焊缝无损检测技术进展

23CNIC-01645CAEP-0107焊缝无损检测技术进展DEVELOPMENTOFNDTTECHNOLOGYOFTHEWELDS(InChinese)中国核情报中心ChinaNuclearInformationCentre24CNIC-01645CAEP-0107焊缝无损检测技术进展李建文徐彦霖王增勇（中国工程物理研究院机械工程研究所，绵阳，621900）摘要综述了焊缝的常规无损检测方法及其最新进展，各种检测方法的优缺点及其发展方向。重点论述了射线照相技术和工业CT技术方面的最新研究进展，介绍了几种超声成像技术的基本原理以及相关的信号处理方法。关键词：焊缝无损检测进展25DevelopmentofNDTTechnologyoftheWelds(InChinese)LIJianwenXUYansenWANGZengyong(InstituteofMechanicalEngineering,CAEP,621900)ABSTRACTNon-destructivetesting(NDT)anditsup-to-datedevelopmentaresummarized,includingtheadvantagesanddisadvantagesandthedevelopmentofNDTtechnology.Theup-to-datedevelopmentofX-rayimagingandindustrialCTisemphasedon,andthefundamentaltheoryofultrasonicimagingandrelatedsignalprocessingtechnologyisintroduced.Keywords：：：：Welds,NDT,Development26引言在现代工业生产中，焊接构件几乎无所不在，保证焊接构件的可靠性具有非常重要的意义。焊接构件在其焊接的过程中会产生一些缺陷，出现在表面的缺陷有：未焊透、咬边、焊瘤、表面气孔、表面裂纹等；内部缺陷有：夹渣、夹杂物、未焊透、未熔合、内部气孔、内部裂纹等。对表面缺陷可用磁粉法或渗透法来检验；对内部缺陷可用X射线或超声波检验。几种常用的焊缝检验方法的基本原理、适用范围、检验灵敏度及其优缺点列在表1中。本文主要对焊接构件内部缺陷的检测方法即：X射线检验和超声波检验法的现状及其各自的适用范围和优缺点进行研究，并讨论其可能的发展方向。1磁粉探伤检验、荧光探伤检验与着色探伤检验磁粉探伤检验是利用焊件在磁化后，在缺陷的上部会产生不规则的磁力线这一现象来判断焊缝中缺陷的位置。检测对象为厚度不限的铁磁性金属焊件，表面需光滑，能发现表面及表面下1～2mm的毛发裂缝。检测灵敏度取决于磁化方法、磁化电流、磁粉粒度等因素，通过目视磁粉在焊接接头上分布情况来判定缺陷的形状和大小。这种检测方法的优点是灵敏度高、速度快、能直接观察、操作方便，缺点是不能检验非铁磁性材料、不能发现内部缺陷、不能测定缺陷的深度。荧光探伤检验是利用紫外线照射某些荧光物质产生荧光的特性来检查工件表面的缺陷。检测对象为厚度不限的各种铝合金焊件，表面粗糙度Ra=3.2～3.6µm，可检测到宽度为10～4mm，深度为10～2mm的细小表面缺陷。通过荧光直接观察缺陷的位置、形状和大小，操作方便，设备简单，其缺点是紫外线能产生臭氧、对人体有一定的影响，而且只能发现外部缺陷。着色探伤检验是利用某些渗透性很强的有色油液，渗入工件的表面缺陷中，除去工件表面的油液后，涂上吸附油液的显像剂，在显像剂层上就显示出缺陷形状的彩色图像。能检验厚度不限的任何材料的焊件，表面粗糙度要求达到Ra=3.2µm，能检测到宽度不小于0.01mm、昀小深度为0.03～0.04mm的表面缺陷。通过直接观察焊件上的显影粉来确定缺陷的位置、形状和大小，不需专门设备、操作简便、费用低廉，但灵敏度较低、检验速度慢。2射线检验在超声检验出现之前，射线照相是发现焊缝中埋藏缺陷的唯一可行方法，人们对射线检验的基本原理已经有了近一个世纪的了解，射线照相在此期间已发展为一项成熟的技术。射线照相取决于对因缺陷及其周围金属的吸收率不同而引起的γ射线或X射线束透射强度变化的探测[1]，因为X射线吸收率很大程度上取决于材料的密度，因此射线照相在探测质量过剩或质量缺损的体积型缺陷（如夹渣或气孔）方面是非常有效的。射线照相对探测有一定厚度的金属块中任意方向上的平面缺陷（如致密裂纹或未熔合）则不一定有效，除非预先知道其开裂的可能位置和方向。27表1焊缝无损检验方法比较近年来射线照相昀重大的发展就在于X射线检测方面（或实时射线照相），有几种有效的方法可记录透射的X射线强度而不需使用胶片。对于焊缝检验，昀常用的技术就是使用荧光屏或X射线图像放大器将X射线转换为可见光，并将这种光的输出端连接到数据采集卡上。X射线检验法的主要优点是：它非常适用于自动化，可直接获得构件的图像，而不会因底片曝光和处理延误时间。此外，因为图像是以数字形式提供的，因此容易将图像处理和自动缺陷分析软件联入检验系统中。如果选择显微聚焦源和大几何尺寸放大率，探伤方法适用范围可发现缺陷及灵敏度判定方法主要优点主要缺点X射线检查2～120mm厚度的焊件，焊接表面不需要特殊加工射线探伤检验γ射线检查厚度小于300mm的焊件，焊接表面不需要特殊加工气孔、夹杂物、未焊透、未熔合、裂缝等。灵敏度一般为厚度的10%由胶片观察缺陷的位置、形状、大小及分布情况灵敏度高、能保存永久性的缺陷记录费用高、设备较重、不能发现与射线方向平行的裂缝一类极细的线状缺陷、有放射性、对人体有一定的影响超声波探伤检验厚度一般为8～120mm的形状简单的焊件，表面需光滑任何部位的气孔、夹杂、裂缝。灵敏度高，且不因厚度变化而变化根据信号指示可测定缺陷的位置、大小和分布情况适用范围广、对人体无影响、灵敏度高，能及时得出探伤结论焊件形状须简单、表面光洁度要高、对探伤人员的技术水平要求高、不能测定缺陷性质、不能保留永久性探伤记录磁力探伤检验厚度不限的铁磁性金属焊件，表面需光滑表面及表面下1～2mm的毛发裂缝。灵敏度取决于磁化方法、磁化电流、磁粉粒度等因素目视磁粉在焊接接头上的分布情况来判定缺陷的形状和大小灵敏度高、速度快、能直接观察、操作方便不能检验非铁磁性材料、不能发现内部缺陷、不能测定缺陷的深度荧光探伤检验厚度不限的各种铝合金焊件，表面粗糙度Ra=3.2～3.6µm宽度为10～4mm，深度为10～2mm的细小表面缺陷通过荧光直接观察缺陷的位置、形状和大小操作方便，设备简单紫外线能产生臭氧、对人体有一定的影响、只能发现外部缺陷着色探伤检验厚度不限的任何材料的焊件，表面粗糙度Ra=3.2µm宽度不小于0.01mm、深度为0.03～0.04mm的表面缺陷直接观察焊件上的显影粉来确定缺陷的位置、形状和大小不需专门设备、操作简便、费用低廉灵敏度较低、速度慢、表面光洁度要求高28则使用X射线检验法可获得高质量的图像。近年来，从传统的胶片X射线照相技术过渡到数字X射线技术，特别是非胶片化数字射线照相技术，不但大大降低了检测成本，还可以有效保护环境。AGFA公司提出了三种数字化方案：胶片的数字化（即利用扫描激光束测量胶片的光学密度并产生数字信号，它帮助从胶片技术中获取更多的信息）、利用存储荧光物质的计算机射线照相技术CR（适用于使用粗胶粒胶片技术的应用场合）和无定形硒直接射线照相技术DR（适用于使用中等或细粒胶片技术应用场合）。CR技术是利用可重复使用的图像板代替胶片，该图像板由对光敏感的存储荧光物质和薄膜晶体管阵列（TFT）组成，它可保持经射线照相后的图像。当利用激光束对该图像板扫描时，原先保存的图形再恢复成可见光。CR技术或较早的数字图像板是一种间接技术，需要先将X射线能量转化为可见光，然后再将光能转化为数字信号，而转换过程中因光散射影响图像质量和图像对比度。与CR技术相比，DR技术在射线数字技术方面又向前迈进了一步，它的数字图像板是利用无定形硒和TFT直接捕捉X射线并将其转化为数字信号，消除了中间环节因光散射引起的图像质量蜕化。DR技术可将曝光时间从3～5min缩短到5s，而显影时间可从8min左右降低到约35s，并可获得接近胶片的分辨能力。射线照相的主要局限性在于裂纹探测和裂纹尺寸测量方面。对于裂纹探测，特别在厚焊缝中，射线照相技术没有自动超声技术可靠。此外常规的射线照相不同于超声，它不能对穿透壁厚的裂纹尺寸（即裂纹深度）进行精确测量。射线照相的另一个主要局限性不在于其技术性能，而是使用X和γ射线的安全性。要求确保特别是在现场进行检验或使用放射性同位素时的安全工作环境。此外，还有一种CT技术，即计算机辅助层析成像技术，采用一面状射线束透射工件的一个层面，检测器阵列与射线束处于同一平面，通过机械驱动装置对工件形成一定的扫描透射，采集射线束穿过该层面的大量数据，通过拉冬（Radon）变换和逆变换，重建该层面的图像，实现对这一层面的检测。工业CT本质上也是一种射线检测技术，能够给出焊件的断层扫描图像，从图像上可以直观看到目标细节的空间位置、形状、大小，感兴趣的目标不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别和理解，具有突出的密度分辨能力，高质量CT图像的密度分辨能力可达0.1%甚至更高，比常规射线检测技术高一个数量级。采用高性能探测器的工业CT，探测信号的动态范围可达106以上，远高于胶片和图像增强器。采用微焦点X射线工业CT可检测小试件内十几微米的缺陷，扫描层厚度可控制到20～100µm，重建图像矩阵1024×1024像素，图像为三维图像。工业CT图像是数字化的图像，从中可以直接给出像素值、尺寸等物理信息，数字化图像便于储存、传输、分析和处理等。工业CT的局限性在于其设备造价太高，检测成本高，检测效率低，一般用于小体积、高价值的零件或一些零件关键部位的检测。下图为某大马力发动机用电子束焊活塞的环缝工业CT扫描图和顶缝工业CT扫描图。活塞由铸造的活塞顶圈和锻造的铝活塞体用电子束焊工艺焊接在一起的，形成两道焊缝，一道为顶部的筒形焊缝，一道为裙部的环形焊缝，活塞直径150mm。从图1中可以清楚地看到焊缝根部的气孔带以及焊缝中心部位有一处长条形气孔。从图2中可以看到靠近内冷油道位置附近的顶缝气孔。29图1活塞环缝工业CT扫描图图2活塞顶缝工业CT扫描图3超声检验20世纪60年代，超声检测就被作为焊缝检验的一种无损检测技术。从那时起，这种技术就得到广泛的发展，日益被人们所接受。因此，超声检测现已成为一项重要技术，用来判定很多在役检验的焊接结构，如海上结构、核工业及压力容器工业等。在在役检验方面，超声检测之所以比X射线照相更受欢迎，是由于射线照相的内在局限性和应用超声所获得的实际利益。如上所述，射线照相在辨别体积缺陷时非常有效，但在检查或测量平面缺陷，且有可能是昀严重的缺陷类型裂纹时，其能力则有限。超声波经平面和立体缺陷散射，可用于探测这两种类型缺陷，并测量其尺寸，如果采用适当的方法，超声甚至能探测出闭合的裂纹。超声还能容易地给出与缺陷有关的深度信息，而X射线，还需专门的且昂贵的技术（如CT）才能获得这些信息。在节约资金方面，通过提高生产率，超声比射线照相可获得更大的利益。在过去几十年里，超声检验已从一种单纯的人工操作技术发展到经过计算机辅助处理的人工操作技术，更进一步发展到使用自动扫描仪，并且在焊缝评定时可联结多个压电传感器的全自动系统。对日益完善的系统在缺陷探测方面应用的可靠性研究，已形成建立超声焊缝检验可信度的一个重要因素。此外，还进行了某些工作来确定检验特殊焊缝几何形状的可靠方法，包括单面V形坡口焊缝和双面V形坡口焊缝以及对接焊缝。这些研究中有几项已用射线照相和超声检验的可靠性作了比较，结果表明人工操作超声技术，甚至使用昀不完善的超声方法，对存在的不连续处的拒收率等于或大于射线照相的拒收率。超声检测焊接结构要求不仅能可靠地探测缺陷，而且须准确地对缺陷定位和测量其大小，使接收/拒收准则能够正确实施。人工操作的超声系统通常使用的是20dB衰减、6dB衰减与来自钻孔的幅度比较