文章概况：无损检测技术在焊接裂纹检测中的应用
无损检测技术在焊接裂纹检测中的应用
于凤坤, 赵晓顺, 王希望, 刘淑霞, 马跃进
( 河北农业大学机电工程学院, 保定 071001)
摘 要: 介绍了磁粉检测、渗透检测、涡流检测、射线检测和超声波检测技术在焊接裂纹检测中
的应用状况。对红外热成像检测、激光全息检测和微波检测新技术在焊接裂纹检测中的应用进行
了展望。
关键词: 焊接裂纹; 常规无损检测; 红外热成像; 激光全息; 微波检测
焊接结构的材料和接头形式繁多, 若焊接处存
在几何形状不连续性、焊接变形和残余应力等, 易形
成各种裂纹缺陷, 使焊接工件的焊接处成为事故的
多发区, 所以国内外对焊接结构裂纹缺陷的检测都
给予了高度的重视。应用无损检测技术检测焊接结
构的质量在现代工业生产中有着非常重要的意义。
1 焊接裂纹分类及危害
焊件中的裂纹可能在焊接过程中、焊后或使用
过程中产生。根据裂纹的外观和所在位置可分为纵
向裂纹、横向裂纹、火口裂纹、焊趾裂纹和焊道下裂
纹等。根据裂纹的形成温度和条件分为热裂纹和冷
裂纹, 其中热裂纹一般与空气相通, 表面常被氧化而
变色, 纵向裂纹、横向裂纹和火口裂纹都属于热裂
纹; 冷裂纹在较低温度下形成, 裂纹表面未被氧化,
所以一般是光亮的, 焊趾裂纹和焊道下裂纹都属于
冷裂纹。
在焊制过程中, 由于存在焊接工艺与设备条件
的偏差、残余应力状态和冶金因素变化以及结构材
料与尺寸的差异等, 往往会在焊缝中产生热裂纹。
此时发现的超标缺陷一般都要进行返修, 同一位置
的缺陷返修次数与裂纹的发生率几乎呈比例上升。
在服役过程中, 焊接件有的经受高温、高压或兼
有介质腐蚀的环境, 有的承受疲劳、冲击及辐照等恶
劣工况, 因此会引发材质恶化、应力变动并产生冷裂
纹。如英国1962- 1978 年间统计的20 000 个高质
量容器中曾发生229 起事故, 其中因裂纹引起的为
216 起, 占事故总数的94. 3% 。在216 起裂纹引发
的事故中, 因漏检引起的有63 起, 占事故总数的
29% [ 1] 。
2 无损检测技术在焊接裂纹检测中的应用
2. 1 磁粉检测
磁粉检测具有操作简便、迅速且灵敏度高等优
点, 主要用于检测铁磁性材料和工件表面或近表面
裂纹, 对材料内部缺陷的检出率随埋藏深度的增加
而迅速下降。
当焊件进行磁粉检测时, 对于焊接性能差的钢
种或是特厚钢板应每焊一层进行一次检验, 以保证
及时发现焊接过程中产生的裂纹。检测区域为焊缝
区及热影响区。检测前要清理焊缝的表面污垢、焊
接飞溅和氧化皮等。使用干粉或与清洗液不同的磁
悬液时, 必须等焊缝干燥后才可检验。应在焊缝两
个相互垂直的方向分别磁化一次, 一般采用连续法
磁化。
磁粉检测最大的局限是只能用于铁磁性焊件,
且检测后要退磁和清洗。
2. 2 渗透检测
渗透检测用于检测焊接件的表面开口裂纹、奥
氏体钢和有色金属, 具有检测速度快、操作简便、缺
陷显示直观且检测灵敏度较高等特点。
渗透检测前应用清洗剂清洗焊件表面或缺陷内
部的污物并吹干水分, 涂渗透剂时一般采用刷涂法,
局部检测采用刷涂法或喷罐法。渗透剂渗入时间一
般为1 h 或1 h 以上, JB 4730 标准规定, 焊缝检测
推荐的渗透时间一般不得少于10 min, 当温度降为
3~ 15 时, 应根据温度适当增加渗透时间; 当温度
超过50 或低于10 时, 渗透时间应根据所用渗
透剂型号、检测灵敏度要求以及渗透剂厂家的推荐
时间试验决定。JB 4730 标准规定, 焊缝检测推荐
的显像时间一般不得少于7 min。对焊接冷、热裂
纹和火口裂纹的迹痕显示特征定义为略带曲折的波
浪状或锯齿状的细纹, 只限细条纹、星状或锯齿状条
纹[ 2, 3] 。
渗透检测的主要不足之处是表面粗糙度影响缺
陷的检出率以及难以定量控制检验操作的程序。
2. 3 涡流检测
涡流检测可在不去除表面涂层的情况下探测金
属材料的表面及近表面裂纹。目前, 焊缝的涡流检
测主要采用多频涡流或脉冲涡流检测方法, 已成功
应用于海洋采油平台钢结构焊缝疲劳裂纹和油气输
送管道内外壁腐蚀与裂纹的检测。
常规绝对式涡流探头用于检测导体裂纹时, 其
信号大小与裂纹深度密切相关, 可用来估算裂纹深
度。但当探头不垂直于被检工件或左右摇摆不定
时, 就会产生干扰信号, 导致检测的稳定性及准确性
大大降低。此外, 绝对式探头对铁磁性材料的磁导
率极其敏感, 焊缝表面高低不平和热影响区变化以
及锈蚀的表面都会造成严重的干扰信号。为此, 人
们研究出基于复平面分析的金属材料焊缝涡流检测
技术, 可在防腐层表面使用特殊的点式探头对焊缝
进行快速扫描检测, 提离效应及探头晃动对检测结
果的影响很小[ 4- 6] 。
2. 4 射线检测
射线检测图像直观, 对裂纹的检测灵敏度较高。
射线照相对裂纹的检测灵敏度与裂纹本身的开口宽
度、自身高度和与射线传播方向的夹角有关。在使
用X 射线检测时需注意使入射的射线与裂纹方向保
持平行; 当X 射线方向与裂纹倾斜时, 会使裂纹影像
变宽、颜色变淡; 裂纹面与射线近乎垂直时, 缺陷很难
被检测出来。常见的焊接裂纹影像一般呈折线条或
略带锯齿状的细纹, 轮廓分明, 两端尖细且颜色较淡,
中间稍宽且颜色较深, 有时出现树枝状影像[ 3] 。
可在荧光屏或胶片上观察焊接裂纹, 该成像方
式速度快、成本低, 但图像清晰度差。射线图像数字
化后输入计算机, 可以通过图像处理提高清晰度。
此外, 采用光盘存储图像可以缩小占用空间, 便于调
用。由于X 射线对人体有害, 必须采取有效的安全
保护措施。
2. 5 超声波检测
超声波方法既可以检测焊缝表面裂纹也可以检
测内部裂纹。对表面裂纹的检测灵敏度比渗透检测
要低, 对内部裂纹的检测灵敏度比射线检测高。
超声波检测时, 通过缺陷处的反射声波显示有
无裂纹。裂纹的深度可用超声衍射时差法( T OFD)
进行测量, 通过测量缺陷上下端点衍射波的时间差
计算缺陷的高度。焊缝表面余高的形状、高度和宽
度、焊接接头的错口、对接焊缝板材厚度以及焊接接
头外接结构等都会影响超声波检测的有效应用[ 7,8] 。
超声波检测的适应性强、对人体无害、适合于户
内外环境作业。但因为超声波在材料中传播时受金
属组织体积( 特别是晶粒大小) 的影响很大, 不适用
于检测焊缝存在各向异性、组织粗大的奥氏体不锈
钢焊接件[ 9] 。
2. 6 无损检测新技术
红外热波、激光全息和微波检测是无损检测新
技术。红外热波技术可对与焊缝表面垂直并完全闭
合的裂纹进行快速、非接触检测, 并且对各类表面裂
纹的检测都很成功[ 10] 。激光全息干涉测量技术具
有灵敏度高、检测速度快、不用探头接触零件表面、
不需要耦合剂、对构件的形状和表面状态无特殊要
求、能全场直观显示缺陷情况等优点, 而且检测结果
易于保存。激光全息技术已应用于印制电路板内的
焊接接头、压力容器焊缝质量的检测[ 11] 。微波检测
是以微波为信息载体, 对各种适用材料和构件进行
无损检测和材质评定。它不仅能用来定位工件内的
裂纹, 而且可以测定裂纹的尺寸。
在常规技术广泛应用, 新技术不断完善的同时,
目前还可考虑多种技术的融合, 如超声技术和红外
热像技术的结合可使检测的灵敏度提高、检测范围
扩大; 声全息技术作为超声波技术的扩充, 可使超声
检测技术更有效等[ 12] 。
3 结论
渗透检测和射线检测等常规无损检测技术对焊
接工件中较大的裂纹缺陷都能进行有效地检测, 但
在结果显示、准确度等方面存在不足, 对残余应力的
推挤形成的无间隙裂纹和普通的细微裂纹检出率很
低。随着各种常规无损检测技术的不断改进, 结合
无损检测新技术的研究与应用, 各项无损检测技术
相互融合、取长补短, 充分发挥各自的优势, 可使无
损检测技术在焊接领域中得到更多的应用和发展。
> 1 050 时强度极弱。所以也可以使用电导率来
发现材料强度的变化。当烧伤温度达到1 100
时, OT 4 的强度发生突变, 急剧减小, 说明强度的突
变与电导率的突变几乎是同时的, 因此可用电导率
来表示强度。
综上所述, 使用电导率检测法可以快速并且较
为准确地判断飞机构件的烧伤程度。但是由于在高
温下钛合金电导率下降较快, 而电导率测试有一定
的量程限制, 当电导率下降至一定数值时便无法测
得, 也就无法得知烧伤程度及范围。
2. 2 硬度检测法
从试验数据可见, 随着烧伤温度的升高, 钛合金
的硬度会持续上升, 同时其他力学性能持续下降, 并
且发生上升或下降的温度点是一致的。所以在飞机
烧伤的鉴定中, 使用硬度值作为参考数据也是可行
并且较为准确的。但也必须看到, 硬度有一定的随
机性, 在同一试件临近部位所得硬度值也有一定的
偏差, 特别是对蒙皮等较薄试件打点时, 由于试件易
产生变形, 所得硬度值并不精确。
随着科技的发展和我军外场装备条件的进一步
改善, 一些新型的检测仪器也会陆续装备部队, 促进
钛合金烧伤状态的研究。
参考文献:
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[ J] . 航空工程与维修, 2000, ( 4) : 22.
[ 3] 刘伯操, 孟庆文. 苏27CK 飞机机体材料与热工艺分析
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