。例如，超聲檢測結果由衰減系數、速度、聲強等特征信息組成，無法直接反映金屬材料內表質量，而是需要檢測人員對特征信息進行處理，繪制波形圖與導入計算公式，方可識別材料是否存在質量缺陷，檢測精度受到人為因素影響，對檢測人員的專業素養有著較高要求。

2 超聲無損檢測技術的具體應用

2.1 檢測內部缺陷

在金屬材料內部缺陷檢測環節，超聲波技術應用原理為：向金屬材料深處發射超聲波束，在波束碰到缺陷部位和材料底面時分別發射反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據波形變化情況判斷是否存在質量缺陷，識別缺陷類型、大小、位置等具體信息。同時，除超聲脈沖反射法之外，還可選用根據入射聲波振幅轉變情況來識別質量缺陷的穿透法[3]。

一般情況下，檢測人員應使用A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀，檢測分辨率為0.01～1 mm，檢測局限為1.0～15 000 mm。隨后，根據金屬材料的材質、類型來選擇超聲波波型，如在檢測中厚板、金屬鑄錠與大型鍛件時使用縱波，在檢測薄板時使用板波，在檢測存在表面劃傷、焊縫裂紋、軸向裂痕等質量缺陷的金屬管材時使用橫波。最后，根據超聲波探傷儀顯示屏上所顯示反射旌旗燈號高度、是否存在反射旌旗信號、射入與反射旌旗信號距離等信息來判斷反射面與其他部分是否存在質量缺陷，掌握缺陷位置、大小形狀等信息[4]。

2.2 檢測宏觀缺陷

金屬材料的宏觀缺陷是在焊接期間受到高溫條件、工藝操作等因素影響而形成的質量缺陷，常見宏觀缺陷包括翻皮、軸心晶間裂紋、金屬瘤、氣泡等。其中，翻皮缺陷是因焊接期間在液態金屬中翻入表面氧化膜、凝固前未浮出而在材料表面形成的重疊表皮，有著周圍分布氣孔與夾雜物、由密集空隙及夾雜物組成條帶的宏觀特征。軸心晶間裂紋表現為在材料中心點形成向外發射分布裂紋，形成原因為液態金屬凝固時產生過大熱應力，有著自坯料中心向各方延伸蜘蛛網形條紋的宏觀特征。金屬瘤是金屬材料在高溫條件下形成液態金屬傳輸至母材，在自然冷卻后，液態金屬形成大小不一的金屬瘤，對材料連續性和宏觀完整性造成負面影響。而氣泡是在金屬材料凝固期間因釋放氣體而在表面或內部形成氣泡，有著在皮下呈分散狀分布細長裂紋的宏觀特征。

在金屬材料宏觀缺陷檢測環節，可選擇采取衍射時差、超聲特征掃描成像、超聲波脈沖反射等方法，如應用超聲特征掃描成像方法，直接在顯示屏上成像被檢材料，在圖像上標注分層、夾雜、氣泡、翻皮等宏觀缺陷。同時，不同宏觀缺陷檢測項目的檢測方法及原理存在差異。例如，在超聲檢測夾雜缺陷時，向金屬材料中穿入超聲波，一部分聲波直接透射材料夾雜區域，另一部分聲波在傳播期間遇到夾雜物時出現反射現象，對缺陷回波的相位、反射率、底面回波幅值進行分析，繪制夾雜缺陷波形圖，以此來判斷焊縫部位是否存在夾雜物。而在超聲檢測氣泡缺陷時，金屬材料在焊接期間可能會裹入空氣而在表面、內部形成氣泡，相比于金屬材料，氣泡的透射率幾乎為零，因而可以采取超聲檢測技術，向金屬材料射入超聲波束，波束在穿過氣泡缺陷區域時形成缺陷回波，且底面回波隨之降低，根據底面回波降低程度來判斷氣泡大小[5]。

2.3 檢測微觀缺陷

金屬材料的微觀缺陷是因內部原子結構未按照周期性排列晶體而形成的內部缺陷，常見缺陷包括晶格錯位、微裂紋、焊接面氧化等，這類微觀缺陷對檢測精度有著極高要求，常規超聲檢測與其他技術手段缺乏適用性，難以識別到全部微觀缺陷和掌握缺陷具體信息。因此，在金屬材料微觀缺陷檢測環節，需要應用到新型的非線性超聲檢測技術，從獲取缺陷部位頻域信息角度著手，聲波在理想均勻介質中傳播時的波形不會改變，僅相位、振幅有所改變，而當聲波在非理想、不均勻介質中傳播時，聲波將出現凝聚、分岔、空化等現象，且單一頻率聲波出現畸變情況，聲波間產生相互作用，以此來識別微觀缺陷，提升檢測靈敏度。同時，非線性超聲檢測技術由聲彈性、聲散射聲、有限幅度、波束混疊調制、共振方法組成，不同方法的操作方式、檢測機理有所不同，必須加以全面掌握。例如，在應用波束混疊調制方法時，在金屬材料中相向傳播兩列波，分別為高頻波率和低頻波率，在兩列波相遇時不發生作用、未形成新的頻率成分時，表明金屬材料不存在微觀缺陷。而在兩列波相遇時發生作用，頻率上形成新的成分，出現非線性調制現象時，表明金屬材料存在微觀缺陷。

3 超聲無損檢測技術應用策略

3.1 合理選擇檢測方法

超聲無損檢測技術體系較為復雜，由多種檢測方法組成，常見方法包括共振法、非線性檢測法、脈沖反射法、超聲特征掃描成像法、穿透法、衍射時差法等，且單項檢測方法還由若干分支方法組成，如脈沖反射法由直接接觸法、液浸法、導波法、周向導波法組成。不同方法的靈敏度，適用范圍有所不同，唯有正確選擇超聲檢測方法，方可全面反映金屬材料整體狀態，準確描述材料質量缺陷問題。因此，在應用超聲無損檢測技術時，檢測人員必須綜合分析材料材質、晶體狀態、材料質量缺陷類型、兩邊介質聲阻抗差異、回波信號狀態等因素，確定具體的超聲檢測方法。例如，從質量缺陷類型角度來看，在檢測材料是否存在宏觀缺陷時，可以選取超聲特征掃描成像檢測方法，不同宏觀缺陷的超聲檢測特征極為明顯，與材料基體聲阻抗有著明顯差異，當存在缺陷部位時，會在圖像上標示缺陷波，出現底波降低現象。而從信號處理角度來看，既可以采取頻域分析方法，從分量相位角度著手，根據頻率幅值與分布規律進行計算和建立以頻率作為橫軸的多張頻譜圖，同時，也可采取短時傅里葉變換法，對時刻附近信號經滑動時間窗函數加以截取，對多個時刻的信號進行傅里葉變換處理。

3.2 搭配應用多項無損檢測技術

在金屬材料焊接缺陷檢測項目中，雖然超聲檢測技術有著設備輕便、操作簡單、缺陷定位準確、適用面廣等顯著優勢，但也存在一定的局限性，部分質量缺陷的檢測精度較低，難以準確描述缺陷信息。因此，為全面提高金屬材料焊接檢測質量，突破單一技術局限性，需要搭配采取多項檢測技術。例如，從檢測效率角度來看，搭配使用VT目視檢測法與超聲檢測法，提前由檢測人員細致觀察金屬材料表面情況與整體狀態，根據自身工作經驗來初步判定可能存在的質量缺陷，根據初步判斷結果來選擇具體的超聲檢測方法，針對性開展超聲探傷檢測作業。而從檢測靈敏度角度來看，在金屬材料存在未熔合、裂縫等缺陷時，可以應用ECT渦流檢測技術，在待測金屬件上布置通有交流電的線圈，在線圈內外側形成交變磁場，在金屬材料中形成旋渦狀感應交變電流，根據渦流大小、相位變化來測算材料材質狀況、物理量和缺陷信息，可以有效發現金屬材料中存在的裂紋、夾雜物等質量缺陷。

3.3 推動超聲無損檢測技術創新優化

現階段，超聲無損檢測技術尚處于起步發展階段，技術體系有待完善，檢測精度、速度存在優化提升空間。因此，為取得理想的金屬材料焊接檢測效果，持續提高檢測質量，需要推動超聲無損檢測技術的創新優化，主要優化方向包括相控陣聲場仿真和全矩陣捕捉。其中，在相控陣聲場仿真方向，在超聲檢測系統中加裝相控陣換能器，在操作系統中建立多種聲場模型，采取多元高斯法或是瑞利積分法等方法，依據聲場特性來檢測金屬材料狀態。而在全矩陣捕捉方向，采取聲束延時疊加方法，對所相控陣列中所獲取各陣元發出聲束加以延時、疊加處理后獲取偏轉聲束和聚焦聲束，在其基礎上生成圖像，在各發射/接收陣元中存儲對應的時域信號，按順序依次激發各陣元，并在金屬材料檢測過程中采集全部發射/接收組合的回波數據并加以處理，以此來提高檢測效率，無需重復開展多次測量操作[6]。

4 結語

綜上所述，為切實滿足金屬材料使用需要，要在檢測環節全面發現焊接裂紋、氣孔、夾渣等質量缺陷并加以有效處理。檢測人員必須對超聲無損檢測技術予以充分重視，深入了解超聲檢測技術的方方面面，掌握技術應用要點，落實上述應用策略，使超聲無損檢測技術更好地應用于金屬材料焊接項目當中。