金属材料焊接中超声无损检测技术的有效应用.pdf

246管理及其他Management and other金属材料焊接中超声无损检测技术的有效应用张龙摘要：金属材料在现代化社会广泛应用，并通过焊接构建起工业文明的“骨架”，支撑着各类产业建设发展。然而，金属材料焊接的缺陷也广泛存在，对整个现代化体系形成了巨大影响。超声无损检测技术的有效运用，则是预防及治理金属材料焊接风险的重要手段。常规的超声无损检测技术应用方式，主要是基于便携式超声波无损检测仪，虽然简单便捷，但难以对金属材料及焊接成品形成针对性，致使检测效果大打折扣。本文从金属材料焊接形式的多元化出发，兼顾金属材料特点及焊接工艺缺陷，探索超声无损检测技术的有效性运用策略，以供借鉴参考。关键词：金属焊接；超声无损检测技术；应用金属材料的广泛应用是现代化社会的标志之一。由于金属材料硬度大、刚性好、可塑性强等优势，其运用的主要方式是通过焊接将相对独立的金属材料转化为特定结构，如桥梁、建筑等工程框架以及机械设备、零部件等。可以说，现代化项目及产品的丰富程度直接取决于金属材料焊接技术的运用范围。然而，金属材料本身质量及焊接成品的质量检测，很难通过传统的物理化学方法实现。这时超声无损检测技术的出现及应用，很好地解决了这一问题，成为推动现代化发展的助力因素，几乎也成为金属材料焊接作业的标配技术。1 超声无损检测技术在金属材料焊接中应用的优势分析超声无损检测技术在金属材料焊接中的应用范围非常广泛，且具有很好的灵活性。例如，检测对象的外形方面，板材、棒材、管材等几乎都不受限制。此外，根据金属材料的厚度（1mm到几米厚度），可以灵活选择超声无损检验技术，能够很好地兼顾金属材料表面及内部的缺陷探明。最重要的是，发展超声无损检测技术对我国已经具有“全部工业体系”的现状，具有重大的意义，几乎所有的制造业产品（如焊接件、铸件、锻件等）都需要这一技术。首先，“无损性”是该技术的最大优势，许多现代化产品都是由金属材料焊接构筑而成的，在投入使用之前，如果采用传统的人工检测、生化检测、物理检测等方式，极容易对金属构件造成二次破坏。超声波则不会出现类似情况，同时利用这一技术，还能够很好地规避检测环境中的风险要素、保护检测人员的安全。其次，准确度高，能够对金属材料表面、内部及焊接后发生的变化缺陷，进行精准的定位和分类。超声波具有很强的穿透力，对于一些面积较大、厚度较大的金属焊接构件，可以提前规避存在的风险。再次，操作极为简单，在硬件技术、软件技术、信息技术、网络技术及人工智能技术等支持下，超声无损检测技术本身聚合了大量先进功能，只需要少量人员配合操作，就能够大批量地展开质量检测工作，不仅成本低，且对于周边生产环境的干扰较小。2 超声无损检测技术在金属材料焊接中的有效应用策略2.1 明确应用目的一般来说，金属材料焊接作业中常会出现缺陷，这些缺陷都属于超声无损检测技术的范畴。缺陷主要源自两个方面。第一个方面是金属材料自身的缺陷，如气泡、杂质、裂纹、折叠等。尽管冶金工业技术水平在不断提高，但金属材料本身仍无法完全避免缺陷。如果这些缺陷直接用于焊接作业，将会对最终构件成品的质量产生不利影响。因此，在进行金属焊接施工之前，有必要对金属材料自身情况进行检测，超声无损检测技术的应用价值也就凸显出来了。例如，“晶间裂纹”是一种缺陷，表现为金属材料（镍钢中比较常见）内部破裂，裂缝沿着枝状组织发展，较为严重的晶间裂纹甚至会出现“中心-四周辐射”的蛛网状。这种缺陷会严重破坏金属材料的联系，后续加工过程中继续发展，工序越复杂、能量越多，裂纹扩大的几率与程度就越大。在肉眼无法观察及评估的情况下，可以利用超声无损检测技术进行检测。第二个方面是焊接工艺造成的缺陷。对于金属材料而言，焊接是一个剧烈的物理化学变化（高温、高压、强电、辐射等作用）过程，焊接效果的形成是建立在金属材料原有形态变化之上的。因此，构件成品的最终质量自然也受到焊接工艺水平的影响。焊接缺陷的类型及表现复杂多样，常见的如焊缝咬边、焊瘤、夹渣、裂纹等。从物理性质来说，主要表现为焊接过程中金属材料的不规则形变，如厚度不一、平整度差等，由此形成的一些微观缺陷，同样无法利用肉眼观察的方式捕获，这种247管理及其他Management and other情况下依赖超声无损检测技术。因此，基于“焊接准备阶段”及“焊接施工阶段”的区分，要进一步明确超声无损检测技术的应用对象，界定出哪一种技术更加可靠。例如，常规超声检测技术、超声C扫描检测技术、超声相控阵检测技术等，以提高该项技术的应用效率。在焊接准备阶段检验金属材料“表面裂纹”的缺陷，虽然超声无损检测技术已经被证实是有效的，但为了保证精确性，还可以采用荧光探伤技术、热酸蚀试验方法等进行匹配。换言之，针对不同的金属材料及焊接技术，筛选合适的检验方法是一个大前提。虽然超声无损检测技术适用范围广、操作简单，但自身也有一些缺陷，如灵敏度较弱，面对一些金属材料复杂成分、不规则的工业部件等，是难以保障检验数据的有效性的。因此，在明确应用目的之后，可以灵活地采取“组合检测”的方式。2.2 组装硬件架构目前市场上出现的超声无损检测设备类型多样、功能丰富，其智能化、便携化、信息化的优势也愈加明显。但是，考虑到金属材料焊接作业环境、对象、要求等更加复杂，仅依赖常规的超声波探伤仪器是很难满足检测需求的。从这个角度出发，可以针对特定的金属材料焊接项目组装“非标硬件架构”，基本思路是利用现有的超声波元件、电子设备、辅助外设等，按照现场特点自主布局，以提高超声无损检测技术应用的有效性。2.2.1 超声信号捕捉根据超声无损检测技术的特点分析，它主要应用在肉眼无法观察及常规物理、化学手段无法探明的情况下。基本原理是被检测构件与超声波相互作用，通过反射、折射、散射的结果展开缺陷分析以及对被检测金属材料及构件的几何特性、力学特性、结构特性等进行评价。因此，应用该技术的前提是超声信号源的获取。值得注意的是，超声波探测仪的频率是一个重要指标。市场上常见的超声波探伤仪频率一般为1MHz左右，可用于建筑、桥梁等大型工程项目的检测，缺陷探明的水平在毫米级。如果是精密仪器、核心部件等检测，就需要提高超声无损检测设备的频率，相对应的，回波信号分析处理仪器的性能也要随之提高。超声信号源的硬件系统组装并不复杂。首先将超声波脉冲发射器与探头连接，探头是捕捉金属材料缺陷的装置，也可以返回与金属介质相互作用后的超声信号源。该信号由超声波脉冲接收器接收后，再传输到显示设备上，检测人员只需要观察地面反射波、缺陷波的状态即可。在硬件的选择上，为了满足金属材料焊接高质量的要求，超声波脉冲发射器、接收器的频率应保持在75MHz 100MHz的带宽，这可以充分满足100m以下的探伤检测需求。具体设备如GEPanametrics5073PR、Olympus5073PR 等，可 以 搭 配 GEPanametricsV213-BC 试验系统。其余的设备包括数字示波器（如TektronixTDS3014）、电 脑 显 示 器、低 通 滤 波 器（如LF21L2500H83-L63）、探头（如HS-YT302C）等。2.2.2 回波信号采集超声波无损检测技术的核心是超声回波信号分析，因此在硬件架构中，回波信号采集系统是不可或缺的。传统类型的超声波无损检测技术只需要示波器就可以完成，因为回波信号在通过信号调理之后在示波器上展示，就相当于完成了一个信息反馈过程。但是在实践中发现，这样的检测效果并不精确。随着技术的发展，新型的数字化超声波无损检测技术运用过程中，可以先进行信号转换，即模拟信号转化为数字信号。这需要超声波通过A/D转换芯片，并与PC设备连接，以便作下一步的处理、分析和观察。为了满足数字化检测需要，就必须提高回波信号的采集速度。例如，使用TektronixTDS3014示波器，该设备具有9位的A/D转换器（集成形式），在回波信号采集方面能够提供100MHz的带宽。同时根据官方给出的参数，最大存储数据长度为每秒钟1万个采样点。这些参数足以应对数字化超声波无损检测的操作需要。2.2.3 信号处理系统根据金属材料焊接现场的环境特点，回波信号处理系统的建构以便捷、稳定、安全为原则，尤其要避免金属焊接所用强电线路与通信系统弱电线路的混乱。整个回波信号处理系统的构成并不复杂。一个是通信系统，采用工业以太网RS-232串口通信模式即可，依次连接示波器与电脑。其优势主要是通信标准非常简单，完全不需要握手协议，只需要3组信号线就能够实现信息的双向传输。在具体的通信系统构件过程中，串口连接方式有简单和复杂两种。简单的连接方式，即针对数字示波器、计算机进行3组信号线的连接，对应关系为pin2-pin3、pin3-pin2、pin5-pin5。复杂的连接方式更有利于提高信息处理的准确性，需要用到7组数据线，对应关系为pin2-pin3、pin3-pin2、pin4-pin6、pin5-pin5、pin6-pin4、pin7-pin8、pin8-pin7。另一个则是超声探头。信号处理系统最大的困扰是电磁信号。所选用的超声探头不仅要具备良好的抗干扰性，同时还要确保探头与电缆、其他仪器之间形成抗阻匹配。从这个角度说，非标信号处理系统的构建过程中，最好选择同一技术原理或同一家供应商的设备。例如前文提到的HS-YT302C探头，是近年来国内研发出的新产品，对于各种超声波脉冲发生器、接收器、电联型号等均具有很好的匹248管理及其他Management and other配性。3 设计软件系统在实用性方面，超声无损检测技术应用的代表是各类超声无损检测仪，如专门用于焊缝结构检验的设备、专门用于铸件探伤的设备等，突出便携式优势，即直接手持操作的方式，即可完成对应的无损检测作业。但从金属材料焊接的宏观概念出发，专门的设备是无法满足无损检测技术有效应用要求，在一些特殊限制的金属材料焊接施工场景中，不仅需要对金属材料、焊接工艺等进行无损检测，还需要满足数据查询、频域分析、资料导出等需要，以更好地指导后续工作。例如，同一批金属材料焊接材料及成品中，为了将检测结果与缺陷类型一一对应，就需要将波形记录下来，纳入到对应缺陷的编号文件中。因此，自主开发一个金属材料焊接超声无损检验技术应用软件系统是必要的，但在实现过程中，不必要按照专业级别的软件工程设计，只需要满足信息采集、系统设置、时域分析、频域分析等基本功能即可。3.1 软件工具客观上，金属材料焊接所产生的数据较为简单。从缺陷探明的角度出发，主要利用超声无损检测技术在“焊接前”和“焊接后”收集数据。因此，系统界面不必过于复杂。为了降低金属材料焊接施工人员的操作难度，除了必要的数据输入窗口（如金属材料名称、型号、焊料编号、热处理温度等），其余功能尽量利用鼠标完成操作。具体的软件工具选择上，可以用VB.NET作为操作主界面的设计工具，用MathCAD完成简单的编程。3.2 功能模块在金属材料焊接的超声无损检验处理系统中，核心模块包括数据采集、数据查询、数据显示、时域分析、频域分析、综合分析及系统设置。其中，数据采集直接由硬件系统完成。数据查询的内容主要包括“超声波特征参数”“超声波信号原始数据”等。如果硬件设备的条件较好，还可以将“金属材料晶粒尺度”也纳入到查询范围。数据显示功能尤为重要，是判断金属材料焊接缺陷的直接依据，可以在现场设置大型显示器。时域分析主要是面向超声特征参数的计算，频域分析主要是面向超声特征参数的变化，综合分析用来判断金属材料焊接合格率、缺陷类型及出现比例等。最后，系统设置是最为关键的功能，用来处理探头的选择、金属材料的类型、设备组合等。3.3 系统测试在金属材料焊接领域中，超声无损检测技术虽然得到了广泛地应用，但是该技术仍然存在一定的局限性。为了达到“有效应用”的水平，需要结合金属材料焊接现场的验证，进行系统测试。这种测试的主要目的是从预处理金属材料焊接的结果中，分拣出不同的缺陷类型、进行编号，以便正式进行金属材料焊接作业时，及时准确地对比结果。例如，在金属材料焊接准备阶段，可以选择已知成分的WELDOX960高强钢作为检测对象。为了能够检测出缺陷，可以采取一些措施。首先，可以采用金属电弧法进行焊接，以产生不规则的焊波。其次，在焊接后可以进行干冰覆盖、冰箱冷冻，或者使用没有烘培过的焊条，以实现裂纹的产生。如果希望金属材料出现横向裂纹，可以在焊缝中堆放一些铁屑，并标记好焊接点。此外，还可以通过处理焊条的方式实现气孔的产生，如刻划掉焊条端部的涂层，让焊条失去保护气层，或者破坏焊条的稳定性，如放在火焰烧一段时间，或者浸入水中一段时间。也可以故意降低焊接工艺标准，如拉长电弧，确保焊接金属材料融化后与空气充分接触，冷却过程中就会凝结成气泡。在预处理过的金属材料自然环境下放置3小时至5小时后，可以利用软件系统进行测试。需要注意的是，测试的主要目的并非发现缺陷，而是从预处理金属材料焊接的结果中，分拣出不同的缺陷类型、进行编号，以便正式进行金属材料焊接作业时，及时准确地对比结果。4 结语综上所述，金属材料焊接中超声无损检测技术的“应用”及“有效性应用”是两个不同的概念。单纯地强调超声无损检测技术应用价值只是在该技术原理层面展开实践活动，而“有效性应用”则强调重新建构整个技术体系，实现与金属材料焊接的深度整合。在硬件、软件的自主开发与优化方面，能够将超声无损检测技术的价值最大化。（作者单位：中国电建集团江西省电力建设有限公司）