機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

李文靜

（許昌學(xué)院 電氣（機(jī)電）工程學(xué)院，許昌 461000）

焊接技術(shù)是隨著金屬的應(yīng)用而產(chǎn)生的，早在商代，就有鑄焊、釬焊和鍛焊等焊接工藝。其原理是通過(guò)高溫、高壓或兩個(gè)并用，使同性或異性兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和連接方式。隨著科技的進(jìn)步及現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)也不斷進(jìn)步和完善，其中也包含焊接質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)前，機(jī)械焊接檢測(cè)技術(shù)主要包含破壞性檢測(cè)技術(shù)及非破壞性檢測(cè)技術(shù)兩大類(lèi)。其中，非破壞性檢測(cè)中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是在不損壞試件的前提下，利用物質(zhì)的聲、光、磁和電等手段，借助先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及性質(zhì)進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。因其具有非破壞性、可對(duì)檢測(cè)對(duì)象100%全面檢測(cè)及原材料、加工、裝配成品及服役設(shè)備全程性檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用最廣，技術(shù)也最先進(jìn)。

1 機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的主要缺陷

1.1 宏觀缺陷

宏觀缺陷指的是通過(guò)人的視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等手段能夠直接發(fā)現(xiàn)的、不需要借助相應(yīng)儀器測(cè)量參數(shù)而發(fā)現(xiàn)的焊接結(jié)構(gòu)缺陷。這種缺陷中比較常見(jiàn)的主要包括咬邊、焊瘤、燒穿等[1]。所謂咬邊指的是焊接器械在沿著機(jī)械縫隙進(jìn)行焊接操作時(shí)，會(huì)在母線附近留下凹凸不平的溝槽。而焊瘤指的是焊接設(shè)備在尚未對(duì)焊料加熱完全就投入焊接，造成液態(tài)焊料從焊接部分溢出，在結(jié)構(gòu)外部冷卻形成瘤狀物質(zhì)。而燒穿指的是焊接設(shè)備焊頭過(guò)熱，焊入金屬結(jié)構(gòu)過(guò)深，導(dǎo)致熔化的液態(tài)金屬?gòu)暮阁w中流出。

1.2 內(nèi)部缺陷

內(nèi)部缺陷是指在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷，其具有細(xì)小、不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，通常用肉眼難以發(fā)現(xiàn)這一類(lèi)別的缺陷，而需要借助儀器進(jìn)行檢測(cè)。內(nèi)部缺陷是機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中最主要的一種缺陷。內(nèi)部缺陷主要包括氣孔、夾渣、裂紋等。所謂氣孔，指的是焊接過(guò)程中，液態(tài)焊料由于加熱不足、焊接角度不合理等原因，焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)某些異常現(xiàn)象，其中有可能包含空氣形成的孔狀物。而夾渣指的是焊接時(shí)熔化的金屬?zèng)]有被及時(shí)排出而快速冷卻，在焊接結(jié)構(gòu)中殘留的現(xiàn)象[2]。裂紋指的是由于焊頭溫度過(guò)高，對(duì)焊料及焊接金屬的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)造成破壞，使各種原子重新混合成新的金屬層的過(guò)程，由于新金屬層形成不受人為控制，形成的結(jié)構(gòu)較為粗糙，所以容易產(chǎn)生裂紋。

1.3 微觀缺陷

所謂微觀缺陷指的是焊接過(guò)程中，金屬處于較高溫度情況下極易與周?chē)h(huán)境相關(guān)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊體受熱不均而造成結(jié)構(gòu)缺陷，主要包括過(guò)熱、過(guò)燒及偏析等。過(guò)熱指的是使用不合適的焊接設(shè)備進(jìn)行焊接造成金屬內(nèi)部分子原子結(jié)構(gòu)破裂，粒子結(jié)構(gòu)過(guò)分脹大的現(xiàn)象。過(guò)燒是指焊縫金屬在焊接過(guò)程中受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成晶粒粗大，晶粒邊界被激烈氧化或局部熔化的現(xiàn)象。而偏析則是由于焊接時(shí)溫度較高，熱循環(huán)促使分子運(yùn)動(dòng)加快，使得金屬分子逐漸向未焊接部分或內(nèi)部溫度較低部分偏移的過(guò)程。微觀缺陷不僅無(wú)法通過(guò)肉眼發(fā)現(xiàn)，甚至基礎(chǔ)的測(cè)量?jī)x器也對(duì)這種缺陷難以檢測(cè)。這種缺陷的檢測(cè)方法主要是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)金屬進(jìn)行取樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行切割后利用顯微鏡或電子顯微鏡等細(xì)致化觀察設(shè)備對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分子分布和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，從而判斷金屬晶體結(jié)構(gòu)是否遭到破壞，內(nèi)部分子排布依然符合規(guī)則。

2 無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 對(duì)設(shè)備本身的傷害較小

傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)主要依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)檢測(cè)工具進(jìn)行，不僅檢測(cè)效果難以保證，還會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)本身造成嚴(yán)重的破壞，影響該機(jī)械的后續(xù)使用，從而造成工作的反復(fù)，對(duì)工作效率的提高起到了嚴(yán)重的阻礙作用[3]。而新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅成本低，操作簡(jiǎn)便，而且技術(shù)先進(jìn)，測(cè)量精度大幅提高。最重要的是，這種檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)本身的傷害極小甚至沒(méi)有傷害，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的可靠性。

2.2 保障使用安全，延長(zhǎng)使用壽命

對(duì)大量設(shè)備損壞情況分析可知，機(jī)械設(shè)備損壞的部分原因就是初始的輕微損耗沒(méi)有被及時(shí)檢出而愈發(fā)加深，最終導(dǎo)致威脅設(shè)備使用且難以修復(fù)的損耗，從而造成設(shè)備的無(wú)法使用。而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)由于操作簡(jiǎn)便，不損害被檢測(cè)對(duì)象的使用性能，可對(duì)制造用原材料、各中間工藝環(huán)節(jié)、直至最終產(chǎn)成品進(jìn)行全程檢測(cè)，也可對(duì)服役中的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。所以，該技術(shù)適宜作為機(jī)械設(shè)備焊接點(diǎn)的定期檢測(cè)方法，通過(guò)定期檢測(cè)，人們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備焊接點(diǎn)的早期缺陷及其發(fā)展程度，確定其尺寸、方位、形狀并選用合適方法予以修復(fù)。這樣既保障了設(shè)備的使用安全，也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3 機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要用來(lái)探測(cè)機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷。這一技術(shù)利用射線穿透性強(qiáng)、衰減效果弱等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)發(fā)射射線族照射金屬焊體，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，然后將掃描成像結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，再利用相關(guān)軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，從而探查出金屬內(nèi)部的缺陷。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是射線照射具有全面性，能夠?qū)呙璨糠值乃袃?nèi)部缺陷都有一個(gè)較為明顯的顯示[4]。但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于金屬體的形狀、大小、結(jié)構(gòu)的個(gè)性化差異及宏觀缺陷的干擾，射線掃描結(jié)果有時(shí)難以獲得令人滿意的圖像。同時(shí)，由于射線對(duì)人體有較大的傷害，所以工作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中需要穿著專(zhuān)業(yè)的服裝，即使這樣，射線發(fā)射的危險(xiǎn)仍處于一個(gè)相當(dāng)高的水平，所以這一技術(shù)在一些焊接要求并非極高的機(jī)械結(jié)構(gòu)中一般不予使用。

3.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)技術(shù)主要用于檢測(cè)機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷。這種方法主要利用聲音這一機(jī)械波在均勻金屬內(nèi)傳播速率恒定的特性，一旦出現(xiàn)傳播速度改變的現(xiàn)象就說(shuō)明該段焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷。實(shí)際工程中，超聲波檢測(cè)技術(shù)的操作方法是利用超聲波發(fā)射裝置發(fā)射頻率高達(dá)20 000Hz的超聲波，再對(duì)接收端接收時(shí)間及接受聲波波形進(jìn)行收集分析，了解機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中的缺陷發(fā)生在何處及具體的缺陷類(lèi)別[5]。這種方法由于檢測(cè)靈敏度高，且裝置操作簡(jiǎn)便，對(duì)人體的危害性極低，同時(shí)節(jié)約成本，因而在機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

3.3 全息探測(cè)檢測(cè)技術(shù)

近些年來(lái)，全息成像技術(shù)的興起與發(fā)展不僅改變了人類(lèi)對(duì)于圖像的呈現(xiàn)方式，也在工程領(lǐng)域的許多方面提升了技術(shù)含量。在機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作中，也少不了全息技術(shù)的身影。全息探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)宏觀缺陷和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，其主要的操作方法是利用射線、激光、聲學(xué)等技術(shù)設(shè)備全方位地探測(cè)金屬結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將表面及內(nèi)部的金屬焊料分布狀況形象立體地呈現(xiàn)出來(lái)，探測(cè)人員通過(guò)觀察這些清晰度高、可信性強(qiáng)的圖像就能夠準(zhǔn)確分析缺陷部位及缺陷情況，制定修復(fù)方案[6]。由于全息成像設(shè)備成本較高，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展還不夠健全，所以它在目前的檢測(cè)領(lǐng)域中還沒(méi)有得到廣泛使用。但是，人們應(yīng)該清醒地意識(shí)到由于全息成像科學(xué)含量高，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)圖像的還原度極強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)成為未來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

3.4 電磁檢測(cè)技術(shù)

電磁檢測(cè)技術(shù)主要包括磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)等方法，在實(shí)際的檢測(cè)工作中，主要應(yīng)用磁粉檢測(cè)和渦流檢測(cè)兩種方法。磁粉檢測(cè)只能用于鐵磁性的材料，工件被磁化后，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時(shí)，缺陷處的磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，在合適的光照下形成目視可見(jiàn)的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度。實(shí)際操作中就通過(guò)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部撒入磁粉的形式，檢測(cè)磁粉在何處與漏磁場(chǎng)發(fā)生作用及作用的大小，從而判斷缺陷所處位置及缺陷類(lèi)別和程度。這種方法成本較低，操作簡(jiǎn)便，因而得以廣泛應(yīng)用。而渦流檢測(cè)技術(shù)則主要應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，實(shí)際操作中將一個(gè)通交流電的線圈深入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)處無(wú)缺陷時(shí)，線圈通過(guò)的電流大小將是恒定的，而當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)處存在缺陷時(shí)，其產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)就會(huì)與線圈發(fā)生作用，在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生渦流，改變線圈通過(guò)的電流大小，同時(shí)可以利用相關(guān)檢測(cè)儀器對(duì)渦流的大小、相位及流動(dòng)行程進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)缺陷類(lèi)別及缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行判定[7]。這種方法不僅操作簡(jiǎn)便而且可靠性高，同時(shí)可提取的信息多樣而具體，因而在機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

3.5 滲透檢測(cè)技術(shù)

滲透檢測(cè)技術(shù)的原理主要是毛細(xì)管現(xiàn)象。實(shí)際的操作方法是，將滲透液噴涂在檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面，然后刮去完整表面的噴涂液，再在其表面噴涂顯現(xiàn)劑，這種液體能夠很好地將殘留在結(jié)構(gòu)表面的滲透液顯現(xiàn)出來(lái)，由于殘留的滲透液僅存在于結(jié)構(gòu)缺陷中，這樣就可以明顯地顯示出缺陷的位置及缺陷的程度及狀態(tài)。這一技術(shù)不僅操作方便、對(duì)缺陷顯現(xiàn)直觀，而且靈敏度極高，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，該方法對(duì)1μm左右的裂紋同樣有效。但這一方法的不足也同樣明顯，滲透液和顯現(xiàn)劑的成本較高，需要人工進(jìn)行涂刷和檢測(cè)，加大了人工工作量。同時(shí)，這種方法僅能檢測(cè)裂紋性缺陷，無(wú)法檢測(cè)凸起性等其他缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的主要缺陷和機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中常用的五種無(wú)損檢測(cè)方法。隨著無(wú)損檢測(cè)方法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，除了以上五種檢測(cè)方法，一些新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相繼出現(xiàn)，如聲發(fā)射檢測(cè)、泄漏檢測(cè)、紅外檢測(cè)、微波檢測(cè)、磁記憶檢測(cè)、熱中子照相檢測(cè)及激光散斑成像檢測(cè)等，而且處于不斷開(kāi)發(fā)和升級(jí)中。同時(shí)，沒(méi)有哪一種方法是完美的，任何一種檢測(cè)方法都不可能給出百分百精準(zhǔn)的結(jié)果。因此，對(duì)于特別重要的焊接結(jié)構(gòu)，有必要使用兩種或多種無(wú)損檢測(cè)方法，使之形成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，從而得到滿意的檢測(cè)結(jié)果。

無(wú)損檢測(cè)方法已逐步成為主流檢測(cè)方法，它是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)繼續(xù)完善和進(jìn)步，這不僅對(duì)機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及安全性具有十分重要的作用，對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的提升也具有現(xiàn)實(shí)意義。