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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第5頁(yè)
焊縫無損檢測(cè)現(xiàn)狀
[澳大利亞] RJ Ditchburn SK Burke CM Scala
超聲檢測(cè)
20世紀(jì)60年代，超聲檢測(cè)就被作為焊縫檢驗(yàn)的一種NDT技術(shù)。從那時(shí)起，這種技術(shù)就得到廣泛的發(fā)展，日益被人們所接受。因此，超聲檢測(cè)現(xiàn)已成為一項(xiàng)重要技術(shù)，用來判定很多在役檢驗(yàn)的焊接結(jié)構(gòu)，如海上結(jié)構(gòu)、核工業(yè)及壓力容器工業(yè)，以及海洋應(yīng)用的某一范圍。
在在役檢驗(yàn)方面，超聲檢測(cè)之所以比X射線照相更受歡迎，是由于射線照相的內(nèi)在局限性和應(yīng)用超聲所獲得的實(shí)際利益。如上所述，射線照相在辨別立體缺陷時(shí)非常有效，但在檢查或測(cè)量平面缺陷，有可能是最嚴(yán)重的缺陷類型裂紋時(shí)，其能力則有限。超聲波經(jīng)平面和立體缺陷散射，可用于探測(cè)這兩種類型缺陷，并測(cè)量其尺寸，如果采用適當(dāng)?shù)姆椒?，超聲甚至能探測(cè)出閉合的裂紋。超聲還能容易地給出與缺陷有關(guān)的深度信息，而X射線，還需專門且昂貴的技術(shù)（如CT）才能獲得這些信息。在節(jié)約資金方面，通過提高生產(chǎn)率，超聲檢測(cè)比射線照相可獲得更大的利益。90年代，人們對(duì)射線安全性的日益關(guān)注嚴(yán)重阻礙了X 射線照相的繼續(xù)使用。
在過去的幾十年里，超聲檢驗(yàn)已從一種單純的人工操作技術(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)輔助處理的人工操作技術(shù)，到自動(dòng)掃描儀的使用，最近發(fā)展為焊縫評(píng)估用聯(lián)接多個(gè)壓電傳感器的全自動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)日益完善的系統(tǒng)在缺陷探測(cè)方面應(yīng)用的可靠性研究已形成建立超聲焊縫檢驗(yàn)可信度的一個(gè)重要因素。如對(duì)鋼構(gòu)件檢驗(yàn)方法（PISC) I ,Ⅱ和Ⅲ進(jìn)行研究的目的是要獲得超聲檢驗(yàn)在核工業(yè)和壓力容器工業(yè)中的最佳應(yīng)用。在PISC研究之外，已進(jìn)行了某些工作來確定檢驗(yàn)特殊焊縫幾何形狀的可靠方法，包括單面V形坡口焊縫、雙面V形坡口焊縫以及對(duì)接焊縫。這些研究中的幾項(xiàng)已用射線照相和超聲檢驗(yàn)的可靠性作了比較，結(jié)果表明，用超聲探測(cè)缺陷的可靠性隨著該系統(tǒng)完善的程度而增大。根據(jù)Lebowitz 和DeNale，該結(jié)果還表明人工操作超聲技術(shù)，甚至使用最不完善的超聲方法，對(duì)存在的不連續(xù)處的拒收率等于或大于射線照相的拒收率。
超聲檢測(cè)焊接結(jié)構(gòu)要求不僅能可靠地探測(cè)缺陷，而且能精確地對(duì)缺陷定位和測(cè)量其大小，使接收／拒收準(zhǔn)則能夠正確實(shí)施，人工操作的超聲系統(tǒng)通常使用的技術(shù)是20dB衰減（圖la）、6dB衰減或與來自鉆孔的幅度比較。然而，這些技術(shù)都有誤差，這種誤差不僅是由缺陷形狀、方向和位置的影響引起的，而且還由衰減、耦合、分辨力及設(shè)備特征引起。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助處理的超聲系統(tǒng)使得用于缺陷探測(cè)及測(cè)量的好方法如聲時(shí)衍射法( TOFD)（圖lb）便于實(shí)施，在 PISCⅡ中，標(biāo)準(zhǔn)方法加上TOFD，對(duì)所要求的缺陷拒收率，可得到近乎完美的結(jié)果。在測(cè)量缺陷大小方面，根據(jù)合成的小孔聚焦（SAFT）及其派生方法如 SUPER – SAFT。進(jìn)行超聲成像的自動(dòng)超聲系統(tǒng)已取得了重要進(jìn)展。
（a）20dB衰減技術(shù) （b）TOFD技術(shù)
圖1 超聲測(cè)量缺陷尺寸
對(duì)于焊縫超聲檢驗(yàn)可靠方法的開發(fā)要求了解聲波與各種類型焊縫缺陷的相互作用、超聲波在復(fù)雜幾何體中的傳播、檢驗(yàn)?zāi)骋唤Y(jié)構(gòu)中表面閉合缺陷所引起的特殊問題、復(fù)合層和其它顯微組織對(duì)超聲波傳播的影響。雖然超聲波在鐵素體和輕質(zhì)合金焊縫中的傳播相對(duì)來說不是很復(fù)雜，但對(duì)奧氏體焊縫的顯微組織已引起特別注意。這些材料對(duì)超聲波的衰減很嚴(yán)重，由于存在大晶粒散射而使背底噪聲高，除非沿著主要晶軸傳播，否則還導(dǎo)致超聲波束的偏移。因此，最近的研究已直接面向開發(fā)專門的超聲技術(shù)去處理這些復(fù)雜情況，特別PISCⅡ,和Ⅲ對(duì)超聲波在奧氏體材料中傳播的詳細(xì)模擬試驗(yàn)，已取得了重大進(jìn)展。將來，這些模型應(yīng)能更精確地估算特殊缺陷的位置和大小誤差，為奧氏體鋼和奧氏體焊縫鋼檢驗(yàn)采用改進(jìn)的規(guī)則奠定基礎(chǔ)。
目前，人們對(duì)降低焊縫檢驗(yàn)成本的需求日益增長(zhǎng)。在現(xiàn)代超聲系統(tǒng)中，自動(dòng)掃描儀的出現(xiàn)、多個(gè)探頭的使用及計(jì)算機(jī)輔助處理通過提高檢驗(yàn)速度和檢驗(yàn)的可靠性降低了成本，但使用自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，設(shè)備和校準(zhǔn)費(fèi)用增高了。同時(shí)、由于近來超聲系統(tǒng)的發(fā)展，分析超聲數(shù)據(jù)的費(fèi)用有可能提高，因?yàn)楦鞣N類型的缺陷（甚至很小的缺陷）都能探測(cè)到，而不管這些缺陷是否嚴(yán)重。對(duì)這個(gè)問題的解決方法就是改進(jìn)缺陷嚴(yán)重性接收／拒收準(zhǔn)則的自動(dòng)化應(yīng)用。因此，現(xiàn)在要努力開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其用于超聲系統(tǒng)中對(duì)缺陷類型、尺寸和位置進(jìn)行分級(jí)，得出的結(jié)果符合特定的檢驗(yàn)規(guī)則。在模擬的焊縫缺陷（已獲得100％正確的缺陷類型分辨力）和真實(shí)的焊縫缺陷（使用不同方法獲得約為90％的成功率）研究方面，一些試驗(yàn)室已獲得非常有價(jià)值的結(jié)果。借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，接收／拒收準(zhǔn)則在自動(dòng)化應(yīng)用方面的預(yù)備工作也已進(jìn)行。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能在有代表性的數(shù)據(jù)上試用后，才能證明它們是成功的。然而，獲得代表性數(shù)據(jù)的費(fèi)用很高。一種替代方法，是在網(wǎng)絡(luò)上采用從超聲波與焊縫缺陷相互作用的加強(qiáng)數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。這些模型是PISC Ⅲ下一個(gè)PISC繼續(xù)項(xiàng)目的開發(fā)。在這些數(shù)學(xué)模型變得更完善之前，對(duì)于焊縫的超聲判定，強(qiáng)調(diào)使用合格的科技人員是有必要的。
今后，進(jìn)一步優(yōu)化焊縫超聲檢驗(yàn)仍有很多困難，先進(jìn)方法如TOFD的應(yīng)用有可能取得實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施還只是個(gè)開始。在焊接應(yīng)用中，改進(jìn)的超聲產(chǎn)生和探測(cè)有多種選擇方法，如使用相控陣、激光技術(shù)（如下所述）和其它特種探頭。在超聲可靠性范圍內(nèi)需考慮其它一些因素，如殘余應(yīng)力、較高頻率的影響及對(duì)真實(shí)缺陷而不是模擬缺陷更全面的考慮。
對(duì)檢驗(yàn)的總經(jīng)濟(jì)效益也應(yīng)給予更多的考慮。要獲得最大經(jīng)濟(jì)效益就需對(duì)所給的某項(xiàng)檢驗(yàn)選擇最適合的技術(shù)，包括使用一種以上的技術(shù)來判定焊接結(jié)構(gòu)的不同部位。例如，磁粉檢驗(yàn)與超聲結(jié)合快速而經(jīng)濟(jì)有效地探測(cè)焊縫表面裂紋。新的電磁方法在這種情況下也起著作用（如下面所討論的）。還存在的問題是如何將超聲檢驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展補(bǔ)充到焊縫判定規(guī)則中。
在線焊縫檢驗(yàn)
在自動(dòng)焊接過程中，焊接工藝的在線監(jiān)測(cè)和控制能提高焊縫質(zhì)量并增加產(chǎn)量，通過實(shí)時(shí)無損評(píng)價(jià)技術(shù)與焊接工藝的結(jié)合，可達(dá)到焊縫的監(jiān)測(cè)和控制。另外，如果產(chǎn)生了焊接缺陷，則在這些缺陷被后續(xù)焊道覆蓋前，對(duì)這些缺陷進(jìn)行修補(bǔ)以減少焊后的檢驗(yàn)和修補(bǔ)。
高質(zhì)量焊縫取決于與焊接準(zhǔn)備工作有關(guān)的正確的焊池尺寸、幾何形狀和位置。在線自動(dòng)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常具有可提供焊池狀況信息的傳感器。利用這些信息，確定焊池狀況與至少一個(gè)臨界焊接參數(shù)（如電流、電壓、焊距位置和傳送速度）間的關(guān)系，通過傳感器的反饋線路調(diào)整焊接工藝（圖3）。該系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來維持期望的穩(wěn)定工藝狀態(tài)，且不需要操作人員介入。
圖2 描述焊接工藝引入檢測(cè)原理示意圖
焊接的動(dòng)態(tài)特征意味著數(shù)據(jù)采集和處理必須能迅速獲得焊接過程中的有用信息，兩級(jí)實(shí)時(shí)射線照相分析包括快速尋找缺陷區(qū)域，并對(duì)缺陷進(jìn)行仔細(xì)辨別和定位的系統(tǒng)已達(dá)到這個(gè)要求。實(shí)時(shí)射線照相圖像已用于對(duì)接接頭焊縫電弧焊條件的控制；焊池凹陷的實(shí)時(shí)射線照相圖像和池后焊縫迅速固化圖像的綜合方法可用于焊縫熔透和質(zhì)量控制。
在線超聲傳感已用于確定金屬極氣體電弧焊(GMA)和鎢極氣體保護(hù)電弧焊（GTA）焊接工藝的質(zhì)量，這種技術(shù)可實(shí)時(shí)探測(cè)焊池幾何形狀和焊縫缺陷。該技術(shù)評(píng)價(jià)了焊條處熔化的焊池質(zhì)量和焊條后固化的焊縫金屬質(zhì)量，可探測(cè)側(cè)壁不完全熔透和密集氣孔。使用具有92％成功率的專家系統(tǒng)技術(shù)可將這些不連續(xù)與完好焊縫區(qū)分開來，遺憾的是這個(gè)專家系統(tǒng)的算法不能成功地識(shí)別不連續(xù)的類型。正確辨別密集氣孔的比率為70%，正確辨別側(cè)壁不完全熔化則為63％。Bull 等人已表明GTA和電阻點(diǎn)焊可用超聲法監(jiān)測(cè)，并在電阻點(diǎn)焊在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)方面有所進(jìn)展。
使用壓電傳感器和耦合劑因存在耦合介質(zhì)使焊縫不純凈，對(duì)生產(chǎn)是不利的，為了解決這個(gè)問題，已研制出一種非接觸式超聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一種受脈沖作用的釹YAG激光來產(chǎn)生超聲波，用電磁聲傳感器（EMAT）接收。
另外，兩種非接觸檢測(cè)技術(shù)正在研究過程中，第一種技術(shù)使用雙波長(zhǎng)光導(dǎo)纖維傳感器可同時(shí)觀察來自焊接過程的紅外線（IR）和紫外線（UV），射線由熱熔池和由光束/氣體相互作用發(fā)出的等離子體產(chǎn)生。這種技術(shù)已成功地用于顯示激光焊中所遇到的干擾。第二種技術(shù)使用錄像圖像在線處理，它可保證GMA焊接中焊縫接頭區(qū)和焊道中心線的冷卻速率，模糊邏輯控制裝置和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用這個(gè)信息來修改工藝參數(shù)。
結(jié)論及今后的工作
近幾年在焊縫NDT技術(shù)方面已取得了重大進(jìn)展，特別是用超聲和電磁方法測(cè)量裂紋尺寸和殘余應(yīng)力，以及焊接工藝的在線監(jiān)測(cè)方面。成本效益與諸多因素有關(guān)，如NDT技術(shù)的可靠性、靈敏度、速度和覆蓋面，這些方面的要求導(dǎo)致焊縫自動(dòng)超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用得以擴(kuò)大，特別是在核工業(yè)和壓力容器領(lǐng)域。非接觸式NDT技術(shù)已取得迅速發(fā)展，今后在自動(dòng)數(shù)據(jù)處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展的同時(shí)，還應(yīng)提高其檢驗(yàn)速度。
總之，焊縫NDT特別是在使檢驗(yàn)成本降至最低而不損壞結(jié)構(gòu)完整性方面，仍有很多難題，通過焊接工程師與NDT專家之間的密切合作，這些難題正在得到解決，既具備NDT知識(shí)又具備焊縫生產(chǎn)，斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，是獲得最佳效果的基礎(chǔ)。