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试论金属材料焊接中超声无损检测技术的应用

来源:用户上传      作者: 李向科

  [摘 要]金属材料存在缺陷会对焊接过程造成严重的事故隐患,在金属材料焊接前对其焊接点进行无损检测具有重要的意义。随着超声无损检测技术的逐渐成熟,将之应用到金属材料焊接中可以对金属材料作出更全面而准确的分析与评价,消除金属材料存在隐患的不良情况,更好地避免事故的发生。本文通过对超声无损检测技术的原理和方法进行分析,进而通过试验研究探讨了金属材料焊接中超声无损检测技术的应用。
  [关键词]金属材料;焊接;超声无损技术
  中图分类号:S220.4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)33-0398-01
  金属材料在进行焊接的时候很容易因为受热产生损伤劣化,从而形成严重的事故隐患,因此,在金属材料焊接前对其焊接点进行无损检测具有重要的意义。随着时代的进步和信息技术的发展,超声无损检测技术已经越来越成熟,在各个领域的检测工作中发挥着重要的作用,将之应用到金属材料焊接中可以对金属材料作出更全面而准确的分析与评价,消除金属材料存在隐患的不良情况,更好地避免事故的发生。
  一、超声无损检测技术的原理
  超声波无损检测是指在不对被检对象的使用性能造成损害的情况下,通过超声波与受检对象的相互作用,对形成的反射波、透射波和散射波进行研究,从而分析受检对象是否存在缺陷或者不均匀情况,进而确定受检对象缺陷程度及具体特征表现,最终形成对受检对象应用性的综合评价,得出受检对象的技术状态是否符合使用标准。
  超声波无损检测技术是以超声波在被检对象中的传播特性为检测依据的。具体来说,超声波具有独特的传播特性,在介质中的传播过程会针对声学性能产生各种信息,通过对这些信息进行分析与研究,可以得到被检对象的相关信息,从而实现对被检对象的评价与分析。超声波无损检测技术在对各种材料进行实际检测时,由于超声波波形、被检材料形状、超声波发射与接收的方法以及使用的耦合剂等的不同,产生了多种不同的检测方法,根据检测原理的不同可以分为超声波脉冲反射法、衍射时差法等,根据显示方式的不同则可以分为A型显示、超声成像显示等。超声脉冲反射法是五大常规无损检测技术之一,其工作原理是:脉冲波在被检对象中会以一定的方向和速度传播,如果被检对象存在裂纹、气孔等缺陷时,脉冲波在经过这些不连续的缺陷界面时会因为声阻抗的存在而反射部分声波,通过对反射声波的波幅和位置进行研究,就可以得出被检对象是否存在缺陷以及缺陷的大小和具体位置[1]。
  二、超声脉冲反射法的应用和特点
  (一)超声脉冲反射法的应用
  超声脉冲反射法和射线照相法、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等四种射线检测并称为五大常规无损检测技术。在具体的应用中,适用于多种不同材料的无损检测,既可以检测钢板、铝合金板材、复合板、钢管等原材料或者零部件,也可以检测钢制、铝合金制等焊接接头。
  探头是超声检测中发出与接收超声波的重要部件,通常由压电晶片、组尼片、电缆线、接头、保护膜和外壳六个部分组成,其中具有压电效应的晶片是核心元件,可以在应力的作用下产生交电电场。压电晶片在高频电脉冲的作用下会产生逆电压效应,从而将电能转化为声能,以脉冲方式间歇性发射超声脉冲波,实现了脉冲波的发射;当探头接收到反射的超声脉冲波时,此时发生正压电效应,从而将声能转化为电能,实现对脉冲波的接收[2]。
  直接接触纵波脉冲反射法是对金属材料进行超声无损检测时最常用的检测方法,此方法在超声探头与被检材料的接触面加入了耦合介质,使超声波在与被检材料接触时与两种不同介质发生作用,通过对形成的反射波进行研究完成对被检材料的检测。由于如果超声探头与被检对象的接触层中含有空气,会出现声能全部反射的情况,不能有效完成超声探头对形成的超声波的接收与发送,导致检测活动失败,因此,在进行检测之前将接触层内的空气完全排放很重要。对接触层内空气的排放一般采取在接触层间添加一层耦合剂,就可以达到完全排放空气的目的了。
  (二)超声脉冲反射法的特点
  1.超声脉冲反射法的优点。超声脉冲反射法具有很强的穿透性,可以实现对厚度较大的部件的检测,以金属材料为例,可以检测1―2mm管材、板材以及几米长的钢锻件;具有较高的灵敏度,检测缺陷的成功率较高,定位也较准确;成本低、速度快,无害无污染,使用轻便等。
  2.超声脉冲反射法的缺点。对缺陷的定性和定量分析不够精准,需要进一步深入研究;检测外形比较复杂、不规则的部件比较困难;受检测部件的材料及晶粒度影响较大;检测结果没有直接的见证记录等。
  三、金属材料焊接中超声无损检测技术的应用试验研究
  本文通过应用超声无损检测技术对WELDOX960高强钢铁进行检测,以工程试验的方式对金属材料焊接中超声无损检测技术的应用进行了研究。
  (一)制备焊接试样
  在试验开始前,需要先准备一批具有各种不同缺陷的焊接试样,本次试验是对WELDOX960高强钢铁材料进行检测,因此首先对这种材料的化学成分进行研究[3]。
  在具体的制备过程中,为了使试样表面产生各种不规则的焊波,可以使用金属电弧法,以每时46890J的热量进行人工焊接。在进行纵向焊接裂缝的制备时,可以在制备之前给试样顶端接上钢板以附加一定的应力,同时对试样进行冷冻,选用未烘培的焊条,在较高的移动速度中进行;在进行横向焊接裂缝的制备时,为了保证裂缝发生在指定的位置,可以在焊接前加入一些生铁屑[4]。
  气孔的产生可以通过以下三种方式进行:①去掉焊条顶端的涂层,这样可以去掉焊条的保护气层;②事先将焊条浸入水中一段时间;③拉长焊机电弧,保证焊接试样与空气充分接触,那么式样在凝固时自然会产生气孔。
  通过上面这些方法,本次试验用两块健全试样制备了18存在缺陷的焊件,
  (二)检测结果
  本次试验对焊接试样的表面进行了处理,表面光洁度较高,实现了探头与试样表面的充分接触,同时采用了甘油作为耦合剂,声能抗阻性和无腐蚀性好,充分发挥了对超声波能的传递作用,减少了声能反射的损失。此外,整个试验的测试系统均达到了相关标准,充分保证了试验进行的稳定性和结果的准确性。为了最大限度消除随机的干扰,试验分别采用30MHz和50MHz的探头对试样进行了多次的检测,保证每一个测点都达到了不低于100次的检测,然后对所有检测结果进行计算,以平均值作为最终结果。
  四、结语
  随着时代的进步和计算机信息技术的发展,超声回波信号的分析与处理技术已经越老越成熟,因而超声无损检测技术的优势也越来越明显,已经成为工业检测的重要手段。本文通过对超声无损检测技术的原理和方法进行分析,进而通过试验研究探讨了金属材料焊接中超声无损检测技术的应用,为超声无损技术在金属焊接中的应用提供了理论支持与试验论证,对超声无损检测技术的应用与发展具有重要的意义。
  参考文献
  [1] 戴永.基于激光超声检测金属材料表面缺陷的数值模拟[D].江苏大学,2011.
  [2] 董利明.金属焊接残余应力的激光超声无损检测研究[D].南京理工大学,2012.
  [3] 罗敏慧.超声无损探测中光致声波的原理及应用[D].电子科技大学,2007.
  [4] 石一飞.金属材料表面缺陷及残余应力的激光超声无损检测研究[D].南京理工大学,2009.
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